基于4T像素结构的CMOS图像传感器设计

有源像素CMOS 图像传感器图1示出了有源像素CMO 图像传感器(Active Sensor , APS)的功能结构图其中成像部分为光极管阵列(Photo Diode Array)图l 肓澤曜CMOE 弗車锋暮E 慚功能结码團四场效应管(4T)有源像素CMO 图像传感器的每个像素由光敏二极管、复位管T 。

、转移管T1、源跟随器T 。

和行选通开关管T 。

组成，如图2所示［9］。

转移管T1，被用来将光敏二极管连接至源跟随器 T3。

，并通过复位管T2与VDD 相连.T3的栅极与T1和T2之间的N+扩散区相连。

与3T 结构的APS 相比，减 少了与T3的栅极相关的漏电流效应。

源跟随器 T3的作用是实现对信号的放大和缓 冲，改善APS 的噪声问题。

T4是用来将信号与列总线相连。

其工作过程是：首先进 入“复位状态”，T2打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，T2关闭， 光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器 T3放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通管 T4打开，信号通过列 总线输出。

CIS 图像传感器IMAM LIMF 」iryht rTTREADOUT SlUUCTUftf TT.|fOL( MKAJKi/T±PHQ-TVUIUWKEfPfR ， AK.A'*®. 匚AM 和 COKFROl JNRHpAfE I CXI, 一rnMFM^r FAME , puftr Wi 」代Met T1MIMG R«X1 巾 UVlJMJtf <U»：fkQL B 2 4丁衣漁條才示肃阳接触式图像传感器( CIS(Contact Image Sensor) 是90 年代新型图像传感器。

与电荷耦合器件(CCD相比.CIS的优点主要有a无须外加光源、光学透镜等辅助机构b具有尺寸小、重量轻、结构紧凑及便于安装c采用R a 3光源.系统功耗低d采用陶瓷基底.有良好的温度特性。

CMOS图像传感器的基本原理及设计摘要：介绍CMOS图像传感器的基本原理、潜在优点、设计方法以及设计考虑。

关键词：互补型金属－氧化物－半导体图像传感器；无源像素传感器；有源像素传感器1引言20世纪70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。

CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。

但由于工艺上的原因，敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。

CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。

但最初市场上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还无法与CCD图像传感器相比。

如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍～10倍，把噪声进一步降低，CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平，同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点，如此，CMOS图像传感器取代CCD图像传感器就会成为事实。

由于CMOS图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制得到了极大的发展，并且随着经济规模的形成，其生产成本也得到降低。

现在，CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美，这主要归功于图像传感器芯片设计的改进，以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能。

实际上，更确切地说，CMOS图像传感器应当是一个图像系统。

一个典型的CMOS 图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图像传感器很相似），所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。

事实上，当一位设计者购买了CMOS图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。

与传统的CCD图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。

2012届毕业生毕业设计说明书题目: 基于CMOS图像传感器的数据采集方案设计年月日目次1 概述 (1)1.1 选题背景 (1)1.2 研究目的和意义 (1)1.3 CMOS图像传感器国内外研究现状 (2)1.4 主要研究内容 (3)2 方案论证 (3)2.1 CMOS与CCD比较 (3)2.2 CMOS图像传感器工作原理 (5)2.3图像处理芯片选择 (7)2.4 FPGA工作原理 (7)2.5 总线介绍 (8)2.6 系统总体方案设计 (9)3 图像采集系统硬件设计 (11)3.1 图像传感器外围电路设计 (12)3.2 FPGA与图像传感器连接设计 (14)3.3 数据传输电路设计 (15)3.4采集图像缓存电路 (16)3.5 电源电路设计 (16)3.6 系统稳定性设计 (17)4 系统采集方案软件设计 (18)4.1 CMOS图像传感器数据采集流程图 (19)4.2 SCCB总线接口设计 (20)4.3 FPGA程序流程设计 (20)5 总结 (22)参考文献 (24)1 概述1.1 选题背景现代社会人们对于图像的获取的要求越来越高，不仅在日常生活中存在着视频图像的应用，在现代工业生产中图像的采集程度直接影响到整个工业的自动化水平和生产效益。

因此图像传感器获得很好的应用市场和发展机会，在应用中不断得到创新。

因此图像传感器的种类繁多，能适用于不同的场合。

在图像获取与运用中，图像传感器占据着重要的位置，因此越来越多的专家学者致力于图像处理的分析研究，并且取得了非常成功的效果。

在很长一段时间中，由于技术的限制，CCD一直垄断着图像传感器市场，使得成像技术的单一化。

近年来随着CMOS的不断完善，其独特的性能优势逐渐体现出来。

并且在研究领域得到了发展，很多技术得到了攻克。

例如抑制噪声干扰、提高分辨率等方面取得了很大突破，在市场上得到了很迅速的应用，被广泛的应用到各种图像采集系统中。

本科阶段对CMOS的研究无疑会对今后的工作产生巨大的促进作用，但是CMOS图像采集技术一直被国外垄断，国内发展并不成熟。

5T结构全局曝光CMOS图像传感器的研究与设计姚洪涛;李晓宁;田青青【摘要】阐述一种5T全局曝光像素结构的设计.通常的全局曝光CMOS图像传感器采用的是4T结构,该5T全局曝光像素结构在原有结构基础上增加一个曝光控制管,实现对曝光操作的控制,可以使曝光与积分值读出同步进行,提高图像传感器的工作效率,使其有更高的帧频,同时克服电子溢流等问题,使得其拥有更高的成像质量.【期刊名称】《现代计算机（专业版）》【年(卷),期】2018(000)031【总页数】5页(P75-79)【关键词】CMOS图像传感器;全局曝光;5T像素结构;列级ADC【作者】姚洪涛;李晓宁;田青青【作者单位】长春理工大学计算机科学技术学院,长春130022;长春理工大学计算机科学技术学院,长春130022;长春理工大学计算机科学技术学院,长春130022【正文语种】中文0 引言目前，固态图像传感器主要有两种：电荷耦合器件（Charge Couple Device，CCD）和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）。

近年来，CMOS传感器设计技术和半导体制造技术的不断发展，使得CMOS图像传感器在数码相机、数字摄像机、安防监控、手机、汽车倒车影像、医疗影像等方面有着越来越广阔的应用前景[1]。

CMOS图像传感器主要有两种曝光方式：滚筒曝光（Rolling Shutter）和全局曝光（Global Shutter）。

在滚筒曝光模式中，一帧图像中的每一行都是在不同的时间点开始和结束曝光的，下一行的曝光开始时刻比上一行延迟一个行的读出周期，最后一行的曝光开始时刻比最早曝光的一行延迟了一个帧的读出周期[2]。

在滚筒式曝光模式下，如果被拍摄物体在曝光过程中高速运动，在进行曝光的过程中，被拍摄的物体已经发生了位移。

首先曝光的图像部分和随后曝光的图像部分已经处于不同的相对位置，导致被摄物体的图像产生形变失真。

基于CMOS图像传感器的高速相机成像电路设计与研究共3篇基于CMOS图像传感器的高速相机成像电路设计与研究1高速相机成像电路是指利用CMOS图像传感器的电路，能够对高速运动的目标进行拍照，并能够准确捕捉瞬间的动作。

这种相机通常用于运动学分析，以及高速目标的轨迹重建和测量。

本文将介绍高速相机成像电路的设计与研究。

1. CMOS图像传感器CMOS图像传感器是一种用于捕捉图像的半导体器件。

它由许多感光元件组成，每个像素都能够捕捉光信号并将其转化为电信号。

CMOS图像传感器具有更高的集成度，能够提供更高的灵敏度和更快的读出速度，这使得它成为高速相机的主要组成部分。

2. 负反馈放大器高速相机需要一个能够放大信号的电路。

负反馈放大器是一种经典的放大电路，它由一个放大器和一个反馈回路组成。

反馈回路能够检测放大器输出的信号，并将其与输入信号进行比较，从而能够控制放大器的增益。

这种电路具有高的放大增益，低的输入噪声和高的带宽。

3. 模数转换器高速相机需要一个能够将模拟信号转化为数字信号的电路，以便进行数字信号处理。

模数转换器是一种能够将连续的模拟信号转化为离散的数字信号的电路。

它通常采用脉冲调制技术，将连续的信号离散化为一系列的数字信号。

这种电路具有高的转换速度和高的分辨率，能够满足高速相机的要求。

4. FPGA高速相机需要一个能够进行数字信号处理的平台。

FPGA是一种可编程逻辑器件，能够根据应用的需求进行编程。

它具有高的集成度和高的实现速度，能够快速处理数字信号。

FPGA还具有低的功耗和高的可靠性，这使得它成为高速相机的优选平台。

5. 成像电路的设计与实现高速相机的成像电路需要通过软件和硬件的结合，进行设计和实现。

首先，需要进行成像算法的设计和优化，以确保能够准确捕捉高速目标的运动轨迹。

然后，需要进行电路设计和硬件优化，以保证成像电路具有高的灵敏度、高的带宽和快速的响应速度。

最后，需要通过电路模拟和实验验证，对成像电路进行评估和优化。

温度对4管像素结构CMOS图像传感器性能参数的影响王帆;李豫东;郭旗;汪波;张兴尧【摘要】为了对4管像素结构CMOS图像传感器的空间应用提供可靠性指导,对4管像素结构的CMOS图像传感器进行了-40~80℃的变温实验,着重分析了样品器件的转换增益、满阱容量、饱和输出和暗电流等参数随温度的变化规律。

实验结果表明,随着温度的升高,样品器件的转换增益从0.02654 DN/e 下降到0.02379 DN/e,饱和输出从4030 DN下降到3396 DN,并且暗电流从22.9 e·pixel-1·s-1增长到649 e· pixel-1·s-1。

其中器件转换增益的减小应主要归因于载流子迁移率随温度升高而下降使得像素后端读出电路增益降低；饱和输出的降低则是因为转换增益的降低,因为转换增益随温度变化对饱和输出的影响要大于满阱容量随温度变化对饱和输出的影响。

%In order to provide a reliable guidance for the spatial application of the 4 T CMOS image sensor, temperature effects on 4T active pixel sensor CMOS image sensor from -40 ℃ to 80 ℃were presented. The influences of temperature on conversion gain, full well charge, saturated output and dark current of the device were investigated. The experiment results show that the conversion gain of device decreases from 0. 026 54 DN/e to 0. 023 79 DN/e, the saturated output decreases from 4 030 DN to 3 396 DN, and the dark current increases from 22. 9 e·pixel-1 ·s-1 to 649 e· pixel-1 ·s-1 with the temperature increasing. The decrease of conversion gain should be attributed to the decrease of the carrier mobility with the temperature increasing. The decrease of saturation output is mainly because of the decrease of the conversion gainwhich the influence of the conversion gain on saturated output is greater than that of the full well capacity with the change of temperature.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2016(037)003【总页数】6页(P332-337)【关键词】CMOS图像传感器;转换增益;满阱容量;暗电流;温度【作者】王帆;李豫东;郭旗;汪波;张兴尧【作者单位】中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室，新疆电子信息材料与器件重点实验室，中国科学院新疆理化技术研究所，新疆乌鲁木齐 830011; 中国科学院大学，北京100049;中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室，新疆电子信息材料与器件重点实验室，中国科学院新疆理化技术研究所，新疆乌鲁木齐 830011;中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室，新疆电子信息材料与器件重点实验室，中国科学院新疆理化技术研究所，新疆乌鲁木齐830011;中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室，新疆电子信息材料与器件重点实验室，中国科学院新疆理化技术研究所，新疆乌鲁木齐 830011; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室，新疆电子信息材料与器件重点实验室，中国科学院新疆理化技术研究所，新疆乌鲁木齐 830011; 中国科学院大学，北京 100049【正文语种】中文【中图分类】TP394.1;TH691.9相比于电荷耦合元件(Charge-coupled device,CCD)图像传感器，互补金属氧化物半导体(Complementary metal oxide semiconductor，CMOS)图像传感器有着低功耗、充足的设计资源和制造工艺成本低等优势。