原创 CCD与cmos的区别

 2011-8-29 10:18  1516 6 6 分类: EDA/ IP/ 设计与制造

基本上两者都是利用矽感光二极体（photodiode）进行光与电的转换。这种转换的原理与各位手上具备“太阳电能”电子计算机的“太阳能电池”效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱的道理，将光影像转换为电子数字信号。

　比较 CCD 和 CMOS 的结构，ADC的位置和数量是最大的不同。简单的说，按我们在上一讲“CCD 感光元件的工作原理（上）”中所提之内容。CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传ight: 20px; color: rgb(51, 51, 51); ">两者优缺点的比较 
			CCD 							CMOS 
设计 		单一感光器 						感光器连接放大器 
灵敏度 		同样面积下高 						感光开口小，灵敏度低 
成本 		线路品质影响程度高，成本高 			CMOS整合集成，成本低 
解析度 		连接复杂度低，解析度高 				解析度低，新技术高 
噪点比 		单一放大，噪点低 					百万放大，噪点高 
功耗比 		需外加电压，功耗高					 直接放大，功耗低

CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；

CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。

	ISO 感光度差异：由于 CMOS 每个像素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此 相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。 

　　成本差异：CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失；相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出资讯，必须另辟传输通道，如果通道中有一个像素故障（Fail），就会导致一整排的 讯号壅塞，无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。 

　　解析度差异：在第一点“感光度差异”中，由于 CMOS 每个像素的结构比 CCD 复杂，其感光开口不及CCD大， 相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 像素 / 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。 

　　噪点差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的 ADC 放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪点就比较多。 

　　耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式， 必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使 CCD 的电量远高于CMOS。

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1.灵敏度

灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。CCD图像传感器灵敏度较CMOS图像传感器高30%~50%。这主要因为CCD像元耗尽区深度可达10 mm,具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力。CMOS图像传感器由于采用0.18~ 0.5 mm标准CMOS工艺,由于采用低电阻率硅片须保持低工作电压,像元耗尽区深度只有1 ~2mm,其吸收截止波长小于650 nm,导致像元对红光及近红外光吸收困难。

2.电子-电压转换率

电子-电压转换率表示每个信号电子转换为电压信号的大小。由于CMOS图像传感器在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构,其电压转换率略优于CCD图像传感器。CCD图像传感器要达到同样的电压转换率需要付出进一步增大器件功耗的代价。CCD研制者正进一步研究新的读出放大器结构以提高响应率。

3.动态范围

动态范围表示器件的饱和信号电压与最低信号阈值电压的比值。在可比较的环境下,CCD动态范围约较CMOS的高2倍。主要由于CCD芯片物理结构决定通过电荷耦合,电荷转移到共同的输出端几乎没有噪声,使得CCD器件噪声可控制在极低的水平。CMOS器件由于其芯片结构决定它具有较多的片上放大器、寻址电路、寄生电容等,导致器件噪声相对较大,这些噪声即使通过采用外电路进行信号处理、芯片冷却、采用好的光学系统等手段,CMOS器件的噪声仍不能降到与CCD器件相当的水平。CCD的低噪声特性是由其物理结构决定的。

4.响应均匀性

由于硅圆片工艺的微小变化、硅片及工艺加工引入缺陷、放大器变化等导致图像传感器光响应不均匀。响应均匀性包括有光照和无光照(暗环境)两种环境条件。CMOS图像传感器由于每个像元中均有开环放大器,器件加工工艺的微小变化导致放大器的偏置及增益产生可观的差异,且随着像元尺寸进一步缩小,差异将进一步扩大,使得在有光照和暗环境两种条件下CMOS图像传感器的响应均匀性较CCD有较大差距。CMOS图像传感器研制者研究采用反馈放大器等技术改进有光照条件下的均匀性,使之逐渐接近CCD的均匀性水平。尽管CMOS图像传感器研制者投入大量的努力降低暗环境下器件响应不均匀性,但CMOS放大器偏置变化导致的暗环境下器件响应仍较CCD有较大差距。这在高速摄像应用中由于信号弱,暗环境不均匀性将显著降低图像质量。

5.暗电流

标准CMOS图像传感器具有较高的暗电流,暗电流密度为1nA/cm2量级,经过工艺最佳化后可降低到100 pA/cm2量级,而精心制作的CCD的暗电流密度为2~10 pA/cm2。

6.电子快门

快门代表了任意控制曝光开始和停止的能力。CCD像感器特别是内线转移结构像感器具有优良的电子快门功能,由于器件可纵向从衬底排除多余电荷,电子快门功能几乎不受像元尺寸缩小的限制,不会挤占光敏区面积而降低器件占空比。CMOS像感器在每个像元中需要一定数量的晶体管来实现电子快门功能,增加电子快门功能将增加像元中的晶体管数量,压缩感光区的面积,降低器件的占空比,特别在像元尺寸进一步缩小时此矛盾更为突出。CMOS像感器设计者采用在不同时间对不同行进行曝光的滚动快门方式解决此问题。这种方式减少了像元中的晶体管数,提高了占空比,但在高性能应用中运动目标会出现明显的图像变形,因此只适合某些商业应用。此外可采用较大尺寸的像元以兼顾图像高性能和具有与CCD类似的同时曝光的电子快门功能。

7.速度

由于大部分相机电路可与CMOS图像传感器在同一芯片上制作,信号及驱动传输距离缩短,电感、电容及寄生延迟降低,信号读出采用X-Y寻址方式,CMOS图像传感器工作速度优于CCD。通常的CCD像感器由于采用顺序传输电荷,组成相机的电路芯片有3~8片,信号读出速率不超过70 Mpixels/s。CMOS像感器设计者采用将模数转换(ADC)作在每个像元中,使CMOS像感信号读出速率可达1000 Mpixels/s。

8.窗口

CMOS图像传感器由于信号读出采用X-Y寻址方式,具有读出任意局部画面的能力,这使它可以提高感兴趣的小区域的帧或行频。这种功能可用于在画面局部区域进行高速瞬时精确目标跟踪。CCD图像传感器由于其顺序读出信号结构决定它在画面开窗口的能力受到限制。

9.抗晕能力

抗晕能力指将过度曝光产生的多余电荷排除像元,不影响画面其他部分的能力。通常的CMOS的像元结构决定它具有自然的抗晕能力。CCD图像传感器需要特殊的结构设计才能具有抗晕能力。大多数商用CCD均具有抗晕能力,但高性能的科学级CCD由于其多用于弱信号探测,通常未设计抗晕结构。

10.偏置与功耗

CMOS图像传感器通常在单一的较低外接信号偏置电压与时钟电平下工作,非标准电压偏置通过芯片内部转换解决。典型的CCD像感器需要几组较高的偏置电压才能工作,近期的CCD器件通过改进,其时钟工作电压降低到与CMOS相近,但其输出放大器偏压仍较高。CMOS图像传感器在像元区功耗明显低于CCD图像传感器,但CMOS相机的其他电路部分可能比采用专门设计的CCD驱动与信号处理ASIC电路功耗要高。从相机系统角度来说,通常情况CMOS相机与CCD相机相比功耗较低,但在高速应用情况下(时钟频率高于25 MHz),二者功耗差别不明显。