CMOS图像传感器的基本原理及设计考虑

光学尺寸以及电压的要求。应当知道并用来对比的重要参数有：最大势阱容量、各种工作状态下的读出噪声、量子效率以及暗电流，至于信噪比之类的其它参数都是由那些基本量度推导出来的。

　　对于像保安摄像机一类的低照度级的应用，读出噪声和量子效应最重要。然而对于象户外摄影一类的中、高照度级的应用，比较大的最大势阱容量就显得更为重要。

　　动态范围和信噪比是最容易被误解和误用的参数。动态范围是最大势阱容量与最低读出噪声的比值，它之所以引起误解，是因为读出噪声经常不是在典型的运行速度下测得的，而且暗电流散粒噪声也常常没有被计算在内。信噪比主要决定于入射光的亮度级（事实上，在亮度很低的情况下，噪声可能比信号还要大）。

　　所以，信噪比应该将所有的噪声源都考虑在内，有些资料一览表中常常忽略散粒噪声，而它恰恰是中、高信号电平的主要噪声来源。而SNRDARK得到说明，实际上与动态范围没有什么两样。数字信噪比或数字动态范围是另一个容易引起混淆的概念，它表明的只是模拟/数字（A/D）转换器的一个特性。虽然这可能很重要，但它并不能精确地描述图像的质量。同时我们也应清楚地认识到，当图像传感器具有多个可调模拟增益设置时，模拟/数字转换器的分辨率不会对图像传感器的动态范围产生限制。

　　光学尺寸的概念的模糊，是由于传统观念而致。使用光导摄像管只能在部分范围内产生有用的图像。它的计算包括度量单位的转换和向上舍入的方法。采用向上舍入的方法，先以毫米为单位测量图像传感器的对角线除以16，就能得到以英寸为单位的光学尺寸。例如0.97cm的尺寸是1.27cm而不是 0.85cm。假如你选择了一个光学尺寸为0.85cm的图像传感器，很可能出现图像的四周角落上的映影（阴影）现象。这是因为有些资料一览表欺骗性地使用了向下舍入的方法。例如，将0.97cm的尺寸称为0.85cm，理由很简单：0.85cm光学尺寸的图像传感器的价格要比1.27cm光学尺寸的图像传感器的价格低得多，但是这对系统工作性能产生不利影响。所以，设计者应该通过计算试用各种不同的图像传感器来得到想要的性能。

　　CMOS图像传感器的一个很大的优点就是它只要求一个单电压来驱动整个装置。不过设计者仍应谨慎地布置电路板驱动芯片。根据实际要求，数字电压和模拟电压之间尽可能地分离开以防止串扰。因此良好的电路板设计，接地和屏蔽就显得非常重要。尽管这种图像传感器是一个CMOS装置并具有标准的输入/输出（I/O）电压，但它实际的输入信号相当小，而且对噪声也很敏感。

　　到目前为止，已设计出高集成度单芯片CMOS图像传感器。设计者力求使有关图像的应用更容易实现多功能，包括自动增益控制（AGC）、自动曝光控制（AEC）、自动平衡（AMB）、伽玛样正、背景补偿和自动黑电平校正。所有的彩色矩阵处理功能都集成在芯片中。CMOS图像传感器允许片上的寄存器通过I2C总线对摄像机编程，具有动态范围宽、抗浮散且几乎没有拖影的优点。

　　4、CMOS APS的潜在优点和设计方法

　　4．1CMOS APS胜过CCD图像传感器的潜在优点

　　CMOS APS胜过CCD图像传感器的潜在优点包括［1］～［5］：

　　1）消除了电荷反复转移的麻烦，免除了在辐射条件下电荷转移效率（CTE）的退化和下降。

　　2）工作电流很小，可以防止单一振动和信号闭锁。

　　3）在集成电路芯片中可进行信号处理，因此可提供芯迹线，模/数转换的自调节，也能提供由电压漂移引起的辐射调节。

　　4．2CMOS APS的设计方法

　　CMOS APS的设计方法包括：

　　1）为了降低暗电流而进行研制创新的像素结构。

　　2）使用耐辐射的铸造方，再研制和开发中等尺寸"dumb"（哑）成像仪（通过反复地开发最佳像素结构）。

　　3）研制在芯片上进行信号处理的器件，以适应自动调节本身电压Vt的漂移和动态范围的损失。

　　4）研制和开发耐辐射（单一扰动环境）的定时和控制装置。

　　5）研制和加固耐辐射的模/数转换器。

　　6）寻找低温工作条件，以便在承受最大幅射强度时，找到并证实最佳的工作温度。

　　7）研制和开发大尺寸、全数字化、耐辐射的CMOS  APS，以便生产。

　　8）测试、评价和鉴定该器件的性能。

　　9）引入当代最高水平的组合式光学通信/成像系统测试台。

　　5、像素电路结构设计

目前，已设计的CMOS图像传感器像素结构有：空隙积累二极管（HAD）型结构、光电二极管型无源像素结构、光电二极管型有源像素结构、对数变换积分电路型结构、掩埋电荷积累和敏感晶体管阵列（BCAST）型结构、低压驱动掩埋光电二极管（LV－BPD）型结构、深P阱光电