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CMOS图像传感器的特点

1.3.1有源像素传感器

CMOS图像传感器与它的前一代技术CCD图像传感器相比，最重要的特点

就是在像素阵列中采用了有源像素传感器（ActivePixelSensor，APS）。虽

然这两种技术都采用硅光电二极管PD作为基本的光电转换单元，而在CCD像

素中只有一个简单的光电二极管，所以被称为无源像素传感器（PassivePixel

Sensor，PPS）。其像素直接输出在二极管PN结上由光子能量激发的载流子

电荷，经过特殊的电荷耦合器件CCD传输结构，把电荷信号的模拟量精确地转

移输出到像素阵列外面，然后经过电荷-电压转换电路变成可以用常规模拟电路

方法放大处理的电压信号。而在CMOS器件的APS像素上集成了光电二极管

（PD）、有源的晶体管开关和放大电路，通过这些有源电路在每个像素上已经

完成了电荷-电压的转换，并放大成有驱动能力的信号电压。然后用常规的电子

电路方法把像素信号切换到传感器外面，实现图像信号的扫描输出。

图1.7所示为一个CMOS图像传感器阵列的一部分，每个APS像素中都

包含光电二极管、有源放大器和模拟开关。像素中光电二极管PN结上光子激发

的电荷信号，经过像素上的放大器转换成电压信号，通过每个像素上的选择模拟

开关驱动，与垂直方向的一列像素共享一个列输出信号总线，然后每一列的信号

通过一个水平模拟开关选择，连接到图像信号总线上输出。

图1.7CMOS图像传感器APS像素阵列

1.3.2CMOS图像传感器的集成

CMOS图像传感器的第二个重要的特点，就是用CMOS集成半导体工艺构

成和制造。APS像素中的光电二极管、有源放大器和模拟开关，像素阵列周边

的信号转换、选择、传输和放大，以及时序控制电路都使用共同的CMOS结构

和工艺。不但这些与像素阵列相关的结构都能被轻易地集成在单一硅片上，而且

可以集成其他CMOS模拟和数字电路，一般最基本的CMOS图像传感器芯片

还都包含了信号的宽带放大和模数转换器电路，使芯片可以从引脚上直接输出数

字图像数据。高度集成不但能减少整机上的芯片数量，降低整机功耗和封装成本，

而且芯片内部的直接信号连接有利于提高信号传输的质量和速度，从而提高了转

换图像的质量。

1.3.3CMOS系统集成和数字图像革命

图像传感器的像素和像素阵列概念，实现了图像信息在平面位置上的离散

化。进一步将图像信息的模拟电压值，量化成数字数据，就完整地实现了图像信

息数字化。如前所述，CMOS图像传感器集成电路芯片，可以在单一硅片上实

现这全部过程，从接受光学图像到直接输出数字图像数据。不但如此，在CMOS

传感器和模拟数字混合的超大规模集成电路单一芯片上，还可以集成数字信号处

理（DSP）、数字图像增强、数字图像识别和数据格式转换等相关功能。

CMOS超大规模集成电路技术从20世纪70年代末开始，遵循著名的摩

尔定律（MooresLaw）迅猛发展。从20世纪80年代的10μm级精细工

艺进步到当今的10nm水平，30多年来提高了1000倍。CMOS半导体在

模拟电路和数字电路领域，在低噪声、低漏电、宽带、高速和低功耗等参数性能

上，也取得了相应的长足进步。CMOS图像传感器的工艺技术水平，以及图像

信号获取和处理的质量，也借助这些进步取得很大的发展，如图像信号的信噪比、

精细结构的像素、高速图像数据传输等，使CMOS图像传感器获取的图像在