cmos图像传感器
ccd和cmos原理
ccd和cmos原理
CCD和CMOS是两种常见的图像传感器技术，它们在数码相机、摄像机等设备中被广泛采用。
CCD（Charge-Coupled Device）即电荷耦合器件，它是由大量光敏元件和信号传输电路组成的集成电路。
CCD的工作原理是基于光电效应，当光线照射到CCD上时，光子被光敏元件吸收并转化为电荷。
这些电荷按照特定的方式传输到读出电路中，最终转化为数字信号。
CCD传感器具有高灵敏度、低噪声等特点，适用于要求较高图像质量的应用领域。
CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）即互补金属氧化物半导体，它是另一种图像传感器技术。
CMOS传感器由像素阵列、控制逻辑和信号处理电路等组成。
CMOS
传感器的工作原理是通过控制每个像素的 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）来实现图像捕捉和信号处理。
CMOS传感器具有功耗低、集成度高等优势，适用于功耗敏感的便携设备。
CCD和CMOS的主要区别在于信号读取方式和电路结构。
CCD传感器采用串行读取方式，需要较多的控制电路和电荷传输电路，相对复杂。
而CMOS传感器采用平行读取方式，每个像素都有自己的读出电路，使得整个图像采集过程更加简化。
总之，CCD和CMOS是两种不同的图像传感器技术，它们在
光电转换、信号处理和功耗等方面有所差异，适用于不同的应用场景。
图像传感器原理介绍CCD和CMOS介绍V12 课件
全景Full-Frame
? 全像 CCD 则是一种架构更简单的感光设计。有鉴于 IL 的缺点， FF改良可以利用整个感光区域（没有暂存区的设计），有效增 大感光范围，同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 Interline 相同，不过感光和电荷输出过程是分开。因此，使用 FF CCD 的数字相机在传送电荷信息时必须完全关闭快门，以隔离镜头 入射的光线，防止干扰。这也意味着 FF 必须使用机械快门 （无法使用 IL 的电子 CLOCK 快门)，同时也限制了 FF CCD 的 连续拍摄能力。 Full-Frame CCD 大多被用在顶级的数位机背上。
数字相机的快门开启，来自影像的光线穿过这些 马赛克色块会让感光点的二氧化硅材料释放出电 子〈负电〉与电洞〈正电〉。经由外部加入电压， 这些电子和电洞会被转移到不同极性的另一个硅 层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光点所接 收的光量成正比。在一个影像最明亮的部位，可 能有超过 10万个电子被积存起来。
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CCD外形尺寸信息
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原理篇
16 的工作需求，业界发展出四种 不同类型的 CCD ：
? Linear 线性、 ? Interline扫瞄、 ? 全景 Full-Frame ? Frame-Transfer 全传
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CCD分辨率
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黑白CCD的组成结构图
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彩色CCD的组成结构分图
?CCD 的三层结构：上：增光镜片、中：色块网格 下：感应线路
? 由微型镜头、马赛克分色网格，及垫于最底层的 电子线路矩阵所组成
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彩色CCD运行图
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彩色CCD运行图说明
CMV50000全局快门CMOS图像传感器
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cmos相机工作原理
cmos相机工作原理
CMOS相机工作原理主要涉及光电转换、信号转换和数字转换三个步骤。
光电转换指的是将光信号转化为电信号的过程。
在CMOS相机中，光线通过镜头进入相机内部，经过透镜系统聚焦到CMOS图像传感器上。
CMOS图像传感器上的每一个像素单元都包含一个光电二极管和一个存储器单元。
当光线照射到像素单元上时，光电二极管会将光信号转换为电荷，并储存在相应的存储器单元中。
信号转换是将电荷信号转化为电压信号的过程。
当感光单元中积累的电荷达到一定数量时，会触发相应的读出电路，将电荷转换为电压信号。
每个像素单元上都有一个放大器，用于放大电荷转换后的电压信号。
数字转换是将模拟信号转换为数字信号的过程。
信号转换后的电压信号经过模数转换器（ADC）转化为数字信号。
每一个像素单元上都有一个ADC，用于将模拟电压信号转化为数字信号。
数字信号经过处理后，可以得到最终的图像信息。
总体而言，CMOS相机通过光电转换、信号转换和数字转换这三个步骤实现了将光线转化为数字图像的过程。
这种工作原理使得CMOS相机具有快速捕捉图像、高精度、低功耗等优点，广泛应用于数码相机、手机相机等各种消费电子产品中。
CMOS图像传感器的基础与应用
1.图像传感器的历史——从真空摄像管到CCD/CMOS图像传感器1.1 图像传感器的诞生在图像传感器出现前，胶片是唯一记录保存图像的工具，而胶片所保存的图像在远距离传输以及后期处理方面存在着难以逾越的障碍。
而图像传感器的目的是将拍摄的图像转化为电信号进行远距离传输、保存以及数字化保存和后期处理。
那么图像传感器又是何时出现在人们生活中的呢？最早登场的是1923年由V.K.兹沃雷金发明的光电摄像管，它是利用在真空中可自由操作电子运动的性质制作的。
如图1.1所示，在真空管中放置的云母板上面涂抹具有光电效应的铯（Cs），光线通过镜头在云母板上成像，此处产生的电荷，经等死放出的电子书进行扫描，取出信号电流。
此后，一个又一个的改良感光度的摄像管被发明，如超正析摄像管（1946年），光导摄像管，硒砷碲摄像管，雪崩倍增靶（HARP）摄像管等，逐渐担任产生电视图像的角色。
从原理可知，摄像管无法做到接通电源后立即工作，且工作电压高，功耗大，因燃烧寿命短等缺点。
在以后的日子里，摄像管会被固态图像传感器取代。
1.2 固态图像传感器（Solid-State Image Sensor）用于晶体管或者IC得Si（硅）等半导体材料，具有将接受的光转换成电的光电变换性质。
如果把单片IC基台的硅基板作为摄影面，并有规则的排列光电二极管（photodiode），然后依次将光电二极管的光电流以某种方式取出，则此基板具有了图像传感器的功能。
最早可以产生图像，以像素平面排列的固态图像传感器，其构造与目前的CCD不同。
例如发表于1966年的光敏晶体管平面排列的图像传感器；1967年发表了将光电二极管以平面矩阵排列，利用扫描脉冲与MOS晶体管，以XY地址方式取出信号的方法。
这种方法虽然实现了实用化，但在与CCD的竞争中失败，成为后来的CMOS传感器的原型。
1.3 CCD图像传感器1969年，CCD（Charge Coupled Device,电荷耦合器件）由美国贝尔实验室的维拉·博伊尔（Willard. S. Boyle）与乔治·史密斯（George. E. Smith）所发明，两位发明者也因此获得了2009年诺贝尔新物理学奖。
CMOS图像传感器的基本原理及设计
CMOS图像传感器的基本原理及设计摘要：介绍CMOS图像传感器的基本原理、潜在优点、设计方法以及设计考虑;关键词：互补型金属－氧化物－半导体图像传感器；无源像素传感器；有源像素传感器1引言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;但由于工艺上的原因,敏感组件和信号处理电路不能集成在同一芯片上,造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大;CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜;但最初市场上的CMOS图像传感器,一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点,图像质量还无法与CCD图像传感器相比; 如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍～10倍,把噪声进一步降低,CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平,同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点,如此,CMOS图像传感器取代CCD图像传感器就会成为事实;由于CMOS图像传感器的应用,新一代图像系统的开发研制得到了极大的发展,并且随着经济规模的形成,其生产成本也得到降低;现在,CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美,这主要归功于图像传感器芯片设计的改进,以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能;实际上,更确切地说,CMOS图像传感器应当是一个图像系统;一个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出,这与CCD图像传感器很相似,所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能,比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器;事实上,当一位设计者购买了CMOS图像传感器后,他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统;与传统的CCD图像系统相比,把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗,而且具有重量较轻,占用空间减少以及总体价格更低的优点;2基本原理从某一方面来说,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;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;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;实际上,在Conexant公司前Rockwell半导体公司的一台先进的CMOS摄像机所用的CMOS图传感器上,每一个像素中都设计并使用了6个晶体管,测试到的读出噪声只有1均方根电子;不过,随着像素内电路数量的不断增加,留给感光二极管的空间逐渐减少,为了避免这个比例又称占空因数或填充系数的下降,一般都使用微透镜,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;因为电荷被限制在像素以内,所以CMOS图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性;在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内,然后再被传输到输出放大器中,因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象;它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别,这种不均匀性就会引起固定图像噪声;然而,随着CMOS图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进,这种效应已经得到显着弱化;这种多功能的集成化,使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了,如孩子的玩具,更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等,这些都已在某些设计者的考虑之中;3设计考虑然而,这个行业还有一个受到普遍关注的问题,那就是测量方法,具体指标、阵列大小和特性等方面还缺乏统一的标准;每一位工程师在比较各种资料一览表时,可能会发现在一张表上列出的是关于读出噪声或信噪比的资料,而在另一张表上可能只是强调关于动态范围或最大势阱容量的资料;因此,这就要求设计者们能够判断哪一个参数对他们最重要,并且尽可能充分利用多产品的CMOS图像传感器家族;一些关键的性能参数是任何一种图像传感器都需要关注的,包括信噪比、动态范围、噪声固定图形噪声和读出噪声、光学尺寸以及电压的要求;应当知道并用来对比的重要参数有：最大势阱容量、各种工作状态下的读出噪声、量子效率以及暗电流,至于信噪比之类的其它参数都是由那些基本量度推导出来的;对于像保安摄像机一类的低照度级的应用,读出噪声和量子效应最重要;然而对于象户外摄影一类的中、高照度级的应用,比较大的最大势阱容量就显得更为重要;动态范围和信噪比是最容易被误解和误用的参数;动态范围是最大势阱容量与最低读出噪声的比值,它之所以引起误解,是因为读出噪声经常不是在典型的运行速度下测得的,而且暗电流散粒噪声也常常没有被计算在内;信噪比主要决定于入射光的亮度级事实上,在亮度很低的情况下,噪声可能比信号还要大;所以,信噪比应该将所有的噪声源都考虑在内,有些资料一览表中常常忽略散粒噪声,而它恰恰是中、高信号电平的主要噪声来源;而SNRDARK得到说明,实际上与动态范围没有什么两样;数字信噪比或数字动态范围是另一个容易引起混淆的概念,它表明的只是模拟/数字A/D 转换器的一个特性;虽然这可能很重要,但它并不能精确地描述图像的质量;同时我们也应清楚地认识到,当图像传感器具有多个可调模拟增益设置时,模拟/数字转换器的分辨率不会对图像传感器的动态范围产生限制;光学尺寸的概念的模糊,是由于传统观念而致;使用光导摄像管只能在部分范围内产生有用的图像;它的计算包括度量单位的转换和向上舍入的方法;采用向上舍入的方法,先以毫米为单位测量图像传感器的对角线除以16,就能得到以英寸为单位的光学尺寸;例如的尺寸是而不是;假如你选择了一个光学尺寸为的图像传感器,很可能出现图像的四周角落上的映影阴影现象;这是因为有些资料一览表欺骗性地使用了向下舍入的方法;例如,将的尺寸称为,理由很简单：光学尺寸的图像传感器的价格要比光学尺寸的图像传感器的价格低得多,但是这对系统工作性能产生不利影响;所以,设计者应该通过计算试用各种不同的图像传感器来得到想要的性能;CMOS图像传感器的一个很大的优点就是它只要求一个单电压来驱动整个装置;不过设计者仍应谨慎地布置电路板驱动芯片;根据实际要求,数字电压和模拟电压之间尽可能地分离开以防止串扰;因此良好的电路板设计,接地和屏蔽就显得非常重要;尽管这种图像传感器是一个CMOS装置并具有标准的输入/输出I/O电压,但它实际的输入信号相当小,而且对噪声也很敏感;到目前为止,已设计出高集成度单芯片CMOS图像传感器;设计者力求使有关图像的应用更容易实现多功能,包括自动增益控制AGC、自动曝光控制AEC、自动平衡AMB、伽玛样正、背景补偿和自动黑电平校正;所有的彩色矩阵处理功能都集成在芯片中;CMOS图像传感器允许片上的寄存器通过I2C总线对摄像机编程,具有动态范围宽、抗浮散且几乎没有拖影的优点;4CMOS-APS的潜在优点和设计方法4．1CMOS-APS胜过CCD图像传感器的潜在优点CMOS APS胜过CCD图像传感器的潜在优点包括1～5：1消除了电荷反复转移的麻烦,免除了在辐射条件下电荷转移效率CTE的退化和下降;2工作电流很小,可以防止单一振动和信号闭锁;3在集成电路芯片中可进行信号处理,因此可提供芯迹线,模/数转换的自调节,也能提供由电压漂移引起的辐射调节;与硅探测器有关,需要解决的难题和争论点包括1～2：1在体材料界面由于辐射损伤而产生的暗电流的增加问题;2包括动态范围损失的阈值漂移问题;3在模/数转换电路中,定时和控制中的信号闭锁和单一扰动问题;4．2CMOS-APS的设计方法CMOS-APS的设计方法包括：1为了降低暗电流而进行研制创新的像素结构;2使用耐辐射的铸造方法,再研制和开发中等尺寸“dumb”哑成像仪通过反复地开发最佳像素结构;3研制在芯片上进行信号处理的器件,以适应自动调节本身电压Vt的漂移和动态范围的损失;4研制和开发耐辐射单一扰动环境的定时和控制装置;5研制和加固耐辐射的模/数转换器;6寻找低温工作条件,以便在承受最大幅射强度时,找到并证实最佳的工作温度;7研制和开发大尺寸、全数字化、耐辐射的CMOS-APS,以便生产;8测试、评价和鉴定该器件的性能;9引入当代最高水平的组合式光学通信/成像系统测试台;5像素电路结构设计目前,已设计的CMOS图像传感器像素结构有：空隙积累二极管HAD型结构、光电二极管型无源像素结构、光电二极管型有源像素结构、对数变换积分电路型结构、掩埋电荷积累和敏感晶体管阵列BCAST型结构、低压驱动掩埋光电二极管LV－BPD型结构、深P阱光电二极管型结构、针型光电二极管PPD结构和光栅型有源像素结构等;5．1CMOS PPS像素结构设计光电二极管型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,其结构如图1所示;它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成;当开关管开启时,光敏二极管与垂直的列线连通;位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数,并减小KTC噪声;当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时,其电压被复位到列线电压水平,与此同时,与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出;单管的PD-CMOS-PPS允许在给定的像素尺寸下有最高的设计填充系数,或者在给定的设计填充系数下,可以设计出最小的像素尺寸;另外一个开关管也可以采用,以实现二维的X Y 寻址;由于填充系数高且没有许多CCD中多晶硅叠层,CMOS-PPS像素结构的量子效率较高;但是,由于传输线电容较大,CMOS-PPS读出噪声较高,典型值为250个均方根电子,这是致命的弱点;5．2CMOS-APS的像素结构设计几乎在CMOS-PPS像素结构发明的同时,科学家很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能;虽然CMOS图像传感器的成像装置将光子转换为电子的方法与CCD相同,但它不是时钟驱动,而是由晶体三极管作为电荷感应放大器;在一些CMOS图像传感器中,每组像素的顶端有一个放大器,每个像素只有一个作为阈值电流值开关的三极管;开关像素中的电荷为放大器充电,其过程类似DRAM中的读取电路,这种传感器被称为PPS;PPS的结构很简单,它具有高填充系数;各像元没有很多的多晶硅层覆盖,其量子效率很高,但是PPS的读取干扰很高,只适应于小阵列传感器;在CMOS-APS中每一像素内都有自己的放大器;CMOS-APS的填充系数比CMOS-PPS的小,集成在表面的放大晶体管减少了像素组件的有效表面积,降低了“封装密度”,使40％～50％的入射光被反射;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,这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现;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;与CMOS-PPS相比,CMOS－APS的填充系数较小,其设计填充系数典型值为20％～30％,接近内线转换CCD的值;5．2．1光敏二极管CMOS-APSPD-CMOS-APS的像素结构1968年,Noble描述了PD-CMOS-APS;后来,这种像素结构有所改进;PD-CMOS-APS的像素结构如图2所示;高性能CMOS APS由美国哥伦比亚大学电子工程系和喷气推进实验室JPL在1994年首次研制成功,像素数为128×128,像素尺寸为40μm×40μm,管芯尺寸为×,采用μmCMOSn阱工艺试制,动态范围为72dB,固定图形噪声小于％饱和信号水平;固定图形噪声小于％饱和信号水平;1997年日本东芝公司研制成功了640×480像素光敏二极管型CMOS APS,其像素尺寸为μm×μm,具有彩色滤色膜和微透镜阵列;2000年美国Foveon公司与美国国家半导体公司采用μmCMOS工艺研制成功4096×4096像素CMOS APS10,像素尺寸为5μm×5μm,管芯尺寸为22mm×22mm,这是迄今为止世界上集成度最高、分辨率最高的CMOS固体摄像器件;有关CMOS APS的工作原理、发展现状及其应用,笔者已作过详细介绍6～8;因为光敏面没有多晶硅叠层,PD-CMOS-APS的量子效率较高,它的读出噪声由复位噪声限制,典型值为75均方根电子～100均方根电子;PD-CMOS-APS的每个像素采用3个晶体管,典型的像元间距为15μm;PD-CMOS-APS适宜于大多数低性能应用;5．2．2光栅型CMOS APSPG-CMOS-APS的像素结构1993年由JPL最早研制成功PG-CMOS-APS并用于高性能科学成像的低光照明成像;PG-CMOS-APS结合了CCD和X Y寻址的优点,其结构如图3所示;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,然后改变光栅脉冲,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;当采用双层多晶硅工艺时,PG与转移栅TX之间要恰当交叠;在光栅与转移栅之间插入扩散桥,可以采用单层多晶硅工艺,这种扩散桥要引起大约100个电子的拖影;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;采用μmCMOS工艺将允许达到5μm的像素间距;浮置扩散电容的典型值为10－14F量级,产生20μV/e的增益,读出噪声一般为10均方根电子～20均方根电子,已有读出噪声为5均方根电子的报道;CMOS图像传感器的设计分为两大部分,即电路设计和工艺设计,CMOS图像传感器的性能好坏,不仅与材料、工艺有关,更重要的是取决于电路设计和工艺流程以及工艺参数设计;这对设计人员提出更高的要求,设计人员面要宽,在设计中,不但要懂电路、工艺、系统方面的知识,还要有较深的理论知识;这个时代对设计者来说是一个令人兴奋和充满挑战的时代;计算机辅助设计技术为设计者提供了极大的方便,但图像系统的用途以及目标用户的范围由制造商决定;如果用户装有Windows95的系统,那么就要确定图像系统不是Windows98的;如果你只是为了获取并存储大量的低分辨率图像,那就不要选择一个能够提供优质图像但同时会产生更多数据以致于无法存储的高分辨率图像传感器;现在还存在许多非标准的接口系统;现在仅供数字相机所使用可装卸存储介质就包括PCMCIA卡、东芝Toshiba的速闪存储器及软磁盘;重要的是,要根据产品未来所在的工作环境,对样品进行细致的性能评估;5．3CCD和CMOS系统的设计CCD图像传感器和CMOS图像传感器在设计上各不相同,对于CCD图像传感器,不能在同一芯片上集成所需的功能电路;因此,在设计时,除设计光敏感部分即CCD图像传感器外,还要考虑设计提供信号和图像处理的功能电路,即信号读出和处理电路,这些电路需要在另外的基片上制备好后才能组装在CCD图像传感器的外围；而CMOS图像传感器则不同,特别是CMOS APS可以将所有的功能电路与光敏感部分光电二极管同时集成在同一基片上,制作成高度集成化的单芯片摄像系统;与前者相比,成本低、制备容易、体积小、微型化、功耗低,虽然开始有人认为光照灵敏度不如CCD图像传感器的高,并且暗电流和噪声比较大,近来由于改进了电路设计,采用亚微米和深亚微米光刻技术,使CMOS图像传感器的性能得到改善;已经具备与CCD图像传感器进行竞争的条件,21世纪,CMOS摄像器件将成为信息获取与处理领域的佼佼者;到那时,单芯片摄像机和单芯片数码相机将进入千家万户;这些都得益于CMOS APS为人们提供了高度集成化的系统,如图4所示;图5示出CMOS数码相机的框图,从中可见数码相机设计的复杂性;霍尔器件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛的应用;本文简要介绍其工作原理、产品特性及其典型应用;图39霍尔电流传感器在逆变器中的应用CS为霍尔电流传感器图40霍尔电流传感器在UPS中的应用1、2、3均为霍尔电流传感器图41霍尔电流传感器在电子点焊机中的应用在逆变器中的应用在逆变器中,用霍尔电流传感器进行接地故障检测、直接侧和交流侧的模拟量传感,以保证逆变器能安全工作;应用线路如图39所示;在不间断电源中的应用如图40所示,霍尔电流传感器1发出信号并进行反馈,以控制晶闸管的触发角,电流传感器2发出的信号控制逆变器,传感器3控制浮充电源;用霍尔电流传感器进行控制,保证逆变电源正常工作;由于其响应速度快,特别适用于计算机中的不间断电源;在电子点焊机中的应用在电子点焊机电源中,霍尔电流传感器起测量和控制作用;它的快速响应能再现电流、电压波形,将它们反馈到可控整流器A、B,可控制其输出;用斩波器给直流迭加上一个交流,可更精确地控制电流;用霍尔电流传感器进行电流检测,既可测量电流的真正瞬时值,,又不致引入损耗,如图41所示;用于电车斩波器的控制电车中的调速是由调整电压实现的;将霍尔电流传感器和其它组件配合使用,并将传感器的所有信号输入控制系统,可确保电车正常工作;其控制原理示图42霍尔电流传感器在电车斩波器中的应用图43在变频调速电机中的应用I,R,S,T均为霍尔电流传感器图44用于电能管理的霍尔电流传感器图45霍尔接地故障检测器的原理和结构于图42;图中,SCR1是主串联晶闸管,SCR2为辅助晶闸管,Lo、Co组成输入滤波器,Ls是平滑扼流圈,M1～M5是霍尔电流传感器;在交流变频调速电机中的应用用变频器来对交流电机实施调速,在世界各发达国家已普遍使用,且有取代直流调速的趋势;用变频器控制电机实现调速,可节省10％以上的电能;在变频器中,霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管;由于霍尔电流传感器的响应时间短于1μs,因此,出现过载短路时,在晶全管未达到极限温度之前即可切断电源,使晶体管得到可靠的保护,如图43所示;用于电能管理图44给出一种用于电能管理的电流传感器的示意图;图中,12是通电导线,11是导磁材料带,17是霍尔组件,19是霍尔组件的输入、输出引线;由此构成的电流传感器,可安装到配电线路上进行负载管理;霍尔器件的输出和计算机连接起来,对用电情况进行监控,若发现过载,便及时使受控的线路断开,保证用电设备的安全;用这种装置,也可进行负载分配及电网的遥控、遥测和巡检等;在接地故障检测中的应用在配电和各种用电设备中,可靠的接地是保证配电和用电设备安全的重要措施;采用霍尔电流传感器来进行接地故障的自动监测,可保证用电安全;图45示出一种霍尔接地故障监测装置;在电网无功功率自动补偿中的应用电力系统无功功率的自动补偿,是指补偿容量随负荷和电压波动而变化,及时准确地投入和切除电容器,避免补偿过程中出现过补偿和欠补偿的不合理和不经济,使电网的功率因数始终保持最佳;无功功率的自动采样若用霍尔电流、电压传感器来进行,在保证“及时、准确”上具有显着的优点;因为它们的响应速度快,且无相位差,如图46所示;图46电网无功功率自动补偿控制器的原理框图霍尔钳形电流表将磁芯做成张合结构,在磁芯开口处放置霍尔器件,将环形磁芯夹在被测电流流过的导线外,即可测出其中流过的电流;这种钳形表既可测交流也可测直流;图48示出一种数字钳形交流电流表的线路;用钳形表可对各种供电和用电设备进行随机电流检测;电功率测量使负载电压变换,令其与霍尔器件的工作电流成比例,将负载电流通入磁芯绕组中,作为霍尔电流传感器的被测电流,即可构成霍尔功率计;由霍尔器件输出的霍尔电压来指示功率,其工作原理如图49所示;在电力工频谐波分析仪中的应用在电力系统中,电网的谐波含量用电力工频谐波仪来进行测试;为了将被测电压和电流变换成适合计算机A/D采样的电压,将各种电力工频谐波分析仪的取样装置,如电流互感器、电压互感器、电阻取样与光隔离耦合电路等和霍尔电流传感取样测试对比,结果表明霍尔电流传感器最为适用;对比结果如表8所示;表8电力工频谐波分析仪中使用的3种接口部件的比较LEM模块是一种霍尔零磁通电流传感器接口部件性能、特点在开关电源中的应用近代出现的开关电源,是将电网的非稳定的交流电压变换成稳定的直流电压输出的功率变换装置;无论是电压控制型还是电流控制型开关电源,均采用脉冲宽度调制,借助驱动脉冲宽度与输出电压幅值之间存在的某种比例关系来维持恒压输出;其中,宽度变化的脉冲电压或电流的采样、传感等均需用电流、电压传感器来完成;霍尔电流、电压传感器以其频带宽、响应时间快以及安装简便而成为首选的电流、电压传感器;在大电流检测中的应用在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理例如可控核聚变试验装置中都有许多超大型电流用电设备;用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和控制,既可满足测量准确的要求,又不引入插入损耗,还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置;图47示出一种用于DⅢ－D托卡马克中的霍尔电流传感器装置;采用这种霍尔电流传感器,可检测高达到300kA的电流;。
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。
Cmos sensor工作原理知识
Prt Two
Cmos sensor基本 概念
定义和作用
Cmos sensor是一种半导体图像传感器用于捕捉图像信息 Cmos sensor的工作原理是利用光电效应将光信号转换为电信号 Cmos sensor广泛应用于数码相机、手机摄像头、安防监控等领域 Cmos sensor具有高灵敏度、低功耗、低成本等优点
温度和光照条件的影响
温度影响：温度 过高或过低都会 影响传感器的性 能可能导致图像 模糊或失真
光照条件影响： 光照过强或过弱 都会影响传感器 的性能可能导致 图像曝光过度或 曝光不足
温度和光照条件 的综合影响：温 度和光照条件共 同作用可能会导 致传感器的性能 不稳定影响图像 质量
解决方案：通过 调整传感器的工 作环境如安装散 热装置、调整光 照强度等可以改 善传感器的性能 提高图像质量。
信号转换：将预处理后的信号转换为数字 信号
信号传输：将数字信号传输到后端处理设 备
信号处理：在后端处理设备上进行图像处 理如色彩校正、锐化等
信号输出：将处理后的信号输出到显示设 备或存储设备
噪声来源和抑制方法
噪声来源：热噪声、散粒噪声、光子噪声等 抑制方法：采用低噪声放大器、增加信号带宽、采用数字信号处理技术等 信号处理：对信号进行滤波、放大、数字化等处理 读出方法：采用CMOS图像传感器、DC等设备进行信号读出
动态范围：Cmos传感器的动态范围是指其能够捕捉到的最亮和最暗之间的范围通常用dB来表 示。
影响因素：分辨率和动态范围都会受到传感器尺寸、像素大小、感光元件类型等因素的影响。
应用：分辨率和动态范围是Cmos传感器性能的两个重要指标对于图像处理、视频监控等领域 的应用具有重要意义。
速度和功耗
CMOS图像传感器调试问题汇总
摄像头问题及解决办法汇总一、名词解释1.白平衡白平衡指的是传感器对在光线不断变化环境下的色彩准确重现的能力表示。
大多数拍照系统具有自动白平衡的功能，从而能在光线条件变化下自动改变白平衡值。
设计工程师寻找的图像传感器应该配备了一个很好的自动白平衡（AWB）控制，从而提供正确的色彩重现。
2.动态范围动态范围测量了图像传感器在同一张照片中同时捕获光明和黑暗物体的能力，通常定义为最亮信号与最暗信号（噪声门槛级别）比值的对数，通常用54dB来作为商业图像传感器的通用指标。
具有较宽动态范围的图像传感器可以在明光环境下提供更好的性能（例如，使用较窄动态范围传感器在明光环境下拍出的照片会出现“水洗”或模糊的现象。
）3.工频干扰(Banding)Sensor在日光灯作为光源下获取图像数据时会产生flicker，其根本原因是照在不同pixel 上光能量不同产生的，所接受的光能量的不同也就是图像的亮度的不同。
由于CMOS sensor的曝光方式是一行一行的方式进行的，任何一个pixel的曝光时间是一样的，也就是同一行上的每个pixel的曝光开始点和曝光的时间都是一模一样的，所以同一行的所有点所接收到的能量是一样的，而在不同行之间虽然曝光时间都是一样的，但是曝光的开始点是不同的，所以不同行之间所接受到的能量是不一定相同的。
为了使不同行之间所接受的能量相同，就必须找一个特定的条件，使得每一行即使曝光开始点不同，但是所接受的光能量是相同的，这样就避开了flicker，这个特定的条件就是曝光时间必须是光能量周期的整数倍时间。
Banding由工频干扰引起，交流电光源都有光强的波动，在中国交流电频率是50Hz，光强的波动就是100Hz，周期10ms。
如果camera曝光时间不是10ms的整数倍，那么在不同的感光面接收到的光能量一定不一样，体现在图像上就是有明暗条纹。
消除banding就得想办让曝光时间是10ms的整数倍！60Hz的交流电需要控制曝光时间为8.33ms的整数倍。
CCD与CMOS图像传感器的六大硬件技术指标
CCD与CMOS图像传感器的六大硬件技术指标大家可能有这样的疑问，同样是高清网络摄像机为什么图像效果会有差异呢？使用同样的配件，为什么晚上的效果也不同呢？其实这是与我们使用的sensor（即图像传感器）的硬件技术指标相关的，不管是CCD还是CMOS图像传感器，主要有“像素、靶面尺寸、感光度、电子快门、帧率、信噪比”这六大硬件技术指标。
下面简单的为大家介绍一下这些硬件指标，以便于大家进一步了解高清网络摄像机。
像素：传感器上有许多感光单元，它们可以将光线转换成电荷，从而形成对应于景物的电子图像。
而在传感器中，每一个感光单元对应一个像素(Pixels)，像素越多，代表着它能够感测到更多的物体细节，从而图像就越清晰，像素越高，意味着成像效果越清晰。
关联一下我们中维世纪的产品：100W网络摄像机分辨率是1280X720，两个值相乘得出的就是像素值，就是近100万个像素点，130W的分辨率是1280X960,像素值就是近130万个像素点。
从图像效果上看，130W的效果比100W的要好一些。
靶面尺寸：图像传感器感光部分的大小，一般用英寸来表示。
和电视机一样，通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线长度，如常见的有1/3英寸，靶面越大，意味着通光量越好，而靶面越小则比较容易获得更大的景深。
比如1/2英寸可以有比较大的通光量，而1/4英寸可以比较容易获得较大的景深。
”关联一下我们中维世纪的产品：100W产品是1/4英寸，130W是1/3英寸,200W是1/2.7英寸，大家从画面上就能感知到上面提到的靶面尺寸的不同带来的图像画质的变化。
感光度：即是通过CCD或CMOS以及相关的电子线路感应入射光线的强弱。
感光度越高，感光面对光的敏感度就越强，快门速度就越高，这在拍摄运动车辆，夜间监控的时候尤其显得重要。
这就是解释了为什么不同的摄像机夜视会有很大差别，感光度的单位是V/LUX-SEC,V(伏）就是我们通常说的电压的单位，LUX-SEC:是光强弱的单位，这个比值越大，夜视效果越好。
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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。