CCD和CMOS圖像傳感器的不同之處

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

CCD與CMOS傳感器是當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)進行光電轉換,將圖像轉換為數字數據,而其主要差異是數字數據傳送的方式不同。
如下圖所示,CCD傳感器中每一行中每一個象素的電荷數據都會依次傳送到下一個象素中,由最底端部分輸出,再經由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出;而在CMOS傳感器中,每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路,用類似內存電路的方式將數據輸出。造成這種差異的原因在于:CCD的特殊工藝可保證數據在傳送時不會失真,因此各個象素的數據可匯聚至邊緣再進行放大處理;而CMOS工藝的數據在傳送距離較長時會產生噪聲,因此,必須先放大,再整合各個象素的數據。

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左圖為CCD傳感器的結構,右圖為CMOS傳感器的結構

由于數據傳送方式不同,因此CCD與CMOS傳感器在效能與應用上也有諸多差異,這些差異包括:
1. 靈敏度差異:由于CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構成(含放大器與A/D轉換電路),使得每個象素的感光區域遠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據,只要其中有一個象素不能運行,就會導致一整排的數據不能傳送,因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多,即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內突破 50%的水平,因此,CCD傳感器的成本會高于CMOS傳感器。
3. 分辨率差異:如上所述,CMOS傳感器的每個象素都比CCD傳感器復雜,其象素尺寸很難達到CCD傳感器的水平,因此,當我們比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時,CCD傳感器的分辨率通常會優于CMOS傳感器的水平。例如,目前市面上CMOS傳感器最高可達到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傳感器的每個感光二極管都需搭配一個放大器,而放大器屬于模擬電路,很難讓每個放大器所得到的結果保持一致,因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比,CMOS傳感器的噪聲就會增加很多,影響圖像品質。
5. 功耗差異:CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式,感光二極管所產生的電荷會直接由晶體管放大輸出,但CCD傳感器為被動式采集,需外加電壓讓每個象素中的電荷移動,而此外加電壓通常需要達到12~18V;因此,CCD傳感器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外(需外加 Power IC),高驅動電壓更使其功耗遠高于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等級的產品,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。不過,隨著CCD與CMOS傳感器技術的進步,兩者的差異有逐漸縮小的態勢,例如,CCD傳感器一直在功耗上作改進,以應用于移動通信市場(這方面的代表業者為Sanyo);CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足,以應用于更高端的圖像產品

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