CCD和CMOS圖像傳感器的不同之處

2013-06-14 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

CCD與CMOS傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器,兩者都是利用感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。
如下圖所示,CCD傳感器中每一行中每一個(gè)象素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)象素中,由最底端部分輸出,再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出;而在CMOS傳感器中,每個(gè)象素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路,用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。造成這種差異的原因在于:CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時(shí)不會(huì)失真,因此各個(gè)象素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理;而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲,因此,必須先放大,再整合各個(gè)象素的數(shù)據(jù)。

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左圖為CCD傳感器的結(jié)構(gòu),右圖為CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)

由于數(shù)據(jù)傳送方式不同,因此CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異,這些差異包括:
1. 靈敏度差異:由于CMOS傳感器的每個(gè)象素由四個(gè)晶體管與一個(gè)感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路),使得每個(gè)象素的感光區(qū)域遠(yuǎn)小于象素本身的表面積,因此在象素尺寸相同的情況下,CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。
2. 成本差異:由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝,可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯片中,因此可以節(jié)省外圍芯片的成本;除此之外,由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù),只要其中有一個(gè)象素不能運(yùn)行,就會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送,因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多,即使有經(jīng)驗(yàn)的廠商也很難在產(chǎn)品問世的半年內(nèi)突破 50%的水平,因此,CCD傳感器的成本會(huì)高于CMOS傳感器。
3. 分辨率差異:如上所述,CMOS傳感器的每個(gè)象素都比CCD傳感器復(fù)雜,其象素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平,因此,當(dāng)我們比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時(shí),CCD傳感器的分辨率通常會(huì)優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如,目前市面上CMOS傳感器最高可達(dá)到210萬象素的水平(OmniVision的 OV2610,2002年6月推出),其尺寸為1/2英寸,象素尺寸為4.25μm,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其尺寸與 OV2610相差不多(1/1.8英寸),但分辨率卻能高達(dá)513萬象素,象素尺寸也只有2.78mm的水平。
4. 噪聲差異:由于CMOS傳感器的每個(gè)感光二極管都需搭配一個(gè)放大器,而放大器屬于模擬電路,很難讓每個(gè)放大器所得到的結(jié)果保持一致,因此與只有一個(gè)放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比,CMOS傳感器的噪聲就會(huì)增加很多,影響圖像品質(zhì)。
5. 功耗差異:CMOS傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式,感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出,但CCD傳感器為被動(dòng)式采集,需外加電壓讓每個(gè)象素中的電荷移動(dòng),而此外加電壓通常需要達(dá)到12~18V;因此,CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外(需外加 Power IC),高驅(qū)動(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。舉例來說,OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fps的速度下運(yùn)行,功耗僅為40mW;而致力于低功耗CCD傳感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等級(jí)的產(chǎn)品,其功耗卻仍保持在90mW 以上,雖然該公司近期將推出35mW的新產(chǎn)品,但仍與CMOS傳感器存在差距,且仍處于樣品階段。
綜上所述,CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器,而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。不過,隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步,兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢(shì),例如,CCD傳感器一直在功耗上作改進(jìn),以應(yīng)用于移動(dòng)通信市場(chǎng)(這方面的代表業(yè)者為Sanyo);CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足,以應(yīng)用于更高端的圖像產(chǎn)品

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