CCD与CMOS传感器技术与应用.docx

PAGE 1 PAGE 1 CCD与CMOS传感器技术与应用  本文将首先简介CCD与CMOS传感器在原理方面的差异，再探讨领导厂商的技术发展蓝图，了解这些不同的图像传感器在应用市场上的发展趋势。  随着数码相机、手机相机的兴起，图像传感器正渐渐成为半导体产品中最刺眼的明星之一，而在图像传感器中，日商所独占的CCD传感器与百家争鸣的CMOS传感器都在尽力克服自身的缺点，期望成为市场上的主流技术。鉴于此，本文将首先简介CCD与CMOS传感器在原理方面的差异，再探讨领导厂商的技术发展蓝图，了解这些不同的图像传感器在应用市场上的发展趋势。  CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。  如图1所示，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。  造成这种差异的原因在于：CCD的特别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，必需先放大，再整合各个象素的数据。  由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：  1、灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的状况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。  2、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、Timinggenerator、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节约外围芯片的成本；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，因此掌握CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难很多，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。  3、辨别率差异：如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的辨别率通常会优于CMOS传感器的水平。例如，目前市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的OV2610，2002年6月推出)，其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但辨别率却能高达513万象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。  4、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全都，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许多，影响图像品质。  5、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(需外加powerIC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说，OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在30fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW以上，虽然该公司近期将推出35mW的新产品，但仍与CMOS传感器存在差距，且仍处于样品阶段。  综上所述，CCD传感器在灵敏度、辨别率、噪声掌握等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有渐渐缩小的态势，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(这方面的代表业者为Sanyo)；CMOS传感器则在改善辨别率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品，我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出一些端倪。