由于CCD技术芯片工艺复杂，不能与标准工艺兼容，并且CCD芯片需要高电压且功耗大。由于这两个主要原因，使得CCD芯片价格昂贵且使用不便。而CMOS图像传感芯片采用CMOS工艺，可将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。因此，CMOS图像采集芯片具有功耗小、价格便宜等优点，具有很强的市场竞争力和广阔的发展前景。
20世纪90年代初CMOS传感器开始被部分市场所采纳，一个重要原因就是它可以在同一个芯片上集成各种信号和图像处理模块，如运放器、ADCs、彩色处理和数据压缩电路、标准ＴＶ和计算机Ｉ／Ｏ接口，形成一个单片集成数字成像系统。图2.26是一种高速CMOS图像传感器芯片的结构框图，它一般由光敏像元阵列、行选通译码器、列选通译码器、定时控制电路、模拟信号处理电路、模／数转换器（ADC）、存储器与读出译码器等构成。其中定时控制电路用来限制信号读出模式、设定积分时间以及控制数据输出率。模拟信号处理器包括信号的积分、放大、取样和保持，目的是在图像信号离开传感芯片之前就消除噪声（其中一个原因是消除噪声的模拟电路所占的面积比数字电路小）。 1.CMOS图像传感芯片的基本原理
CMOS图像传感芯片主要由图2.26所示的几个功能模块组成。首先，外界光照射像元阵列，发生光电效应，在像元内产生相应的电荷。行选逻辑单元根据需要选通相应的行像元。行像元内的图像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，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像元阵列逐行扫描也可隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。由于模拟集成单元加工有诸多不便，所以现在有些芯片在设计时有意简化该功能单元，而将该单元的部分功能放到Ａ／Ｄ变换之后进行，于是就出现了数字调谐放大器等数字单元。
图2.26 CMOS图像传感器芯片结构框图
图2.26中时钟控制单元负责控制行选择逻辑单元和列选择逻辑单元，并为像元阵列提供置位信号以及整个芯片的时钟信号。该单元一般采用数字锁相环进行稳频和实现其他功能。 2．CMOS图像传感芯片像元阵列的结构和类型
高速CMOS图像传感芯片中像元阵列是其关键功能单元，它又可以分为无源像元PPS（Passive Pixel Schematic）、有源像元APS（Active Pixel Schematic）和对数式像单元。
１．无源像图像传感器（PPS）
无源像元PPS出现得最早，但自出现以来结构没有多大变化。其基本结构如图2.27所示。
PPS单元由一个光电二极管和一个开关管组成。当该PPS被选中激活时，开关管TX选通，于是光电二极管中由于光照产生的相应电荷通过开关到达列总线，在列总线下端有一个积分放大器，该放大器将信号转化为电压输出。列总线下的放大器在不读信号时，保持列总线为一常数电平，这样，可以减少KTC噪声。光电二极管中的电荷与光信号成一定的比例关系，转换后的电压中就包含了光信息。无源像元PPS结构简单，像元填充系数（有效光
敏面积和单元面积之比）高，量子效率（积累电子与入射光子的比率）比较高。但它有两个显著的缺点：其一，它的读出噪声比较大，主要是固定噪声（FPN），其典型值为250个电子，而商业用的CCD级芯片其读出噪声典型值为20个电子；其二，随着像元个数的增加，读出速率加快，读出噪声变大。
PPS不利于向大型阵列发展，很难超过（1000×1000）像元，不能有较快的像元读出率。这是因为这两种情况都会增加线电容，若要更快地读出就会导致更高的读出噪声。为解决PPS的噪声问题，通过在芯片上集成模拟信号处理电路来减少FPN，可以达到很好的效果。还有用一个双关取样电路的列并行微分结构来消除寄生电流的影响，大大减少了像元间固定噪声和列间固定噪声。
２．有源像元图像传感器（APS）
1992年美国喷气推进实验室（JPL）开始研究和发展有源像元传感器在太空上的应用，后来一些美国公司也加入了有源像元传感器的研究，如Kodak、Motorola、Lucent、National、emlconductor、Intel和Hewlett-Packard。有源像元传感器主要有光敏二极管型（PD－APS）和光栅型（PG－APS）两种类型。有源像元APS几乎与无源像元一起出现。它由于采用了主动式放大缓冲器，该放大器在读取信号时，功耗比较小。但由于结构复杂些，像元填充率一般是20％～30％。为了补偿像元填充率不高引起的不足，有些芯片引入了显微透镜，以期将更多的光聚集到像元采集阵列上，从而提高信号质量。深亚微米技术的采用将会大幅度提高填充率。有源像元APS中的光敏二极管型PD－APS基本结构如图2.28所示。
2.27 无源像元基本结构图 图2.28 光敏二极管型 APS
由图2.28看出，有源像元APS是由光敏二极管、复位RST、源极跟随器和行选通管RS组成。光照射到光敏二极管产生电荷，这些电荷通过源极跟随器缓冲输出；当行选通管选通时，电荷通过列总线输出。行选通管关闭，复位管RST打开对光敏二极管复位。上面只是一个简单的原理性过程，在实际工作时，其读出、复位是比较复杂的。例如，为了抑制固定图形噪声需采用相关双采样，不但要读取信号电压，还要读取复位后光敏二极管的电压。这种结构的APS量子效率比较高，由于采用了新的消噪技术，输出图形信号质量比以前有许多提高，读出噪声一般为（75～100）个电子。此种结构的APS适合于中低档的应用场合。
另外一种APS为光栅型APS。它是由美国JPL实验室首先推出的，它生成的图像信号质量较高，现在倍受关注。它的基本结构如图2.29所示。它由光栅PG、开关管TX、复位管RST、源极跟随器和行选通管RS构成。当光照射像元时，在光栅管PG处产生电荷；同时，复位管RST打开，对势阱进行复位，复位完毕，复位管关闭，行选通管打开，势阱复位后的电势由此通路被读出并暂存起来。之后，开关管打开，光照产生的电荷进入势阱并被读出。前后两次读出的电位差就是真正的图像信号。实际上，上述过程为一个信号相关双采样（CDS）。由于相关双采样以及势阱阈值电平为可变的，复位噪声、1/f噪声和固定图形噪声被抑制了许多。其读出噪声为（10～20）个电子。但它的工艺比较复杂，严格说并不能算完全的高速CMOS工艺。由于多晶硅覆盖层的引入，使其量子效率比较低，尤其对蓝光更是如此。就目前看来，其整体性能优势并不十分突出。
对数式像元结构如图2.30所示。它由光敏二极管、负载管load、源极跟随器和行选通管RS组成。该像元输出的信号与入射光信号成对数关系，像元采集的光信号的动态范围可
以很宽。另外，该单元是无积分单元。因此，可以实现真正意义上的随时信号读取。也正是由于像元无积分使得它对暗光线的反应时间较长，并且固定图形噪声较大，信噪比不高。
图2.29光栅型 APS基本结构图 图2.30 对数式像元结构
总之，通常有源像元传感器比无源像元传感器有更多的优点，包括低读出噪声、高读出速度和能工作在大型阵列中。但是由于像元和晶体管数目的增多，恶化了阈值匹配和增益一致性，引发了固定噪声问题，而且填充系数也变小（20％～30％）。为解决填充系数的问题，APS引进CCDs的微透镜技术，使有效填充系数增为原来的２倍至３倍。为解决固定噪声问题，1993年NASA通过采用双关取样（CDS），消除了像元信号里的部分固定噪声和相关的瞬态噪声，在高速CMOS图像传感器方面取得了显著的进步。
有源像元还有其他特殊结构，如对数传输型、针扎光敏二极管型、浮栅放大器型等等。在考虑灵敏度、噪声、像素大小以及线性度的情况下，每种类型都有各自的优缺点，我们要根据不同的应用做出不同的选择。
武汉中创联达科技有限公司，专业从事光电子影像产品（低照度相机、高速摄 像机，超高速摄像机，高分辨率相机及其图像分析软件）的销售、研发， 提供特殊环境下的拍摄、成像服务。经过多年的市场经验及技术积累，公司为国内客户提供燃烧、PIV、纤维成像、焊接、等离子体放电、材料拉伸变形、仿生学等领域提供详细、专业的解决方案。
高速CMOS成像原理
