CMOS图像传感器第四章CMOS

T 图3-2
光栅信号电荷积分在光栅（PG）下，浮置扩散点（A）复位 （电压为VDD），然后TX开启，收集在光栅下的信号电荷
转移到扩散点，复位电压水平与信号电压水平之差就是传感 器的输出信号。它由源跟随器转变为信号电压输出。
光栅型CMOS APS
每个像素采用5个晶
体管，典型的像素间
距为20μm（最小特 征尺寸）。
20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界 上第一块单片CMOS图像传感器件。
CMOS
（Comple-mentary Metal-Oxicle-Semiconductor）
二、CMOS摄像器件
采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、驱 动和控制电路、信号处理电路、模／数转换器、 全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现 单芯片成像系统。
CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺，可将图像采集 单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。
由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于 要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用， 如保安用小型对讲机、微型相机、手机、计算机网络 视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫 描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像 系统等大量商用领域。
光栅型有源像素结构（PG－APS）——成像质量较 高
CMOS有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素 结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充 系数典型值为20%-30%。
在CMOS上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数 （这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射 光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光 线重回到对光敏感的二极管区域）。
从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像 素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低 的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压 输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。 CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的 带宽，并增加了信噪比。
1. CMOS像素结构
按照像素阵列单元结构的不同，可以将像素单 元分为：
（2）有源像素结构
然而今天，随着制作工艺的提高，使在像素内 部增加复杂功能的想法成为可能。
现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开 关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的 相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加 功能。
有源像素结构
光电二极管型有源像素（PD－APS）——大多数中 低性能的应用
在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大 器。 集成在表面的放大晶体管减少了像素元 件的有效表面积 。
这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的 多通道放大器之间有较好的匹配，这可以降低 残余水平的固定图形噪声 。
由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此 读出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比 CCD图像传感器的还小。
首先，CCD技术芯片技术工艺复杂，不能与标准工 艺兼容。
其次，CCD技术芯片需要的电压功耗大，因此CCD 技术芯片价格昂贵且使用不便。
目前，最引人注目，最有发展潜力的是采用标准的 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor互 补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器，即 CMOS图像传感器。
一是，它的读出噪声比较大，其典型值为200个电子。
二是，随着像素个数的增加，读出速率加快，于是读出 噪声变大。
由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法 将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术， 噪声性能很不理想，而且还引来对CMOS图像传感器 的种种干扰。
目前这种结构已被淘汰。
CMOS图像传感器
第四章
CMOS图像号的装置，在数 字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。
20世纪70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感 器同时起步。
CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为 图像传感器的主流。但是随着CCD应用范围的扩大， 其缺点逐渐暴露出来。
A
图3-3
在光栅型APS结构中，固定图形噪声得到了抑 制。其读出噪声为10～20个电子。但它的工艺 比较复杂，严格说并不能算完全的CMOS工艺。
由于多晶硅覆盖层的引入，使其量子效率比较 低，尤其对蓝光更是如此。
就目前看来，其整体性能优势并不十分突出。
2. CMOS摄像器件的总体结构
首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应， 在像素单元内产生相应的电荷。
无源像素型PPS(passive pixel schematic)、 有源像素型APS(active pixel schematic) （1）无源像素结构
无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及 量子效率比较高的优点。
光电二极管型CMOS无源像素传感器（CMOS PPS）的结
构自从1967年Weckler首次提出以来实质上一直没有变化，其
PD-APS结构由光电二 极管PD、复位管RST、 源级跟随器T和行选通 管RS组成。
光照射到光电二极管 产生信号电荷，这些 电荷通过源级跟随器 缓冲输出，当行选通 管选通时，电荷通过 列总线输出。复位管 RST打开对光电二极 管复位。
CMOS光电二极管型 APS适宜于大多数中 低性能的应用。
行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素 单元。
行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信 号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及 A/D转换器，转换成数字图像信号输出。
其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫 描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻 辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。
结构如图3-1所示。
它是由一个反向偏置
Udd
光电二极管和一个开
关构成。
PST
首先，复位脉冲启动复
位操作，光电二极管
的输出电压被置0；
接着光电二极管开始
光信号的积分；
当积分工作结束时，
选址脉冲启动选址开
关，光电二极管中的
图3-1
信号便传输到总线上；
然后经过公共放大器
放大后输出。
无源像素单元PPS出现得最早，自出现以来结构没有多 大变化。无源像素单元PPS结构简单，像素填充率高， 量子效率比较高，但它有两个显著的缺点。