CMOS工作原理及应用.ppt

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1、CMOS图像传感器的原理与应用冯健森CMOS的发展历史CMOS图像传感器的组成CMOS图像传感器的像素阵列CMOS图像传感器的基本工作流程CMOS图像传感器的关键参数CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较CMOS图像传感器件的应用主要内容：固体图像传感器主要分为电荷祸合器件(CCD,ChargeCoupledDevice型和COMS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor）型两大类。早期由于受集成电路设计和工艺水平的限制,型摄像器件无法克服其灵敏度低和抗干扰能力差

2、的缺点。到了八十年代末,英国爱丁堡大学成功地试制出世界上第一块单片图像传感芯片,从而为型图像传感器实用化开通了道路。图像传感器由于具有高集成、低功耗、低成本等许多优点,得到了人们越来越多的童视,并逐步成为研究和开发的热点。CMOS图像传感器的发展史CMOS图像传感器的组成组成：CMOS图像传感器的原理如图所示，通常由像敏单元阵列、行驱动器、列时序控制逻辑、A/D转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成，这几部分通常都被集成在同一块硅片上。CMOS图像传感器的像素阵列由大量相同的像素单元组成，这些

3、相同的像素单元是传感器的关键部分。随着CMOS图像传感器的发展，可以细分为很多类，这里我们依照像素不同类型来分，就可分为两大类：一类是无源像素传感器（CMOS-PPS），另一类是有源像素传感器（CMOS-APS）。CMOS图像传感器的像素阵列无源像素传感器无源像素单元结构简单,像素填充率高,量子效率高。但它的读出噪声大,一般为250rms,而商用的CCD读出噪声可低于20rms。不利于向大型阵列发展,不利于提高读出速率,因为这两种情况都会导致更大的读出噪声。在无源像素传感器的像素单元中包括一个光二极管

4、(PhotoDiode)和一个MOS管，MOS管作为行选(RowSeleet)开关。当选通时,光敏二极管中由于光照产生的相应电荷就传送到了列线。下端的积分放大器将该信号转化为电压输出。为减少噪声,列总线下端的放大器在不读信号时,保持列总线为一常数电平。有源像素传感器首先进入“复位状态”,M1打开,对光敏二极管复位然后进入“取样状态”,M1关闭,光照射到光敏二极管M2上产生光生载流子,并通过源踉随器放大输出,纂启进入。读击状态”,这时行选通管M3打开,信号通过列总线输出。这种有源像素传感器的像素单元通常

5、称为3-T(3-Trnasistor)结构，在像素单元中，除一个光二极管外，还包括一个重置(Reset)MOS管、一个源极跟随器(SourceFollower)MOS管和一个行选MOS管。它由光敏二极管、M1复位管、源跟随器M2和行选通管M3组成。CMOS图像传感器的基本工作流程1.发生光电效应。2.行选择逻辑单元选通相应的行像素单元。3.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。衡量CMOS图像传感器性能的参数有很多,下面对这些参数做简单的介绍:感光度分辨率暗电流噪声

6、特性动态范围快门方式CMOS图像传感器的关键参数ISO感光度ISO值是用来表示传统相机所使用底片的感光度。当ISO数值愈大时，感光度就愈大。先来说一下像素：像素，即是影像最基本的单位。也就是说将影像放大到不能再将它分割的影像单位。而分辨率，是在一个特定的区域内共有多少个像素单位，该词最早是用来说明工程中单位长度所撷取到『点』的数目，对应在单位上就成了dpi(dotperinch)。常见单位有：EPI:每一平方英寸共有多少单位数(elementperinch)。DPI:每一平方英寸共有多少点数(dotp

7、erinch)。PPI:每一平方英寸共有多少像素数(pixelperinch)。LPI:每一平方英寸共有多少条线(lineperinch)。胶片式照相机一般使用35毫米的胶卷。解像度在数百万到一千万点。但是，胶片经镜头所拍下的成像。有时还比不上100万像素档次的数码相机。100万像素档次的数码相机，拍摄1024x768点阵的画像，经高解像度的打印机打印，解像度为每毫米3到4点（解像度可用点数来表示）。另一方面，胶片经镜头所拍下的成像每毫米3-14点。受我们用肉眼所能鉴别的限制，这种程度的解像度没有太大

8、的区别。分辨率噪声特性由于数码相机本身采用大量的电子器材，所拍摄的影像质量很容易受到电子原件的电磁溢波干扰，CMOS图像传感器上残存的能量以及运作环境温度升高（机体运作时间过久）所产生的自然噪声。这些噪声会被纪录在你所拍摄的影像画面中，你可以透过单一色调的拍摄（黑色）做为观察Noise的指标。暗电流所谓暗电流，就是在没有入射光时光电二极管所释放的电流量，一个被隔离的反向偏置的光电二极管即使在没有任何光照的条件下，也会产生放电现象。快门模式快门对于CMOS