在本文中，您将了解 CMOS 图像传感器的基础知识，包括其核心组件、框图、优势和劣势以及应用。

图像传感器是数字成像系统的主要组成部分之一，对整体系统性能有很大影响。两种主要类型的图像传感器是电荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 成像器。在本文中，我们将了解 CMOS 图像传感器的基础知识。

查看我们的电荷耦合器件 (CCD) 图像传感器系列。您可以从CCD 的结构和功能开始。

CMOS光电探测器

大多数 CMOS 光电探测器都基于 PN 结光电二极管的操作。当光电二极管反向偏置时（并且反向电压小于雪崩击穿电压），与入射光强度成比例的电流分量将流过二极管。该电流分量通常称为光电流。

由于光电流随光强度线性增加，我们可以使用光电二极管来构建光电探测器。这种光检测结构的抽象表示如下所示。

(a) 示例光电探测器的示意图 (b) 光电流值随时间的变化。图片由Abbas El Gamal提供。

复位开关在曝光周期开始时闭合，以将光电二极管反向偏置到电压 VD。接下来，开关打开并产生与入射光强度成比例的光电流。该电流在毫微微安培到微微安培范围内，并且太小而无法直接测量。如果我们让光电二极管暴露在光线下一段设定的时间，着色，电流将在二极管电容 CD 上积分。存储的电荷为我们提供了更容易测量的更强的累积信号。此外，所包含的平均过程使累积的信号更忠实地表示测量的光强度，尤其是在处理微弱或嘈杂的信号时。

请注意，井容量 Qwell 设置了 CD 可以容纳的电荷量的上限。超过一定的光强，二极管就会饱和，累积的电荷会等于一个较大值，如上图所示。因此，需要谨慎选择积分周期。 

另一个应该考虑的非理想效应是，除了光电流之外，还有另一个称为暗电流的电流分量流过二极管。暗电流是在没有光的情况下产生的电流。需要较小化该电流分量以强化设备灵敏度。

CMOS 图像传感器的框图

CMOS 图像传感器的基本结构如下所示。

图片由爱特蒙特光学提供。

光电探测器的二维阵列用于感测入射光强度。光电探测器产生的电荷被转换为电压信号，并通过“行选择”和“列选择”开关阵列传递到输出放大器。ADC 用于数字化放大的信号。

为了执行读出，给定行的像素值被并行传输到一组存储电容器（上面未示出），然后，这些传输的像素值被顺序读出。

上图显示了一个 APS（主动像素传感器）架构。在 APS 器件中，每个像素位置不仅包含光电二极管，还包含放大器。一种更简单的架构，称为 PPS（无源像素传感器），不会将放大器集成到像素中。在 DPS（数字像素传感器）设备中，每个像素都有自己的模数转换器和内存块。因此，DPS 架构中的像素输出与光强度成比例的数字值。

DPS 或图表像素传感器的示意图。图片由Abbas El Gamal提供。

CMOS图像传感器的优缺点

顾名思义，CMOS 图像传感器采用标准 CMOS 技术制造。这是一个主要优势，因为它允许我们将传感器与成像系统所需的其他模拟和数字电路集成。集成解决方案使我们能够降低功耗并提高读出速度。其他图像传感器技术并非如此，例如电荷耦合器件 (CCD)，它们基于针对电荷转移和成像而优化的专用制造技术。    

CMOS 图像传感器的一个缺点是读出路径中有几个有源器件会产生随时间变化的噪声。此外，制造不一致会导致不同像素的电荷-电压放大器之间的不匹配。这会导致固定模式噪声，即使它们暴露在均匀照明下，不同的像素也会产生不同的值。

对于许多 CMOS 图像传感器，不同像素行的曝光周期开始时间略有不同。通常，行从上到下依次重置。在给定行的积分时间过去后，它的读数应该开始。因此，光积分从上到下依次发生，就像复位过程一样。在捕捉快速移动的物体时，这可能会导致一种称为卷帘快门伪影的失真。这是因为在捕捉到所有像素时，具有快速移动对象的场景可能会发生变化。滚动快门伪影表现为捕捉场景中的一些非刚性或弯曲。如下图所示。

图片由安森美半导体提供。

现代 CMOS 传感器具有更快的读出速率，并且可以更轻松地避免这种非理想效应。此外，还有带全局快门的 CMOS 图像传感器，所有像素的复位和曝光周期同时发生。在积分时间结束时，不同像素的累积电荷同时传输到存储区域以进行进一步处理。由于所有像素的曝光周期是同时发生的，所以不会出现卷帘快门效应。 

结论

反向偏置光电二极管产生与入射光强度成比例的电流分量。这些光电探测器的二维阵列可用于实现 CMOS 图像传感器。CMOS 图像传感器中的像素可能具有不同级别的复杂性。例如，CMOS 图像传感器的像素不仅可以包含光电二极管，还可以包含放大器。DPS（数字像素传感器）设备使用更复杂的像素，其中每个像素都有自己的模数转换器和内存块。

CMOS 图像传感器的优点是可以将传感器与成像系统所需的其他模拟和数字电路集成在一起。可能会降低 CMOS 图像传感器性能的两个噪声源是不同像素组件之间的制造不匹配以及来自读出路径中的有源器件的噪声。