CMOS光电图像传感器原理及应用

CMOS光电图像传感器原理及应用姓名：张欣（南昌大学信息工程学院，南昌，330031）TheoryandApplicationofCMOSPhotoelectricImageSensor英文姓名：ZhangXin(NanchangUniversity,Nanchang330031,China)摘要：与CCD（ChargeCoupledDevices）光电图像传感器相比，CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)光电图像传感器具有功耗低、价格低廉、功能强等优势。随着电子技术的发展，CMOS光电图像传感器已经走进了我们的生活，广泛应用于单反相机及移动手机摄像头。通过学习CMOS光电图像传感器的原理及应用，结合微型计算机的应用与嵌入式系统的开发，可以更好开发新的测量及控制设备。关键词：CMOS光电图像传感器;原理;转换电路;应用范围Abstract:ComparedwiththeCCD（ChargeCoupledDevices）photoelectricimagesensor,theCMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)photoelectricimagesensorhastheadvantagesoflowpowerconsumption,lowcost,lowcost,strongfunction,andsoon.Withthedevelopmentofelectronictechnology,theCMOSphotoelectricimagesensorhasbeenenteredintoourlife,anditiswidelyusedintheDigitalSingleLensReflexandcameraofmobilephone.ThroughstudyingthetheoryandapplicationofCMOSphotoelectricimagesensor,wecandevelopnewmeasurementmachinesandcontrolequipmentbetterbasedonmicrocomputerandembeddedsystem.Keywords:CMOSPhotoelectricImageSensor,Theory,TranslationCircuit,Application.1前言CMOS图像传感器出现于1969年，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。虽然CMOS图像传感器比CCD早出现一年，但是由于工艺不够成熟，在较长时间内不能广泛应用。近年来，随着工艺的不断改进，CMOS图像传感器的性能赶上CCD器件，加之本身具有功耗低、价格低、尺寸合适等优点，随着数字化智能终端的普及如：智能手机，CMOS图像传感器与人们的生活越来越密不可分。并却它在数码相机、单反相机、单电相机中也逐步取代了CCD。从MOS场效应晶体管开始了解，再学习CMOS图像传感器的结构和原理，然后初步了解典型CMOS图像传感器--IBIS46600型CMOS图像传感器与使用CMOS图像传感器的几种常见电子产品。2MOS管和CMOS场效应晶体管简介MOS（MOSFET)场效应管是一种具有表面场效应作用的单极性半导体器件（简图如图1）。它由源极S、漏极D、栅极G等组成。栅极有控制电压Ug。随着Ug的变化，源极S和漏极D之间的电流也相应变化。图1场效应管的主要性能参数有：1.阈值电压Uth。2.伏安特性曲线（如图2）图2MOS场效应管的伏安特性指的是漏极电流Id和源漏极之间的电压Uds的特性，它取决于栅源间的电压Ugs、阈值电压Uth等，图中①段，②段，③段，④段分别表示场效应管的线性区、非饱和区、饱和区和雪崩区。3.频率特性MOS场效应管的频率特性主要取决于沟道中载流子的迁移速度，沟道的长度和寄生电容的容量。输出/输入的频率特性为：gsdmCjkIggsgsωR11ω)(U)ω(ω）（截止频率Tf是MOS场效应管频率特性的重要参数。Tmfgπ2C)0(ωgsT4.MOS场效应晶体管的主要噪声（1）热噪声：由导电沟道电阻产生（2）诱生栅极噪声：由电子在导电沟道中做热运动形成的沟道电势分布的起伏通过栅极电容耦合到栅极上产生。（3）电流噪声：与MOS场效应管的表面状态有关。3CMOS图像传感器的原理与结构1.CMOS图像传感器的组成CMOS图像传感器的组成原理框图如图3，它的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一片硅片上的。像敏单元阵列实际上是光敏二极管阵列，它也有线阵和面阵之分。图3CMOS器件原理框图在阵列上采取扫描的方式将信号输出。2.CMOS图像传感器的像敏单元结构当前常用的像敏单元结构是主动像敏单元结构，它具有较好的图像信号的信噪比。其基本电路图和时序图如图4a、图4b：图4a主动式像敏单元结构图4b主动式像敏单元时序图实际的主动像敏单元结构形式是多种多样的。3.CMOS图像传感器的工作流程（1）CMOS图像传感器的典型工作流程图：图5（2）CMOS图像传感器的时序脉冲波形图如下：图64.CMOS图像传感器的辅助电路CMOS图像传感器的常用辅助功能电路包括:（1）偏置非均匀性校正电路，由于各像敏单元的偏置电压是不均匀的，采用偏置非均匀性校正电路对偏置的不均匀性进行校正可以更好地检测弱信号，也可以使像敏单元的偏置非均匀性得到校正以达到一定的线性度。其原理图如图7。图7CMOS传感器非均匀性校正电路（2）随机选址电路，为了节省时间和减少数据处理量，可以只采集部分图像数据，即对图像进行随机采样，以提高数据采集系统的效率。其原理图见图8。图8随机采样原理（3）相关双采样电路：KTC噪声是一种频率较低的噪声，它在一个像敏单元信号的读出过程中变化很小，用来消除KTC噪声的方法是相关双采样（CDS),它的工作原理波形如图9。图9相关双采样原理波形（4）对数特性电路，光信号的变化幅度很大，使采集的图像黑白变化太强，产生较大失真时，采用具有对数特性的电路，使过强的的对比度降低到能够满足动态范围要求的程度。但是，它对器件参数的变化敏感，容易因像敏单元偏置电流差异而使固定图案噪声（EPN)增加。为了消除这种EPN,需要采用校正电路。虽然相关双采样电路可以消除一般的EPN，但不适用于具有对数特性的电路，原因在于对数电路中的光敏二极管电容一直在积累光电荷，它不能复位，无法应用CDS。比较好的解决方式是在器件中加入校正电路。如图10图10具有对数运算功能的像元结构4CMOS图像传感器的特性参数近年来，随着制作工艺的发展，表征CMOS图像传感器性能指标参数与CCD性能指标的参数基本一致。1.光谱性能与量子效率CMOS图像传感器的光谱性能与量子效率取决于它的像敏单元（光敏二极管）。2.填充因子定义填充因子为光敏面积对全部像敏单元所占面积之比，它对器件的有效灵敏度、噪声、时间相应、模仿传递函数MTF等影响很大。为了提高填充因子，常用方法是微透镜法和采用特殊的像元结构。3.输入特性与动态范围CMOS图像传感器有4种输出模式：线性模式、双斜率、对数特性模式、γ校正模式。它们的动态范围相差很大，特性也有较大的区别。图11是4种输出模式的曲线图。图114种输出模式的曲线4.噪声CMOS图像传感器的噪声来源于光敏像元中的光敏二极管、用于放大器的场效应晶体管和行、列选择等开关的场效应管。这些噪声既有共性又有个性。由光敏二极管阵列和场效应管电路构成CMOS图像传感器时，还可能产生新的噪声。主要噪声分为光敏器件的噪声、MOS场效应晶体管中的噪声和CMOS图像传感器中的工作噪声。5.空间传递函数图像：图12图12CMOS图像传感器的空间传递函数5典型CMOS图像传感器IBIS46600型CMOS图像传感器1.IBIS46600型CMOS图像传感器的原理结构如图13(a)所示，它是CMOS图像传感器的主要部分，包括像敏单元阵列、X和Y向读出移位寄存器、二级采样、并行模拟输出放大器和列放大器。IBIS46600型CMOS图像传感器的像敏单元的结构如图13（b）所示，它使用了3管（3T）有源技术，大幅度改善了弱光灵敏度。图13（a）图13（b）2.输出放大器IBIS46600型CMOS图像传感器输出放大器主要由偏压调节电路、可调增益放大器和输出电路3部分组成。3.A/D转换器IBIS46600型CMOS图像传感器的A/D转换器除具有一般的线性模-数变换外，还具有γ模数转换（γ变换）功能，其输入电压范围由外部电阻决定。6CMOS图像传感器的应用领域1.生活领域随着电子技术的飞速发展，CMOS图像传感器已悄然走进了我们的日常生活。智能手机的普及以及单反相机、卡片机价格的平民化，我们的生活已经离不开CMOS图像传感器了。如图14。图142.工程开发领域随着CMOS图像传感器的工艺不断改进，与CCD传感器相比，它本身具有的功耗低、性价比高、功能强大、模块化使用能力强等优势。我们可以用它来开发新的机器人摄像头模块、人脸识别模块、速度检测模块等等。7.结论近年来，图像传感器尤其是CMOS图像传感器发展越来越迅速，其应用也是越来越广泛，作为一种高集成度的新型传感器，或许暂时我们无法直接研究出国产生产工艺。但是，作为一名控制类专业的本科生，却不能不主动学习、了解并使用CMOS图像传感器。近两个星期，通过对CMOS图像传感器的初步学习，基本上了解了CMOS图像传感器的工作原理以及应用。以教材为基础，独立学习一种新型传感器，一方面开拓了个人的视野，强化了独立学习能力，为以后学习其他新型传感器奠定了一个良好的基础。另一方面，通过学习CMOS图像传感器，为以后结合微型计算机和嵌入式系统开发新的仪器仪表打下了基础。参考文献[1]康光华，陈大钦，张林．电子技术基础模拟部分．高等教育出版社，2006.1[2]阎石．数字电子技术基础．高等教育出版社，2006.5[3]孙传友．感测技术基础．北京：电子工业出版社，2011．2[4]王庆友．光电传感器应用技术．机械工业出版社，2014.1