CMOS图像传感器剖析实用实用教案.ppt

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(fāngfǎ)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，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景 3.1 3.1 概述概述(ɡài (ɡài shù)shù)第1页/共19页第一页，共20页ØCMOS成像器件的组成Ø像敏单元(dānyuán)结构Ø工作流程和辅助电路3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件成像器件(qìjiàn)(qìjiàn)的原的原理结构理结构 第2页/共19页第二页，共20页Ø它的主要组成部分是像敏单元阵它的主要组成部分是像敏单元阵列和列和MOS场效应管集成电路，而且场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的；这两部分是集成在同一硅片上的；Ø像敏单元阵列由光电二极管阵列像敏单元阵列由光电二极管阵列构成如图中所示的像敏单元阵列构成如图中所示的像敏单元阵列按按X和和Y方向排列成方阵，方阵中的方向排列成方阵，方阵中的每一个每一个(yī ɡè)像敏单元都有它在像敏单元都有它在X，，Y各方向上的地址，并可分别由各方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；两个方向的地址译码器进行选择；输出信号送输出信号送A/D转换器进行模数转转换器进行模数转换变成数字信号输出。

换变成数字信号输出 3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件成像器件(qìjiàn)(qìjiàn)的原的原理结构理结构 3.2.1 CMOS成像器件(qìjiàn)的组成第3页/共19页第三页，共20页图像信号的输出过程：在Y方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制(kòngzhì)下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关（图中标志的Si,j），信号将通过行开关传送到列线上；通过X方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制(kòngzhì)，输送到放大器由于信号经行与列开关输出，因此，可以实现逐行扫描或隔行扫描的输出方式也可以只输出某一行或某一列的信号3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件的原理成像器件的原理(yuánlǐ)(yuánlǐ)结构结构 3.2.1 CMOS成像器件(qìjiàn)的组成第4页/共19页第四页，共20页注意：在CMOS图像传感器的同一芯片中，还可以设置其他数字处理电路例如，可以进行自动曝光处理、非均匀性补偿、白平衡处理、γ校正、黑电平控制(kòngzhì)等处理甚至于将具有运算和可编程功能的DSP器件制作在一起形成多种功能的器件3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件成像器件(qìjiàn)(qìjiàn)的原的原理结构理结构 3.2.1 CMOS成像器件(qìjiàn)的组成第5页/共19页第五页，共20页。

像敏单元结构指每个成像单元的电路像敏单元结构指每个成像单元的电路(diànlù)结构，结构，是是CMOS图像传感器的核心组件像敏单元结构有两图像传感器的核心组件像敏单元结构有两种类型，即被动像敏单元结构和主动像敏单元结构种类型，即被动像敏单元结构和主动像敏单元结构3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件的原理成像器件的原理(yuánlǐ)(yuánlǐ)结构结构 3.2.2 CMOS成像器件的像敏单元(dānyuán)结构第6页/共19页第六页，共20页只包含只包含(bāohán)光光电二极管和地址选电二极管和地址选通开关两部分通开关两部分 3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件成像器件(qìjiàn)(qìjiàn)的的原理结构原理结构 3.2.2 CMOS成像器件的像敏单元(dānyuán)结构1.1.被动像敏单元结构第7页/共19页第七页，共20页Ø被动像敏单元结构的缺点是固定图案噪声（FPN）大、图像信号的信噪比较低Ø主动像敏单元结构是当前得到实际应用的结构它与被动像敏单元结构的最主要区别是，在每个像敏单元都经过放大后，才通过场效应管模拟开关(kāiguān)传输，所以固定图案噪声大为降低，图像信号的信噪比显著提高。

3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件成像器件(qìjiàn)(qìjiàn)的原的原理结构理结构 3.2.2 CMOS成像器件(qìjiàn)的像敏单元结构1.1.被动像敏单元结构第8页/共19页第八页，共20页Ø场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲到来时，T1导通，光电二极管被瞬时复位；Ø当复位脉冲消失(xiāoshī)后，T1截止，光电二极管开始积分光信号ØT2为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号进行电流放大ØT3用做选址模拟开关，当选通脉冲到来时，T3导通，使被放大的光电信号输送到列总线上3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件(qìjiàn)(qìjiàn)的原理结构 3.2.2 CMOS成像器件(qìjiàn)的像敏单元结构1.1.主动像敏单元结构第9页/共19页第九页，共20页Ø复位脉冲首先来到，V1导通，光电二极管复位；Ø复位脉冲消失后，光电二极管进行积分(jīfēn)；Ø积分(jīfēn)结束时，V3管导通，信号输出3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件(qìjiàn)(qìjiàn)的原理结构 3.2.2 CMOS成像器件的像敏单元(dānyuán)结构2.2.主动像敏单元结构第10页/共19页第十页，共20页。

3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件的原理(yuánlǐ)(yuánlǐ)结构 3.2.3 CMOS图像传感器的工作(gōngzuò)流程ØCMOS图像传感器的功能很多，组成也很复杂由像敏单元，行列开关(kāiguān)，地址译码器，A/D转换器等许多部分组成较为复杂的结构Ø应使诸多的组成部分按一定的程序工作，以便协调各组成部分的工作为了实施工作流程，还要设置时序脉冲，利用它的时序关系去控制各部分的运行次序；并用它的电平或前后沿去适应各组成部分的电气性能 第11页/共19页第十一页，共20页3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件(qìjiàn)(qìjiàn)的原理结构 3.2.3 CMOS图像(tú xiànɡ)传感器的工作流程（1）初始化初始化时要确定器件的工作模式，如：输出偏压、放大器的增益(zēngyì)、取景器是否开通，并设定积分时间第12页/共19页第十二页，共20页3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件(qìjiàn)(qìjiàn)的原理结构 3.2.3 CMOS图像传感器的工作(gōngzuò)流程（2）帧读出（YR）移位(yí wèi)寄存器初始化利用同步脉冲SYNC-YR，可以使YR移位(yí wèi)寄存器初始化。

SYNC-YR为行启动脉冲序列，不过在它的第一行启动脉冲到来之前，有一消隐期间，在此期间内要发送一个帧启动脉冲 第13页/共19页第十三页，共20页3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件的原理(yuánlǐ)(yuánlǐ)结构 3.2.3 CMOS图像(tú xiànɡ)传感器的工作流程（3）启动行读出SYNC-YR指令可以(kěyǐ)启动行读出，从第一行（Y﹦0）开始，直至Y﹦Ymax止；Ymax等于行的像敏单元减去积分时间所占去的像敏单元 （4）启动X移位寄存器 利用同步信号SYNC-X，启动X移位寄存器开始读数，从X﹦0起，至X﹦Xmax止；X移位寄存器存一幅图像信号第14页/共19页第十四页，共20页3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件(qìjiàn)(qìjiàn)的原理结构 3.2.3 CMOS图像传感器的工作(gōngzuò)流程（5）信号采集 A/D转换器对一幅图像信号进行A/D数据采集6）启动(qǐdòng)下行读数 读完一行后，发出指令，接着进行下一行读数7）复位 帧复位是用同步信号SYNC-YL控制的，从SYNC-YL开始至SYNC-YR出现的时间间隔便是曝光时间。

为了不引起混乱，在读出信号之前应当确定曝光时间第15页/共19页第十五页，共20页3.2 CMOS3.2 CMOS成像器件(qìjiàn)(qìjiàn)的原理结构 3.2.3 CMOS图像传感器的工作(gōngzuò)流程（8）输出放大器复位 用于消除前一个像敏单元信号的影响，由脉冲(màichōng)信号SIN控制对输出放大器的复位9）信号采样/保持 为适应A/D转换器的工作，设置采样/保持脉冲(màichōng)，该脉冲(màichōng)由脉冲(màichōng)信号SHY控制第16页/共19页第十六页，共20页小节小节(xiǎ(xiǎojiéojié) ) 3.1 概述3.2 CMOS成像器件的原理(yuánlǐ)结构3.3 CMOS成像器件的工作流程第17页/共19页第十七页，共20页ØCMOSCMOS图图像像传传感感器器能能够够像像线线阵阵CCDCCD那那样样只只输输出出一一行行的的信信号号吗吗？？若若能能，，试说明怎样实现试说明怎样实现Ø何何谓谓被被动动像像敏敏单单元元结结构构与与主主动动像像敏敏单单元元结结构构？？二二者者有有什什么么异异同同？？主主动动像像敏敏单单元元结结构构是是如如何何(rúhé)(rúhé)克克服服被被动动像像敏敏单单元元结结构构的的缺缺陷陷的？的？ 作业(zuòyè) 第18页/共19页第十八页，共20页。

感谢您的欣赏(xīnshǎng)！第19页/共19页第十九页，共20页内容(nèiróng)总结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，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景它的主要组成部分(zǔ chénɡ bù fèn)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硅片上的像敏单元阵列由光电二极管阵列构成第18页/共19页感谢您的欣赏第二十页，共20页。