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        CMOS即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，它開(kāi)始是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的一種重要芯片。后來(lái)有人發(fā)現(xiàn)，將CMOS與光電二極管加工一起，也可以做成一種感光的圖像傳感器，尤其CMOS有制作工藝簡(jiǎn)單，又便于大規(guī)模生產(chǎn)和成本低廉等特性，這大大吸引著商家，因而投資研發(fā)出來(lái)。

       與CCD相比，CMOS圖像傳感器最明顯的優(yōu)勢(shì)是器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、功耗小、生產(chǎn)成品率高、成本低、容易與其他芯片整合。例如，可以將模/數(shù)轉(zhuǎn)換、控制芯片等集成在一起,使圖像數(shù)據(jù)不必在迷宮般的電路中被傳來(lái)送去，因而極大地提高了捕獲速度。此外，CMOS的功耗僅相當(dāng)于CCD功耗的1/10?1/8,可以制造岀微型化、智能化成像產(chǎn)品，從而可開(kāi)拓更多的新的應(yīng)用領(lǐng)域。

CMOS成像器件的結(jié)構(gòu)及原理 1.CMOs圖像傳感器的像素單元結(jié)構(gòu)及原理

       CMOS圖像傳感器的最基本的像素單元結(jié)構(gòu)，是在MOS場(chǎng)效應(yīng)管的基礎(chǔ)上加上光電二極管構(gòu)成的，其最基本的像素結(jié)構(gòu)如圖4-23所示。圖4-23(a)為CMOS成像器結(jié)構(gòu)的無(wú)源像素傳感器(PPS),它用兩個(gè)NMOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成最簡(jiǎn)單的像素，在低光照時(shí)有低的信噪比，有較低的空間噪聲，高讀出噪聲；圖4-23(b)為有源像素傳感器(APS),它用三個(gè)NMOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，在低光照時(shí)有高的信噪比，有較低的時(shí)間噪聲。但需要使用微透鏡。目前，CMOS攝像機(jī)大多釆用圖4-23(b)所示的結(jié)構(gòu)。

       在圖4-23(b)中，場(chǎng)效應(yīng)管VT1是光電二極管的負(fù)載，它起開(kāi)關(guān)作用，其柵極接復(fù)位信號(hào)。當(dāng)有復(fù)位脈沖時(shí)，VT1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時(shí)復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，VE截止，光電二極管開(kāi)始積分光信號(hào)。VT2就是一源極跟隨放大器，圖4-23(a)沒(méi)有，它將光電二極管的輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大。VT3是用于選址的開(kāi)關(guān)，只有當(dāng)選通脈沖引入時(shí)，它才導(dǎo)通，從而使得被放大的光電信號(hào)輸送到列總線上。因此，對(duì)APS的CMOS成像陣列來(lái)說(shuō)，在每一個(gè)像素位置都有一個(gè)放大器，在一個(gè)較低的帶寬下，在幀頻需要復(fù)位時(shí)使離散的信號(hào)電荷包轉(zhuǎn)變成一個(gè)電壓，因?yàn)槭窃谳^低帶寬內(nèi)對(duì)信號(hào)的放大，所以提高了信噪比。這是這種CMOS成像器件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因此，APS比PPS具有低讀岀噪聲和高讀出速率等優(yōu)點(diǎn)，但像素單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，使填充系數(shù)降低(其填充系數(shù)一般只有20%?30%)。

圖4-23     CMOS圖像傳感器基本的像素單元結(jié)構(gòu)

       有源像素單元的時(shí)序圖如圖4-24所示，當(dāng)復(fù)位脈沖來(lái)時(shí)，V「開(kāi)通，此時(shí)光電二極管復(fù)位；當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，VT2截止，光電二極管進(jìn)行光積分；光積分結(jié)束時(shí)；VT3開(kāi)通，此時(shí)輸出光電信號(hào)。

       隨著大規(guī)模集成電路的進(jìn)展，在每一個(gè)像素位置，還可以增加電子快門(mén)、轉(zhuǎn)移阻抗放大器以及取樣保持電路等，雖可能增加像素的復(fù)雜性，但附加的優(yōu)點(diǎn)是降低了固定圖像噪聲。但每一像素里電路的增加又減少了光電二極管可利用的面積，目前只好在每個(gè)像素位置，配置能定向入射光電二極管的微透鏡而減少照度的損失。

圖4-24  有源xiangsu像素單元的時(shí)序圖 

       CMOS-APS成像器件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在每一個(gè)像素位置放大的信號(hào)電壓被切換到列緩沖器，然后至輸出放大器的。由于信號(hào)電壓直接被切換到輸出放大器，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中沒(méi)有信號(hào)電荷的流失，因而也就沒(méi)有圖像的拖尾現(xiàn)象。

2.CMOS圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)及原理

       典型的CMOS圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)如圖4-25所示，其主要組成部分是光電二極管與MOS場(chǎng)效應(yīng)管和放大器組成的像敏單元的復(fù)合結(jié)構(gòu)的圖像傳感器陣列（包含行選擇、列選擇及列放大器及執(zhí)行相關(guān)雙采樣CDS功能等）、模擬信號(hào)處理電路、視頻定時(shí)控制電路、曝光與白平衡等控制電路、PC總線接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及預(yù)處理電路等，這些電路均集成在同一芯片上。

圖4-25CMOS圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)

       CMOS圖像傳感器中的像敏單元陣列按x和y方向上的地址，并分別由x和y方向的地址譯碼器（一般釆用移位寄存器）進(jìn)行選擇，即所謂的列選擇與行選擇。并且，每一列像敏單元都對(duì)應(yīng)一個(gè)列放大器，而列放大器的輸出信號(hào)分別接到由x方向的地址譯碼控制器進(jìn)行選擇的模擬多路開(kāi)關(guān)，其輸出經(jīng)模擬信號(hào)處理與輸出放大到A/D轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)預(yù)處理電路后輸出。