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CMOS圖像傳感器簡(jiǎn)介
圖像傳感器是數(shù)字成像系統(tǒng)中的主要組成部分之一，并強(qiáng)烈影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。圖像傳感器的兩種主要類(lèi)型是電荷耦合器件（CCD）和CMOS成像器。在本文中，我們將介紹CMOS圖像傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)。
查看我們的電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器系列。您可以從CCD的結(jié)構(gòu)和功能開(kāi)始。
CMOS光電探測(cè)器
大多數(shù)CMOS光電檢測(cè)器基于PN結(jié)光電二極管的操作。當(dāng)光電二極管反向偏置（并且反向電壓小于雪崩擊穿電壓）時(shí)，與入射光強(qiáng)度成比例的電流分量將流過(guò)二極管。該電流分量通常被稱(chēng)為光電流。
由于光電流隨光強(qiáng)度線性增加，因此我們可以使用光電二極管來(lái)構(gòu)建光檢測(cè)器。這種光檢測(cè)結(jié)構(gòu)的抽象表示如下所示。
（a）光電探測(cè)器的示意圖（b）光電流值的變化與時(shí)間的關(guān)系。
重置開(kāi)關(guān)在曝光周期開(kāi)始時(shí)閉合，以將光電二極管反向偏置到VD電壓。接下來(lái)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，并產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成比例的光電流。該電流在毫微微安至皮安的范圍內(nèi)，并且太小而無(wú)法直接測(cè)量。如果我們讓光電二極管在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)曝光，則電流將在二極管電容CD上積分。存儲(chǔ)的電荷為我們提供了更容易測(cè)量的更強(qiáng)的累積信號(hào)。此外，合并的平均過(guò)程使累積的信號(hào)更真實(shí)地表示所測(cè)得的光強(qiáng)度，尤其是在處理微弱或嘈雜的信號(hào)時(shí)。
請(qǐng)注意，阱容量Qwell設(shè)置CD可以容納的電荷量的上限。超過(guò)一定的光強(qiáng)度時(shí)，二極管將飽和，并且累積電荷將等于上圖所示的最大值。因此，必須仔細(xì)選擇整合期。
應(yīng)該考慮的另一個(gè)非理想效應(yīng)是，除了光電流之外，還有另一個(gè)電流分量稱(chēng)為暗電流流過(guò)二極管。暗電流是在沒(méi)有光的情況下產(chǎn)生的電流。必須最小化此電流分量以最大化器件靈敏度。
CMOS圖像傳感器的框圖
CMOS圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)如下所示。
光電探測(cè)器的二維陣列用于感測(cè)入射光強(qiáng)度。光電探測(cè)器產(chǎn)生的電荷被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并通過(guò)“行選擇”和“列選擇”開(kāi)關(guān)陣列傳遞到輸出放大器。ADC用于數(shù)字化放大后的信號(hào)。
為了執(zhí)行讀出，將給定行的像素值并行地傳送到一組存儲(chǔ)電容器（未在上面示出），然后，順序地讀出這些傳送的像素值。
上圖顯示了APS（有源像素傳感器）架構(gòu)。在APS設(shè)備中，每個(gè)像素位置不僅包含光電二極管，而且包含放大器。稱(chēng)為PPS（無(wú)源像素傳感器）的更簡(jiǎn)單的體系結(jié)構(gòu)沒(méi)有將放大器集成到像素中。在DPS（數(shù)字像素傳感器）設(shè)備中，每個(gè)像素都有自己的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)塊。因此，DPS體系結(jié)構(gòu)中的像素輸出與光強(qiáng)度成比例的數(shù)字值。
DPS或示意圖像素傳感器的示意圖。
CMOS圖像傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)
顧名思義，CMOS圖像傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)制造。這是一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗刮覀兡軌驅(qū)鞲衅髋c成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)字電路集成在一起。集成解決方案使我們能夠降低功耗并提高讀出速度。其他圖像傳感器技術(shù)（例如電荷耦合器件（CCD））則不是這種情況，這些技術(shù)基于針對(duì)電荷轉(zhuǎn)移和成像進(jìn)行了優(yōu)化的專(zhuān)用制造技術(shù)。
CMOS圖像傳感器的缺點(diǎn)在于，讀出路徑中有多個(gè)有源器件會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的噪聲。此外，制造上的不一致會(huì)導(dǎo)致不同像素的電荷電壓放大器之間的失配。這將導(dǎo)致固定模式的噪聲，即使將不同的像素暴露在均勻的照明下，它們也會(huì)產(chǎn)生不同的值。
反向偏置的光電二極管產(chǎn)生的電流分量與入射光強(qiáng)度成正比。這些光電探測(cè)器的二維陣列可用于實(shí)現(xiàn)CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器中的像素可能具有不同的復(fù)雜度。例如，CMOS圖像傳感器的像素不僅可以包含光電二極管，而且可以包含放大器。DPS（數(shù)字像素傳感器）設(shè)備使用更復(fù)雜的像素，其中每個(gè)像素都有自己的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)塊。
CMOS圖像傳感器的最重要優(yōu)點(diǎn)是可以將傳感器與成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)字電路集成在一起?？赡軙?huì)降低CMOS圖像傳感器性能的兩個(gè)噪聲源是：不同像素的組件之間的制造失配以及讀出路徑中有源器件產(chǎn)生的噪聲。