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CCD传感器与CMOS传感器的优劣

传感技术 | 发布时间:2017-08-27 | 人气: | #评论# |本文关键字:传感器,CCD传感器,CMOS传感器
摘要:CCD传感器与CMOS传感器两者在结构、性能和技术上均不尽相同,在此我将两者作一个简单的比较,使广大读者对CCD和CMOS能有一个比较初步的认识。 CCD和CMOS传感器是目前最常见的数字图像

CCD传感器与CMOS传感器两者在结构、性能和技术上均不尽相同,在此我将两者作一个简单的比较,使广大读者对CCD和CMOS能有一个比较初步的认识。

CCD和CMOS传感器是目前最常见的数字图像传感器,广泛应用于数码相机、数码摄像机、照相手机和摄像头等产品上。两者在结构、性能和技术上均不尽相同,在此我将两者作一个简单的比较,使广大读者对CCD和CMOS能有一个比较初步的认识,在选购相关产品时也能做到心中有数。

CCD与CMOS传感器的结构比较

CCD(Charge Coupled Device),即“电荷耦合器件”,是一种感光半导体芯片,用于捕捉图形,但CCD没有能力记录图形数据,也没有能力永久保存,所有图形数据都会不停留地送入一个模数转换器,一个信号处理器以及一个存储设备。1970美国贝尔实验室发明了CCD。二十年后,人们利用这一技术制造了数码相机,将影像处理行业推进到一个全新领域。 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor),即“互补金属氧化物半导体”。它是计算机系统内一种重要的芯片,保存了系统引导所需的大量资料。有人发现,将CMOS加工也可以作为数码相机中的感光传感器,其便于大规模生产和成本低廉的特性是商家们梦寐以求的。

  从四大方面分析CCD传感器与CMOS传感器的优劣

CCD和CMOS在制造上的主要区别主要是CCD是集成在半导体单晶材料上,而CMOS是集成在被称为金属氧化物的半导体材料上,工作原理没有本质的区别,都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换,这种转换的原理与太阳能电子计算机的太阳能电池效应相近,光线越强、电力越强;反之,光线越弱、电力也越弱。根据此原理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。

比较CCD和CMOS的结构,ADC(数模转换器)的位置和数量是最大的不同。CCD每曝光一次,在快门关闭后进行像素转移处理,将每一行中每一个像素的电荷信号依序传入“缓冲器”中,由底端的线路引导输出至CCD边缘的放大器进行放大,再串联ADC输出;而CMOS的设计中每个像素旁边都直接连着ADC,电荷信号直接放大并转换成数字信号。造成这种差异的原因在于CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真,因此各个像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,必须先放大,再整合各个像素的数据。

CCD与CMOS传感器的技术比较

CCD存储的电荷信息,需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取,电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合,整个电路较为复杂而且速度较慢。而CMOS传感器经光电转换后直接产生电流(或电压)信号,信号读取十分简单,还能同时处理各单元的图像信息,速度也比CCD快很多。CCD制作技术起步早,技术成熟,采用PN结或二氧化硅(SiO2)隔离层隔离噪声,成像质量相对CMOS有一定优势。由于CMOS集成度高,各光电传感元件、电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较严重,噪声对图像质量影响很大,使CMOS很长一段时间无法投入实用。近几年,随着CMOS电路消噪技术的不断发展,CMOS的性能已经与CCD相差无几了。

CCD与CMOS传感器的性能比较

ISO感光度:由于CMOS每个像素由四个晶体管与一个感光二极管构成,还包含了放大器与数模转换电路,过多的额外设备缩小了单一像素感光区域的表面积,因此相同像素下,同样的尺寸,CMOS的感光度会低于CCD。

分辨率:由于CMOS传感器的每个像素都比CCD传感器复杂,其像素尺寸很难达到CCD传感器的水平,因此,当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS时,CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器。

噪点:由于CMOS每个感光二极管都需搭配一个放大器,如果以百万像素计,那么就需要百万个以上的放大器,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一致,因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比,CMOS传感器的噪点就会增加很多,影响图像品质。

  从四大方面分析CCD传感器与CMOS传感器的优劣

耗电量: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旁边的电晶体做放大输出;而CCD传感器为被动式采集,必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12~18V,因此CCD还必须有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使CCD的耗电量远高于CMOS。CMOS的耗电量仅为CCD的1/8到1/10。

成本: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、Timing generator或DSP等)集成到传感器芯片中,因此可以节省外围芯片的成本;而CCD采用电荷传递的方式传送数据,只要其中有一个像素不能运行,就会导致一整排的数据不能传送,因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多,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传感器的制造成本会高于CMOS传感器。

CCD与CMOS传感器的前景

CCD在影像品质等方面均优于CMOS,而CMOS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,两者的差异将逐渐减小,新一代的CCD传感器一直在功耗上作改进,而CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足。相信不断改进的CCD与CMOS传感器将为我们带来更加美好的数码影像世界。


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