一种COMS对数图像传感器设计
CMOS图像传感器的研究.ppt
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发展历史
自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器 便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设， 也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感 器与电荷耦合器件 （CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像 传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发 展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。 由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可 以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的 热点。 70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Propulsion Laboratory(JPL)制造成功，80年代 末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型 图像传感器件，1995年像元 数为（128×128）的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功， 1997年英国爱丁堡VLSI Version公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化，就在这一年， 实用CMOS技术的特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元 尺寸为5.6mm×5.6mm，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2000年日本东芝公司和美国斯 坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。
市场份额
2011年CMOS传感器出货量约为21亿个，比2010年的16亿个增长31%，占总体面型 图像传感器的92%。剩下的8%市场属于CCD传感器，其2011年出货量下降2%，从 2010年的1.845亿个减少到1.803亿个。2010年，CMOS的市场份额是90%，CCD占 10%。 CCD传感器的衰退之势难以挽回，CMOS将在未来几年保持优势地位。到 2015年，CMOS出货量将达到36亿个，份额达97%；而CCD出货量将下降到只有 9520万个，占3%份额。
CMOS图像传感器
CCD图像传感器
CMOS图像传感器
互补金属氧化物半导体图像传感器 CMOS—Complementary Metal Oxide Semiconductor
CMOS图像传感器,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、 放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口 电路等集成在一块硅片上的图像传感器件。
c.借鉴 CCD 图像传感器的制备技术，采用相关双 取样电路技术和微透镜阵列技术
d.光敏二极管设计成针形结构或掩埋形结。 e.提高CMOS图像传感器的制作工艺
3、填充系数
CMOS 图像传感器的填充系数一般在 20%~30%之 间，而 CCD 图像传感器则高达 80%以上，这主要是 由于 CMOS 图像传感器的像素中集成了读出电路。 采用微透镜阵列结构，在整个 CMOS 有源像素传感
像素总数是指所有像素的总和，像素总数是衡量 CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像
传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输 出图像信号的像素为有效像素。显而易见,有效像素
总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了 CMOS图像传感器的分辨能力。
3、动态范围
动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪 声决定,反映了CMOS图像传感器的工作范围。参照 CCD的动态范围,其数值是输出端的信号峰值电压与 均方根噪声电压之比,通常用DB表示。
抗辐射性
CCD的光电转换，电荷的激发的量子效应易受辐射 线的影响。CMOS光电转换只由光电二极管或光栅 构成，抗辐射能力较强。
Micron(Aptina Imaging)
Aptina成像公司是CMOS成像解决方案的全球性提供商，
其不断扩大的产品组合被用于所有领先的移动电话和笔 记本电脑品牌。Aptina还提供范围广泛的产品，用于数
数字电子技术基础CMOS图像传感器设计习题
数字电子技术基础CMOS图像传感器设计习题数字电子技术是现代电子科学与技术的重要组成部分，它在各个领域都有着广泛的运用。
其中，CMOS图像传感器作为数字摄像技术的核心之一，被广泛应用于手机、数码相机、安防监控等领域。
本文将从图像传感器的基本原理出发，探讨CMOS图像传感器的设计习题。
一、CMOS图像传感器的基本原理CMOS图像传感器是利用CMOS工艺制造的集成电路，它通过光电转换将光信号转化为电信号，并通过模拟数字转换器将模拟信号转换为数字信号。
其基本原理如下：1. 光电转换CMOS图像传感器的感光元件是一种光敏材料，当光线照射到感光元件上时，光子会激发其中的电子，使得电子从价带跃迁至导带。
该过程中产生的电子-空穴对将通过电场分离，并在感光元件上形成电荷。
这些电荷的积累量与光照强度呈正比关系。
2. 信号放大在感光元件周围，采用MOS场效应晶体管来放大感光元件产生的电荷信号。
这里的MOS晶体管被称为源随器（source follower），它能将输入信号放大并保持电流不变，提高信号传输的质量。
3. 数字信号处理放大后的模拟信号经过模数转换器（ADC）转化为数字信号，通过数字电路对图像信号进行处理、存储和传输。
二、CMOS图像传感器设计习题举例接下来，我们来解答几道关于CMOS图像传感器设计的习题，以加深对其原理和设计要点的理解。
1. 习题一设计一个128*128像素的CMOS图像传感器，要求采样频率为10MHz，图像传感器的面积限制为2mm*2mm。
请给出电路设计方案，并计算电路中所需的晶体管数目。
解答：为实现高采样频率，我们采用一种并行读取像素的方式。
我们将图像传感器划分为多个区域，每个区域包含若干像素。
为了满足面积限制，我们选择4个区域，每个区域的面积为1mm*1mm。
根据采样频率和像素数目，我们可以得知每个像素的采样时间为Ts = 1/（10MHz * 128 * 128）。
根据电路面积的限制，我们采用互补MOS（CMOS）结构作为像素感光元件和源随器。
第一部分第三章CMOS图像传感器
CMOS成像器件的组成 像敏单元结构 工作流程和辅助电路
3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.1 CMOS成像器件的组成
它的主要组成部分是像敏单元阵 它的主要组成部分是像敏单元阵 组成部分是 列和MOS场效应管集成电路，而且 场效应管集成电路， 列和 场效应管集成电路 这两部分是集成在同一硅片上的； 这两部分是集成在同一硅片上的； 像敏单元阵列由光电二极管阵列 构成。如图中所示的像敏单元阵列按X 构成。如图中所示的像敏单元阵列按
3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.1 CMOS成像器件的组成
图像信号的输出过程：
在Y方向地址译码器（可以采用移位寄存器） 的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模 拟开关（图中标志的Si,j），信号将通过行开 关传送到列线上； 通过X方向地址译码器（可以采用移位寄存 器）的控制，输送到放大器。 由于信号经行与列开关输出，因此，可以实 现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以 只输出某一行或某一列的信号。
CMOS图像传感器的功能很多，组成也很复杂。由像 敏单元，行列开关，地址译码器，A/D转换器等许多部 分组成较为复杂的结构。 应使诸多的组成部分按一定的程序工作，以便协调各 组成部分的工作。为了实施工作流程，还要设置时序脉 冲，利用它的时序关系去控制各部分的运行次序；并用 它的电平或前后沿去适应各组成部分的电气性能。
3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.2 CMOS成像器件的像敏单元结构
2.主动像敏单元结构 2.主动像敏单元结构 复位脉冲首先来到，V1导通， 光电二极管复位； 复位脉冲消失后，光电二极管 进行积分； 积分结束时，V3管导通，信号 输出。
3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.3 CMOS图像传感器的工作流程
CMOS图像传感器的基本结构
CMOS图像传感器的基本结构2.1.1CMOS图像传感器的框图一个典型的CMOS图像传感器结构如图2.1所示。
这个结构包括由有源像素传感器（APS）构成的像素阵列、垂直扫描电路、每一列像素共享的列读出通道和列选择开关、模拟图像信号放大器、模数转换器和图像数据输出等。
控制器控制各个图像信息获取部件，进行所需要的曝光-读出同步操作。
控制数据由外部通过串行数据输入端口输入，并存储在控制数据存储器中。
图2.1CMOS图像传感器结构框图CMOS图像传感器的像素为有源像素传感器APS，每个像素中有一个光电二极管作为基本的光电转换元件，如图2.1左上角的方框所示。
在每个像素中还包括由若干个MOS晶体管有源器件组成的电路，把光子在光电二极管PN结上激发的载流子电荷信号转换成电压信号，并由模拟开关控制光电二极管的曝光操作和信号输出。
在大多数阵列设计中，像素几何形状采取正方形，像素在阵列中正交排列。
像素阵列示意在图 2.1框图的中央，水平排列的像素构成行（Row），每行由M个像素组成，垂直方向的像素构成列（Column），整个阵列由M列和N行像素构成，阵列的总像素数为M×N。
像素阵列的主要操作就是曝光和读出，因为阵列中一般的曝光和读出是按行进行的，所以垂直扫描实际上就是实现按行操作阵列的曝光和读出。
水平扫描操作实际上是当某一行执行读出时，顺序扫描读出这一行中的每个像素的信号，水平扫描是由列模拟开关依次开启来执行的。
垂直和水平扫描系统就是用于按行和列顺序，控制和操作整个阵列的曝光和读出。
阵列中每一列的像素共享一个列读出通道，在有M列像素的阵列中有M个完全相同的通道电路，对信号进行放大和模拟处理，以获取和改善一列像素的图像信号。
经过列选择的图像信号通过可变增益的宽带模拟放大器，然后输入到高速模拟数字转换电路。
模拟图像信号在模数转换电路上变换成数字图像数据，以串行或并行格式输出到集成电路芯片的引脚上。
整个像素阵列的曝光和读出过程，由一个控制器按事先设计的时序和输入的指令同步操作，操作时序由像素阵列的曝光和读出的方式和速率所决定。
CMOS图像传感器的原理和技术发展
CMOS图像传感器的原理和技术发展一、 CMOS图像传感器基本结构1,基本概念CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。
CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，由PMOS和NMOS 管共同构成，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带-电）和P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。
由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通，要么NMOS导通，要么都截止，所以比三极管效率高得多。
因此功耗很低。
CMOS技术及其工艺广泛应用于计算机领域并且非常成熟,后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器，CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS)。
CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。
CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电）和P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。
然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。
除了CCD和CMOS之外，还有富士公司独家推出的SUPER CCD，SUPER CCD并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD大。
将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。
基于FPGA的CMOS图像传感器LUPA-4000时序设计
基于FPGA的CMOS图像传感器LUPA-4000时序设计近年来，图像传感器在图像采集和处理领域中起着越来越重要的作用。
特别是CMOS图像传感器在其低功耗、高性能等方面逐渐成为主流。
在众多CMOS图像传感器中，LUPA-4000以其高画质、低噪声等性能得到了广泛应用。
然而，仅仅有高性能的传感器还不足以发挥它的优点，如何设计好其时序显得尤为重要。
本文基于FPGA的CMOS图像传感器LUPA-4000时序设计，探究了LUPA-4000传感器在时序设计方面的优化。
首先，本文介绍了LUPA-4000图像传感器的基本原理以及其性能特点。
其次，本文分析了CMOS图像传感器时序设计的基本要素，包括行选通、像素信号增益和锁存等。
最后，本文结合实际应用，详细描述了LUPA-4000图像传感器在FPGA上的时序设计。
通过对时序信号的精确控制，我们可以实现传感器在图像采集、行扫描、像素输出等方面的优化。
本文所使用的LUPA-4000图像传感器具有高速、高灵敏度等优点，是一种高性能的图像采集设备。
但在实际应用中，这些优点并不一定都能够得到充分发挥。
因此，我们需要通过对时序信号的优化来实现更好的性能。
从理论上讲，CMOS图像传感器的时序设计是可以通过软件控制实现的。
但在实际应用中，这种方式往往受到计算机硬件资源的限制。
因此，本文采用了在FPGA上直接实现传感器时序控制的方式。
本文以LUPA-4000图像传感器为例，针对该传感器进行了时序控制的设计。
在时序控制中，我们需要考虑行选通、像素信号增益和锁存等多个控制信号的精确控制。
通过对这些信号的控制，我们能够实现传感器在图像采集、行扫描、像素输出等方面的优化。
在具体实现中，我们采用了Verilog语言编写FPGA的设计文件，并通过Vivado软件进行实现。
仿真结果显示，本文所设计的时序控制方案在控制信号精度、采样精度和数据处理速度等方面均得到了较好的优化。
总之，本文基于FPGA的CMOS图像传感器LUPA-4000时序设计探讨了传感器时序优化的重要性。
CMOS图像传感器
4、开关特性
T
gm (0) Cgs
2π
fT
图6-8 MOS开关电路
在CMOS传感器中采用了大量MOS开关管，用做寻址控制和
读出控制。其基本电路如图6-8所示。
在实际集成电路中，RL是用MOS场效应管取代的，如图6-9 所示。
由于输出端存在对地的电容Cg，上述的开 关作用不可能是实变的，输入和输出波形如图
（1）线性区
当U(y)<<(Ugs - Uth)时，上式可以简化
Id (Ugs Uth )Uds
式中， WM nCox
L
（2）非饱和区
随着Uds 的增大，u(y)也上升，绝缘层上的压降沿源极到漏极 逐渐减小，使反型层沟道逐渐变薄，上式变成：
Id
[(U gsU th )U ds
1 2
U
2 ds
]
（4）雪崩区
当Uds足够大时，源漏间将出现雪崩电流，如图6-5中的Id快速 上升段（4段）。
图6-5的曲线是在Ugs为常数的情况下获得的。如果改变Ugs， 则可以得到一簇曲线，如图6-6所示。
3、频率特性
MOS管的频率特性主要
取决于载流子迁移速度，沟
图6-6 场效应管的伏安特性曲线族
图6-7 MOS管的电容分布
道的长度和寄生电容的容量。
图6-7所示为栅源间分布
从Rgs，Cgs特性，可得到输出/ 输入的频率特性
电容Cgs及栅漏间分布电容 Cgd；衬底与漏极电容Cbd和 衬底与源极电容Cbs。
gm ()
Id () U g s ( )
1
1
k
jRgsCgs
式中，k为不随角频率ω变化的常数。
截止频率fT是MOS场效应管频率特性的重要参数。其定义为 当频率升高时，流过栅源之间的电容Cgs的电流也增大；当流过 它的电流正好等于交流电路的短路输出电流时所对应的频率ωT。
一种CMOS图像传感器图像采集与测试系统的设计
一种CMOS图像传感器图像采集与测试系统的设计姚洪涛;黄金栋;谷元保;尹大力【期刊名称】《洛阳理工学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(026)001【摘要】设计了一种CMOS图像传感器图像采集与验证系统. 系统采用了FPGA ( Field-Programmable Gate Ar-ray) +USB (Universal Serial Bus) 的模式, 以FPGA芯片Cyclone Ⅲ 系列EP3C120F484C7N为核心控制芯片和以CYPRESS 公司的CY7C68013A芯片为USB2. 0接口芯片. 系统创新性地把图像采集系统和CMOS图像传感器芯片测试相结合, 实现了实时图像的快速采集处理, 最高采集速度能达到30帧/s, 经验证完全满足测试要求,为芯片的流片提供了很大的贡献.【总页数】4页(P61-63,69)【作者】姚洪涛;黄金栋;谷元保;尹大力【作者单位】长春理工大学计算机科学技术学院,吉林长春130022;长春理工大学计算机科学技术学院,吉林长春130022;长春理工大学计算机科学技术学院,吉林长春130022;长春理工大学计算机科学技术学院,吉林长春130022【正文语种】中文【中图分类】TP391【相关文献】1.基于WinCE&CMOS图像传感器的人脸图像采集系统设计 [J], 陈岩;刘谱;吴静珠;王克栋;郭宏2.基于CMOS数字图像传感器的图像采集系统的设计 [J], 李桂英;陈磊3.一种基于CMOS传感器的图像采集系统设计 [J], 杜江;林慧贞;胡东亮4.基于CMOS图像传感器的高实时远程图像采集系统设计 [J], 严明;李刚;杨少华;高帅;郭明安;李斌康5.ARM下的CMOS数字图像传感器图像采集系统设计 [J], 邓小云因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
cmos图像传感器
cmos图像传感器
CMOS（互补金属-氧化物半导体）图像传感器是一种能够
将光信号转换为电信号的高科技半导体器件，具有高速度、高分辨率和低功耗等优势。
其被广泛应用于消费电子、医疗、安防等多种领域，并成为数字图像领域的核心技术之一。
CMOS图像传感器的工作原理是利用图像传感器芯片上的
光电二极管阵列，将接收到的光信号转化为电信号，然后通过处理电路将电信号转换为数字信号，并输出到图像处理器中进行图像处理和显示。
CMOS图像传感器的制造工艺复杂，需要多道光刻、注入、扩散等步骤。
但随着微电子技术的不断发展，制造工艺得到了不断的改进和提高，大大降低了制造成本。
CMOS图像传感器相比传统的CCD（电荷耦合器件）图像
传感器具有更低的功耗和更高的集成度，能够实现更小的尺寸和更高的像素密度，并支持更高的帧率。
这使得CMOS图像传
感器得到了广泛的应用。
CMOS图像传感器的应用领域非常广泛，包括数码相机、
手机摄像头、智能手机、监控摄像头、医疗设备、机器视觉、无人机等。
随着社会科技的不断发展，CMOS图像传感器的应
用将会越来越普及。
总之，CMOS图像传感器作为数字图像领域的核心技术之一，具有广泛的应用前景。
未来，CMOS图像传感器的制造工
艺将会继续提高，带来更加精确、高效并智能的图像处理技术，为人们的生活带来更多的便利和享受。
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CMOS图像传感器的工作原理
它是基于电荷存储原理的，即：PN结反向充 电，然后在光照条件下放电，放电的速度随 着光照强度的不同而不同，经过一定时间的 放电，每个像素结构保留的电荷不一样，这 样就实现了光电转换，把图像信号由光学系 统聚焦到PN结像素阵列表面，逐一扫描像 素阵列，就能得到一幅图像的电信号。
' VC Vdc Vth, Mn K p 2
Wp 2 LpБайду номын сангаас2
[(Vbias 3 Vdd ) Vth, p 2 ]
那么C4两端的电压 V Vp1 Vth, p1 VC
当第二次采样时，采样到V’p2 =Vp1－A(Vp1– Vp2 ) 让开关S1和S2断开，并闭合S3和S4，
不同光强度下输出比较
谢谢！
当数字信号Φ＝1时，M4导通，MC关断，此时开关电容就处于放电阶段。
V p 2 Vbias1 (Vth, M 1 2 I cal
1
)(
2 I bias
2
Vth, M 2 )
I p IL V p1 V p 2 nVt In I o
2 I cal
1
校准电源
采样保持和列放大电路
A
C2 C3 C2
列读出单元
当采样到Vp1时，让开关S1和S2闭合，
当第1次采样时，让开关S1和S2闭合，并断开S3和S4
' Kp 2
Wp 2 Lp 2
' [(Vbias3 Vdd ) Vth, p 2 ]2 K Mn
WMn [VC Vth,Mn Vdc ]2 LMn
Vod I p IL nVt In Io
2 I bias
当三极管处于饱和状态时：
Vod
当数字信号Φ＝0时，M4关断，MC导通，相当于给开关电容C1进行充电。
I p IL 2 I bias V p1 Vbias1 (Vth, M 1 nVt In ) ( Vth, M 2 ) I o 2
Vout _ 2 V p' 2 Vth, p1 V Vth, Mn Wp 2 Lp 2
V p1 AV p1 V p 2 Vth, p1 V p1 Vth, p1 VC Vth, Mn
' Vdc K p 2
[(Vbias 3 Vdd ) Vth, p 2 AV p1 V p 2
CMOS图像传感器原理图
像素单元结构框图
双P衬底井CMOS像素单元结构
I Io
e
V g VS Vth , M 1 nVt
I p IL Vod nVt In I o
像素结构电路图
任何栅源电压都是由阈值电压和过趋电 压共同组成的，但三极管处于亚阈值 （弱反偏）区与处于饱和（强反偏） 区 时的过去电压是不同的。 当三极管在亚阈值状态时：
一种COMS对数图像传感器设计
杨希 西南交通大学信息与科学技术学院
图像传感器的种类
互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感 器 电荷耦合器件（CCD）图像传感器
CMOS图像传感器的发展
第一代：COMS无源像素传感器（PPS） －－无放大器 第二代：COMS有源像素传感器（APS） －－有放大器