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CMOS传感器

来源:博天堂ag,博天堂AG手机版,博天堂ag旗舰时间: 2020-05-23浏览次数:作者:澳门皇冠
1990年期间提出的, Charge Coupled Devices (CCD)传感器正在慢慢消亡灭绝。此外,2015年,索尼公司正式宣布停止大规模生产CCD,尽管这在意料之中,但却在专业成像界引起了轰动。虽然通常认

  1990年期间提出的, Charge Coupled Devices (CCD)传感器正在慢慢消亡灭绝。此外,2015年,索尼公司正式宣布停止大规模生产CCD,尽管这在意料之中,但却在专业成像界引起了轰动。虽然通常认为大多数工业或专业成像是通过CMOS图像传感器(CIS)技术进行的,但大多数仍然基于CCD传感器。

  早期CCD和CIS技术是同步的, 然而,由于CCDs能够满足严格的图像质量要求,它很快成为了一种更加优越的技术。 同时,CMOS技术是一项新兴的技术,其固有的噪声和像素复杂度限制了它的发展。 由于大多数架构此时都是模拟的,因此集成图像处理功能(如系统芯片上的功能)的概念还没有被认为有实现的可能性。

  根据摩尔定律(Moore’s Law),由于本世纪初的快速扩张,技术节点的收缩使得该技术相对于其它技术的竞争力得以增强。目前,CIS技术的光电性能正在发生迅速的变化,而且在许多方面往往比CCD表现得更好。

  CCD技术涉及将光子信号转换成电子包,然后将电子包传输到公共输出结构,将电荷转换成电压。从这里开始,信号被缓冲并被带出芯片。CCD技术中的大多数功能都发生在相机的印刷电路板上;然而,当给定的应用程序有特殊要求时,设计者可以在不重新设计成像仪的情况下改变电子设备。

  相反,CMOS成像仪上的电荷-电压转换发生在每个像素中,从而允许大多数功能直接集成到芯片中。CMOS成像仪可以用一个电源操作,并且在感兴趣区域或窗口的读出电位方面表现出独特的灵活性。CCD一般采用NMOS技术制作,其性能具有多种特点,其中包括重叠双多晶硅、抗晕、金属屏蔽和特定的起始材料。

  CMOS技术通常面向消费者,基于数字集成电路的标准CMOS工艺技术。请注意,该技术的一些适应是为了成像,例如通过添加固定光电二极管。制造CMOS传感器通常被认为是一种比生产CCD所需的工艺便宜得多的工艺;然而,其性能也较低。这一论断是基于对市场容量的考虑;然而,在考虑其他专业业务部门时,这两种技术可以是等效的,或者CCD可以作为更经济的选择出现。

  例如,大多数太空计划仍然基于CCD组件。在这样做的过程中,这些程序在有限的数量和成本的工艺水平上表现出优化的性能,以及确保长期供应的能力。同样,科学成像市场仍然是主要基于高端CCD解决方案的热心用户,目前正在开发几个新产品。

  CMOS技术的系统复杂度已经提高,特别是随着SOC体系结构嵌入的发展,SOC体系结构可以包括模数转换、相关双采样、时钟产生、电压调节器或图像后处理等其他特性,其中大部分以前仅限于应用系统级设计。

  现代CIS技术通常由1个poly,4个金属层(1P4M)180纳米降到目前的65纳米技术,因此可以将非常高转换因数的像素设计与列增益放大相结合。这样就可以使CMOS的光响应和光灵敏度都比常用的CCD好得多。请注意,与CMOS成像仪相比,CCD确实提供了显著的噪声优势,这是因为它提高了衬底偏置的稳定性,而衬底偏置具有较少的片内电路和很少甚至没有固定模式噪声。

  另一方面,CIS采样频率可能较低,可以降低读出像素所需的带宽,从而降低时间噪声。快门同时曝光阵列的所有像素。对于CMOS技术,这种方法由于在每个像素内需要额外的晶体管而消耗像素面积。由于每个像素都有一个开环输出放大器,并且由于晶圆加工的变化,每个放大器的偏移量和增益都有很大的波动,因此与由ccd产生的像素相比,暗不均匀性和照明不均匀性往往会变得更差。

  此外,与等效CCD相比,CMOS成像仪具有更低的功耗。通过使用来自优化模拟系统的配套芯片,芯片上其他电路的功耗可以低于CCD。根据交付量的不同,考虑到外部实现相关电路功能的成本,与ccd相比,CMOS技术在系统级上的成本可能更低。CCD和CMOS特性的总结如表1所示。

  对于CCD和CMOS技术,必须仔细调整视频成像链的带宽,以便将进入数字化阶段的读取噪声水平降至最低;但是,带宽必须足够大,以防止引入伪影进入图像。为了确定带宽的最小阈值,可以测量采样信号在足够接近理想信号的水平上稳定所需的时间。与最低有效位(LSB)4相比,诱导误差应可忽略不计。

  噪声是由两个因素造成的:1/f闪烁噪声和热噪声,如下图2所示。闪烁噪声在自然界中频繁出现,其频谱密度在地球自转速率、海底洋流、天气、气候变化等多种自然现象中起着重要作用。事实上,最近一项关于普通蜡烛闪烁的研究也表明,它的波动幅度为1/f。

  当考虑MOS器件和放大链的元素时,闪烁噪声已被确定为一个电荷被困在栅极氧化物中的后果。这些陷阱是由工艺过程中产生的缺陷造成的。事实上,这些陷阱的填充和排空常常会导致一个被称为“随机电报噪声(RTS)”的概念,这个概念指的是晶体管通道中电流流动过程中出现的波动。

  每个独立的阱都可以用洛伦兹数学模型来模拟,洛伦兹数学模型适用于描述共振行为。通过使用这个数学模型,洛伦兹量,即存在于MOSFET通道表面的陷阱的数量,可以被求和来确定一个1/f谱是否能与实际的噪声谱密度相吻合。因此,1/f的幅度与MOSFET通道面积的大小成反比。

  为了消除或至少减少放大器共模的任何潜在变化,浮动节点的复位噪声,以及CIS器件中晶体管的技术分散,将通过视频通道集成相关的双采样(CDS)阶段。CDS阶段对视频信号传递函数进行变换,其数学表达式为:

  在图3中,显示了在采样频率太高的情况下,可以使用滤波来消除采样频率,这可能是由于与CDS频率相比,陷阱和释放机制的减慢而导致的。放大链的滤波和低通滤波器的组合可以简化为图3所示的等效带通滤波器。

  eqBP1对应于一个一阶带通滤波器。为了得到一个与HCDS函数等价的综合噪声功率,将eqBP1的噪声谱函数除以一个因子2。eqBP2是eqBP1的频率缺口近似值。同样,允许集成噪声功率也相当于HCDS函数的上下极限eqBP2滤波器分别乘以(π/ 2)1和π/ 2。


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