CMOS图像传感器的基本原理及设计考虑

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1引言
20世纪70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还无法与CCD图像传感器相比。
如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍～10倍，把噪声进一步降低，CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平，同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点，如此，CMOS图像传感器取代CCD图像传感器就会成为事实。
由于CMOS图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制得到了极大的发展，并且随着经济规模的形成，其生产成本也得到降低。现在，CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美，这主要归功于图像传感器芯片设计的改进，以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能。
实际上，更确切地说，CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图像传感器很相似），所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。
2基本原理
从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对CMOS图像传感器的种种干扰。
然而今天，随着制作工艺的提高，使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加功能。实际上，在Conexant公司（前Rockwell半导体公司）的一台先进的CMOS摄像机所用的CMOS图传感器上，每一个像素中都设计并使用了6个晶体管，测试到的读出噪声只有1均方根电子。不过，随着像素内电路数量的不断增加，留给感光二极管的空间逐渐减少，为了避免这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降，一般都使用微透镜，这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域。
因为电荷被限制在像素以内，所以CMOS图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别，这种不均匀性就会引起固定图像噪声。然而，随着CMOS图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到显著弱化。
这种多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等，这些都已在某些设计者的考虑之中。
3设计考虑
然而，这个行业还有一个受到普遍关注的问题，那就是测量方法，具体指标、阵列大小和特性等方面还缺乏统一的标准。每一位工程师在比较各种资料一览表时，可能会发现在一张表上列出的是关于读出噪声或信噪比的资料，而在另一张表上可能只是强调关于动态范围或最大势阱容量的资料。因此，这就要求设计者们能够判断哪一个参数对他们最重要，并且尽可能充分利用多产品的CMOS图像传感器家族。
一些关键的性能参数是任何一种图像传感器都需要关注的，包括信噪比、动态范围、噪声（固定图形噪声和读出噪声）、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。
4CMOS?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。
与硅探测器有关，需要解决的难题和争论点包括[1]～[2]：
1）在体材料界面由于辐射损伤而产生的暗电流
的增加问题。
2）包括动态范围损失的阈值漂移问题。
3）在模/数转换电路中，定时和控制中的信号闭锁和单一扰动问题。
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法，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阱光电二极管型结构、针型光电二极管（PPD）结构和光栅型有源像素结构等。
5．1CMOS?PPS像素结构设计
光电二极管型CMOS无源像素传感器（CMOS?PP
S）的结构自从1967年Weckler首次提出以来实质上一直没有变化，其结构如图1所示。它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数，并减小KTC噪声。当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。


单管的PD?CMOS?PPS允许在给定的像素尺寸下有最高的设计填充系数，或者在给定的设计填充系数下，可以设计出最小的像素尺寸。另外一个开关管也可以采用，以实现二维的X?Y寻址。由于填充系数高且没有许多CCD中多晶硅叠层，CMOS?PPS像素结构的量子效率较高。但是，由于传输线电容较大，CMOS
?PPS读出噪声较高，典型值为250个均方根电子，这是致命的弱点。
5．2CMOS?APS的像素结构设计
几乎在CMOS?PPS像素结构发明的同时，科学家很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能。虽然CMOS图像传感器的成像装置将光子转换为电子的方法与CCD相同，但它不是时钟驱动，而是由晶体三极管作为电荷感应放大器。在一些CMOS图像传感器中，每组像素的顶端有一个放大器，每个像素只有一个作为阈值电流值开关的三极管。开关像素中的电荷为放大器充电，其过程类似DRAM中的读取电路，这种传感器被称为PPS。PPS的结构很简单，它具有高填充系数。各像元没有很多的多晶硅层覆盖，其量子效率很高，但是PPS的读取干扰很高，只适应于小阵列传感器。
在CMOS?APS中每一像素内都有自己的放大器。CMOS?APS的填充系数比CMOS?PPS的小，集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使40％～50％的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS?APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发，所以CMOS?APS的功耗比CCD图像传感器的还小。与CMOS?PPS相比，CMOS－APS的填充系数较小，其设计填充系数典型值为20％～30％，接近内线转换CCD的值。
5．2．1光敏二极管CMOS?APS（PD?CMOS?APS）的像素结构
1968年，Noble描述了PD?CMOS?APS。后来，这种像素结构有所改进。PD?CMOS?APS的像素结构如图2所示。


高性能CMOS?APS由美国哥伦比亚大学电子工程系和喷气推进实验室（JPL）在1994年首次研制成功，像素数为128×128，像素尺寸为40μm×40μm，管芯尺寸为6.8mm×6.8mm，采用1.2μmCMOSn阱工艺试制，动态范围为72dB,固定图形噪声小于0.15％饱和信号水平。固定图形噪声小于0.15％饱和信号水平。1997年日本东芝公司研制成功了640×480像素光敏二极管型CMOS?APS，其像素尺寸为5.6μm×5.6μm,具有彩色滤色膜和微透镜阵列。2000年美国Foveon公司与美国国家半导体公司采用0.18μmCMOS工艺研制成功4096×4096像素CMOS?APS[10]，像素尺寸为5μm×5μm，管芯尺寸为22mm×22mm，这是迄今为止世界上集成度最高、分辨率最高的CMOS固体摄像器件。有关CMOS?APS的工作原理、发展现状及其应用，笔者已作过详细介绍[6]～[8]。
因为光敏面没有多晶硅叠层，PD?CMOS?APS的量子效率较高，它的读出噪声由复位噪声限制，典型
值为75均方根电子～100均方根电子。PD?CMOS?APS的每个像素采用3个晶体管，典型的像元间距为15μm。PD?CMOS?APS适宜于大多数低性能应用。
5．2．2光栅型CMOS?APS(PG?CMOS?APS)的像素结构
1993年由JPL最早研制成功PG?CMOS?APS并用于高性能科学成像的低光照明成像。PG?CMOS?APS结合了CCD和X?Y寻址的优点，其结构如图3所示。


光栅信号电荷积分在光栅（PG）下，浮置扩散点（A）复位（电压为VDD），然后改变光栅脉冲，收集在光栅下的信号电荷转移到扩散点，复位电压水平与信号电压水平之差就是传感器的输出信号。
当采用双层多晶硅工艺时，PG与转移栅（TX）之间要恰当交叠。在光栅与转移栅之间插入扩散桥，可以采用单层多晶硅工艺，这种扩散桥要引起大约100个电子的拖影。
光栅型CMOS?APS每个像素采用5个晶体管，典型的像素间距为20μm（最小特征尺寸）。采用0.25μmCMOS工艺将允许达到5μm的像素间距。浮置扩散电容的典型值为10－14F量级，产生20μV/e的增益，读出噪声一般为10均方根电子～20均方根电子，已有读出噪声为5均方根电子的报道。
CMOS图像传感器的设计分为两大部分，即电路设计和工艺设计，CMOS图像传感器的性能好坏，不仅与材料、工艺有关，更重要的是取决于电路设计和工艺流程以及工艺参数设计。这对设计人员提出更高的要求，设计人员面要宽，在设计中，不但要懂电路、工艺、系统方面的知识，还要有较深的理论知识。这个时代对设计者来说是一个令人兴奋和充满挑战的时代。计算机辅助设计技术为设计者提供了极大的方便，但图像系统的用途以及目标用户的范围由制造商决定。如果用户装有Windows95的系统，那么就要确定图像系统不是Windows98的。如果你只是为了获取并存储大量的低分辨率图像，那就不要选择一个能够提供优质图像但同时会产生更多数据以致于无法存储的高分辨率图像传感器。现在还存在许多非标准的接口系统。现在仅供数字相机所使用可装卸存储介质就包括PCMCIA卡、东芝（Toshiba）的速闪存储器及软磁盘。重要的是，要根据产品未来所在的工作环境，对样品进行细致的性能评估。
5．3CCD和CMOS系统的设计
CCD图像传感器和CMOS图像传感器在设计上各不相同，对于CCD图像传感器，不能在同一芯片上集成所需的功能电路。因此，在设计时，除设计光敏感部分（即CCD图像传感器）外，还要考虑设计提供信号和图像处理的功能电路，即信号读出和处理电路，这些电路需要在另外的基片上制备好后才能组装在CCD图像传感器的外围；而CMOS图像传感器则不同，特别是CMOS?APS可以将所有的功能电路与光敏感部分（光电二极管）同时集成在同一基片上，制作成高度集成化的单芯片摄像系统。与前者相比，成本低、制备容易、体积小、微型化、功耗低，虽然开始有人认为光照灵敏度不如CCD图像传感器的高，并且暗电流和噪声比较大，近来由于改进了电路设计，采用亚微米和深亚微米光刻技术，使CMOS图像传感器的性能得到改善。已经具备与CCD图像传感器进行竞争的条件，21世纪，CMOS摄像器件将成为信息获取与处理领域的佼佼者。到那时，单芯片摄像机和单芯片数码相机将进入千家万户。这些都得益于CMOS?APS为人们提供了高度集成化的系统，如图4


所示。图5示出CMOS数码相机的框图，从中可见数码相机设计的复杂性。


6结语
CMOS图像传感器的前途是光明的，随着多媒体、数字电视、可视通讯等市场的增加，CMOS图像传感器的应用前景更加广阔。
CMOS?APS为MIS/CCD图像传感器设计提供了另一选择方案，它把电荷转换成电压所需的晶体管装在每个像素内。在这种器件内均不必进行电荷转移，因为数据读取是在单个像素内完成的。与CCD图像传感器相比，这种器件有很成熟的CMOS集成电路工艺，在降低成本方面有潜力。预期CMOS?APS在许多非科学应用领域内将最终替代CCD图像传感器。