CMOS感光器及其应用领域

在CMOS像素中,光学检测单元和前端电路被称为感光器。在这部分中,我们会研究和比较基于光敏二极管的感光器电路,这种电路可以把输入的光信号转换成电荷、电流或者电压。感光器电路以它们的工作方式进行分类,包括积分/采样或者连续时间方式。

图4.5 一个CCD电荷的转移周期。其中,时钟相位ϕ₁,ϕ₂加在门G1～G4上, 相应于时钟信号,电荷包的表面势能Ψ在变化的势阱间转移

在给定的积分阶段,采样像素对从检测器到电容器的感应光电流进行积分。通常,光敏二极管本身的寄生电容作为积分电容。在每次积分前,光敏二极管都会复位并且电容在给定的参考电压下提前充电。在复位信号后的一个给定时间内,通过电容器的电压构成了输出信号,同时也携带此时入射光的信息。连续时间的感光器把连续的光电流直接转换成输出电压或电流。许多“智能”视觉传感器就是利用连续时间感光器,在时间域或者空间域上处理前期视觉信号。

有三种基本类型的感光器,电荷模式、电流模式和电压模式。电荷模式电路是积分/采样像素的基本结构,而电流模式和电压模式电路组成了基本的连续时间感光器类型。在参考文献[578]中,详细比较和介绍了基于信息速率的感光器。

积分（电荷模式）感光器（见图4.6a）由一个光敏二极管和一个复位电路组成。由行选择开关晶体管和一个跟随缓冲器完成,这种结构组成了基本的CMOS有源像素传感器,APS可在大多数的CMOS图像传感器找到,基于以欧姆为单位的电阻,线性电压模式电路（见图4.6b）将光电流转换为输出电压。通过使用I-V特性为对数曲线的负载元件,可以实现亮度信息的对数编码。这是有用的,例如,增加了传感器的动态范围。连续时间电压模式感光器可用于许多“智能”视觉和图像传感器,将在本节后面介绍。在电流模式感光器（见图4.6c）中光电流直接发送到一个处理电路。与像素级的信号处理相比,该方案具有一定的优势。将在4.6.1节讨论。(www.xing528.com)

图4.6 基本的CMOS感光器

a）电荷模式（积分） b）电压模式（连续） c）电流模式（连续）

下面的内容将涉及CMOS图像传感器,在基本图像传感技术方面对CCD和CMOS进行比较,并给出结论。CMOS图像传感器的概述以及其应用可以在参考文献[188,62,585,414]中查到。