CMOS即互补金属氧化物半导体，它开始是计算机系统内的一种重要芯片。后来有人发现，将CMOS与光电二极管加工一起，也可以做成一种感光的图像传感器，尤其CMOS有制作工艺简单，又便于大规模生产和成本低廉等特性，这大大吸引着商家，因而投资研发出来。

       与CCD相比，CMOS图像传感器最明显的优势是器件结构简单、集成度高、功耗小、生产成品率高、成本低、容易与其他芯片整合。例如，可以将模/数转换、控制芯片等集成在一起,使图像数据不必在迷宫般的电路中被传来送去，因而极大地提高了捕获速度。此外，CMOS的功耗仅相当于CCD功耗的1/10?1/8,可以制造岀微型化、智能化成像产品，从而可开拓更多的新的应用领域。

CMOS成像器件的结构及原理 1.CMOs图像传感器的像素单元结构及原理

       CMOS图像传感器的最基本的像素单元结构，是在MOS场效应管的基础上加上光电二极管构成的，其最基本的像素结构如图4-23所示。图4-23(a)为CMOS成像器结构的无源像素传感器(PPS),它用两个NMOS场效应管构成最简单的像素，在低光照时有低的信噪比，有较低的空间噪声，高读出噪声；图4-23(b)为有源像素传感器(APS),它用三个NMOS场效应管构成，在低光照时有高的信噪比，有较低的时间噪声。但需要使用微透镜。目前，CMOS摄像机大多釆用图4-23(b)所示的结构。

       在图4-23(b)中，场效应管VT1是光电二极管的负载，它起开关作用，其栅极接复位信号。当有复位脉冲时，VT1导通，光电二极管被瞬时复位；复位脉冲消失后，VE截止，光电二极管开始积分光信号。VT2就是一源极跟随放大器，图4-23(a)没有，它将光电二极管的输出信号进行电流放大。VT3是用于选址的开关，只有当选通脉冲引入时，它才导通，从而使得被放大的光电信号输送到列总线上。因此，对APS的CMOS成像阵列来说，在每一个像素位置都有一个放大器，在一个较低的带宽下，在帧频需要复位时使离散的信号电荷包转变成一个电压，因为是在较低带宽内对信号的放大，所以提高了信噪比。这是这种CMOS成像器件的一个优点。因此，APS比PPS具有低读岀噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂一些，使填充系数降低(其填充系数一般只有20%?30%)。

图4-23     CMOS图像传感器基本的像素单元结构

       有源像素单元的时序图如图4-24所示，当复位脉冲来时，V「开通，此时光电二极管复位；当复位脉冲消失后，VT2截止，光电二极管进行光积分；光积分结束时；VT3开通，此时输出光电信号。

       随着大规模集成电路的进展，在每一个像素位置，还可以增加电子快门、转移阻抗放大器以及取样保持电路等，虽可能增加像素的复杂性，但附加的优点是降低了固定图像噪声。但每一像素里电路的增加又减少了光电二极管可利用的面积，目前只好在每个像素位置，配置能定向入射光电二极管的微透镜而减少照度的损失。

图4-24  有源xiangsu像素单元的时序图 

       CMOS-APS成像器件的另一个优点是，在每一个像素位置放大的信号电压被切换到列缓冲器，然后至输出放大器的。由于信号电压直接被切换到输出放大器，在转换的过程中没有信号电荷的流失，因而也就没有图像的拖尾现象。

2.CMOS图像传感器的总体结构及原理

       典型的CMOS图像传感器的总体结构如图4-25所示，其主要组成部分是光电二极管与MOS场效应管和放大器组成的像敏单元的复合结构的图像传感器阵列（包含行选择、列选择及列放大器及执行相关双采样CDS功能等）、模拟信号处理电路、视频定时控制电路、曝光与白平衡等控制电路、PC总线接口电路、A/D转换电路及预处理电路等，这些电路均集成在同一芯片上。

图4-25CMOS图像传感器的总体结构

       CMOS图像传感器中的像敏单元阵列按x和y方向上的地址，并分别由x和y方向的地址译码器（一般釆用移位寄存器）进行选择，即所谓的列选择与行选择。并且，每一列像敏单元都对应一个列放大器，而列放大器的输出信号分别接到由x方向的地址译码控制器进行选择的模拟多路开关，其输出经模拟信号处理与输出放大到A/D转换，最后经预处理电路后输出。