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弱电工程公司详解CCD/CMOS传感器主要区别

文章出处:网络责任编辑:王冰人气:-发表时间:2018-03-22 08:18 字体大小:【

  CCD和CMOS固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理,其根本不同点在于像素光生成电荷的读出方式。造成这种差异的原因在于:CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真,因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理;而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声,因此,必须先放大再整合各个象素的数据。

  对于CMOS传感器,每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑,当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后,电信号首先被该感光元件中的放大器放大,然后直接转换成对应的数字信号。换句话说,在CMOS传感器中,每一个感光元件都可产生最终的数字输出。CMOS图像传感器芯片的结构如图所示。典型的CMOS像素单元主要由感光区和采样电容及放大器构成,多个单元构成一个像素阵列(二维可编址传感器阵列),传感器的每一列与一个位线相连,行允许、线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上,位线末端是多路选择器,按照各列独立的列编址进行选择,输出相应像素信号。

传感器

  CMOS传感器结构示意图

  而在CCD传感器中,每一个感光元件都不对输出的电流作进一步的处理,而是将它直接输出到感光元件的存储单元,由于感光元件生成的电信号实在太微弱了,无法直接进行模数转换工作,因此这些输出数据必须做统一的放大处理,这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责,经放大器处理之后,每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大;但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号,因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理。但在周边组成上,CCD的感光元件与CMOS的感光元件也不相同,如下图所示,CCD的感光元件除了感光二极管之外,包括一个用于控制相邻电荷的存储单元,感光二极管占据了绝大多数面积,不像CMOS那样,每个感光元件还集成了采样电容、放大器、A/D装换等器件。因此在相同面积下,CCD的感光区域占据了较多的面积,而CMOS由于其复杂结构,感光面积比CCD降低了约20%甚至更多。

弱电工程公司详解CCD/CMOS传感器主要区别

  图表 CCD传感器结构示意图

  正是由于CCD与CMOS的结构工艺的不同,导致了他们在物理特性上的很多差异,主要有以下几方面:

  灵敏度差异

  由于CMOS的采样及放大电路与感光区集成在一起,所以CMOS的有效感光面积就比CCD小了很多,表现就是在相同像素面积的情况下,CMOS的灵敏度比CCD低很多。

  分辨率差异

  如上所述,CMOS每个像素的构成相对复杂,因此像素尺寸通常不容易做的更小,所以在相同尺寸(感光面积)的情况下,CMOS集成的像素数一般情况下比CCD要少,导致相同尺寸的分辨率较低。

  噪声差异

  由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器,而放大器属于模拟电路,很难让每个放大器所得到的结果保持一致,因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比,CMOS传感器的噪声就会增加很多,影响图像品质。

  功耗差异

  CMOS传感器的图像采集方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出,但CCD传感器为被动式采集,需外加电压让每个象素中的电荷移动,而此外加电压通常需要达到12~18V;因此,CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外,高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。实际应用中,CCD的发热量也要比CMOS高出很多,甚至需要对散热进行额外的设计。

  数据转换速度差异

  由于CMOS每个像素都集成了放大器、采样及A/D转换电路,因此,信号的处理可并行进行,而CCD各个象素的数据汇聚至边缘再统一进行放大处理,只能采用串行处理的方式;因而数据转换速度要远低于CMOS。高速的CMOS图像采集帧率每秒可达到3000甚至5000帧。虽然CCD可采取分多区域多通道同时输出等手段,但帧率也很难达到100帧,并同时会涉及图像拼接技术,导致增加系统复杂度,影响图像质量。

  成本差异

  由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator等)集成到传感器芯片中,因此可以节省外围芯片的成本;除此之外,由于CCD采用电荷传递的方式传送数据,只要其中有一个象素不能运行,就会导致一整排的数据不能传送,因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多,即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平,因此,CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。

  不过,随着CCD与CMOS传感器技术的进步,两者的差异有逐渐缩小的态势,例如,CCD传感器一直在功耗上作改进,以应用于移动通信市场;CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足,以应用于更高端的图像产品。

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