CMOS圖像傳感器的基本原理及設(shè)計(jì)

1、CMOS圖像傳感器的基本原理及設(shè)計(jì)摘 要：介紹CMOS圖像傳感器的基本原理、潛在優(yōu)點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)考慮。 關(guān)鍵詞：互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器；無(wú)源像素傳感器；有源像素傳感器 1引言 20世紀(jì)70年代，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器同時(shí)起步。CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，敏感元件和信號(hào)處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像傳感器組裝的攝像機(jī)體積大、功耗大。CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場(chǎng)上獨(dú)樹(shù)一幟。但最初市場(chǎng)上的CMOS圖像傳感器，一直沒(méi)有擺脫光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點(diǎn)，圖像質(zhì)量還無(wú)法與CCD

2、圖像傳感器相比。 如果把CMOS圖像傳感器的光照靈敏度再提高5倍10倍，把噪聲進(jìn)一步降低，CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量就可以達(dá)到或略微超過(guò)CCD圖像傳感器的水平，同時(shí)能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價(jià)位低等優(yōu)點(diǎn)，如此，CMOS圖像傳感器取代CCD圖像傳感器就會(huì)成為事實(shí)。 由于CMOS圖像傳感器的應(yīng)用，新一代圖像系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制得到了極大的發(fā)展，并且隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的形成，其生產(chǎn)成本也得到降低。現(xiàn)在，CMOS圖像傳感器的畫(huà)面質(zhì)量也能與CCD圖像傳感器相媲美，這主要?dú)w功于圖像傳感器芯片設(shè)計(jì)的改進(jìn)，以及亞微米和深亞微米級(jí)設(shè)計(jì)增加了像素內(nèi)部的新功能。 實(shí)際上，更確切地說(shuō)，CMOS圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個(gè)

3、圖像系統(tǒng)。一個(gè)典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個(gè)圖像傳感器核心（是將離散信號(hào)電平多路傳輸?shù)揭粋€(gè)單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似），所有的時(shí)序邏輯、單一時(shí)鐘及芯片內(nèi)的可編程功能，比如增益調(diào)節(jié)、積分時(shí)間、窗口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。事實(shí)上，當(dāng)一位設(shè)計(jì)者購(gòu)買(mǎi)了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個(gè)包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲(chǔ)器、定時(shí)脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD圖像系統(tǒng)相比，把整個(gè)圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價(jià)格更低的優(yōu)點(diǎn)。2基本原理 從某一方面來(lái)說(shuō)，CMOS圖像傳感器在每個(gè)像素位置內(nèi)都有一個(gè)放大器，這就使其能在很低的帶寬情況下把離散

4、的電荷信號(hào)包轉(zhuǎn)換成電壓輸出，而且也僅需要在幀速率下進(jìn)行重置。CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一就是它具有低的帶寬，并增加了信噪比。由于制造工藝的限制，早先的CMOS圖像傳感器無(wú)法將放大器放在像素位置以內(nèi)。這種被稱為PPS的技術(shù)，噪聲性能很不理想，而且還引來(lái)對(duì)CMOS圖像傳感器的種種干擾。 然而今天，隨著整理工藝的提高，使在像素內(nèi)部增加復(fù)雜功能的想法成為可能?，F(xiàn)在，在像素位置以內(nèi)已經(jīng)能增加諸如電子開(kāi)關(guān)、互阻抗放大器和用來(lái)降低固定圖形噪聲的相關(guān)雙采樣保持電路以及消除噪聲等多種附加功能。實(shí)際上，在Conexant公司（前Rockwell半導(dǎo)體公司）的一臺(tái)先進(jìn)的CMOS攝像機(jī)所用的CMOS圖傳感器上，每一個(gè)

5、像素中都設(shè)計(jì)并使用了6個(gè)晶體管，測(cè)試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過(guò)，隨著像素內(nèi)電路數(shù)量的不斷增加，留給感光二極管的空間逐漸減少，為了避免這個(gè)比例（又稱占空因數(shù)或填充系數(shù)）的下降，一般都使用微透鏡，這是因?yàn)槊總€(gè)像素位置上的微小透鏡都能改變?nèi)肷涔饩€的方向，使得本來(lái)會(huì)落到連接點(diǎn)或晶體管上的光線重回到對(duì)光敏感的二極管區(qū)域。 因?yàn)殡姾杀幌拗圃谙袼匾詢?nèi)，所以CMOS圖像傳感器的另一個(gè)固有的優(yōu)點(diǎn)就是它的防光暈特性。在像素位置內(nèi)產(chǎn)生的電壓先是被切換到一個(gè)縱列的緩沖區(qū)內(nèi)，然后再被傳輸?shù)捷敵龇糯笃髦?，因此不?huì)發(fā)生傳輸過(guò)程中的電荷損耗以及隨后產(chǎn)生的光暈現(xiàn)象。它的不利因素是每個(gè)像素中放大器的閾值電壓都有細(xì)小的差別

6、，這種不均勻性就會(huì)引起固定圖像噪聲。然而，隨著CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的不斷改進(jìn)，這種效應(yīng)已經(jīng)得到顯著弱化。 這種多功能的集成化，使得許多以前無(wú)法應(yīng)用圖像技術(shù)的地方現(xiàn)在也變得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安攝像機(jī)、嵌入在顯示器和膝上型計(jì)算機(jī)顯示器中的攝像機(jī)、帶相機(jī)的移動(dòng)電路、指紋識(shí)別系統(tǒng)、甚至于醫(yī)學(xué)圖像上所使用的一次性照相機(jī)等，這些都已在某些設(shè)計(jì)者的考慮之中。3設(shè)計(jì)考慮 然而，這個(gè)行業(yè)還有一個(gè)受到普遍關(guān)注的問(wèn)題，那就是測(cè)量方法，具體指標(biāo)、陣列大小和特性等方面還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。每一位工程師在比較各種資料一覽表時(shí)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)在一張表上列出的是關(guān)于讀出噪聲或信噪比的資料，而在另一張

7、表上可能只是強(qiáng)調(diào)關(guān)于動(dòng)態(tài)范圍或最大勢(shì)阱容量的資料。因此，這就要求設(shè)計(jì)者們能夠判斷哪一個(gè)參數(shù)對(duì)他們最重要，并且盡可能充分利用多產(chǎn)品的CMOS圖像傳感器家族。 一些關(guān)鍵的性能參數(shù)是任何一種圖像傳感器都需要關(guān)注的，包括信噪比、動(dòng)態(tài)范圍、噪聲（固定圖形噪聲和讀出噪聲）、光學(xué)尺寸以及電壓的要求。應(yīng)當(dāng)知道并用來(lái)對(duì)比的重要參數(shù)有：最大勢(shì)阱容量、各種工作狀態(tài)下的讀出噪聲、量子效率以及暗電流，至于信噪比之類的其它參數(shù)都是由那些基本量度推導(dǎo)出來(lái)的。 對(duì)于像保安攝像機(jī)一類的低照度級(jí)的應(yīng)用，讀出噪聲和量子效應(yīng)最重要。然而對(duì)于象戶外攝影一類的中、高照度級(jí)的應(yīng)用，比較大的最大勢(shì)阱容量就顯得更為重要。 動(dòng)態(tài)范圍和信噪比是最

8、容易被誤解和誤用的參數(shù)。動(dòng)態(tài)范圍是最大勢(shì)阱容量與最低讀出噪聲的比值，它之所以引起誤解，是因?yàn)樽x出噪聲經(jīng)常不是在典型的運(yùn)行速度下測(cè)得的，而且暗電流散粒噪聲也常常沒(méi)有被計(jì)算在內(nèi)。信噪比主要決定于入射光的亮度級(jí)（事實(shí)上，在亮度很低的情況下，噪聲可能比信號(hào)還要大）。 所以，信噪比應(yīng)該將所有的噪聲源都考慮在內(nèi)，有些資料一覽表中常常忽略散粒噪聲，而它恰恰是中、高信號(hào)電平的主要噪聲來(lái)源。而SNRDARK得到說(shuō)明，實(shí)際上與動(dòng)態(tài)范圍沒(méi)有什么兩樣。數(shù)字信噪比或數(shù)字動(dòng)態(tài)范圍是另一個(gè)容易引起混淆的概念，它表明的只是模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器的一個(gè)特性。雖然這可能很重要，但它并不能精確地描述圖像的質(zhì)量。同時(shí)我們也應(yīng)清楚

9、地認(rèn)識(shí)到，當(dāng)圖像傳感器具有多個(gè)可調(diào)模擬增益設(shè)置時(shí)，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率不會(huì)對(duì)圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生限制。 光學(xué)尺寸的概念的模糊，是由于傳統(tǒng)觀念而致。使用光導(dǎo)攝像管只能在部分范圍內(nèi)產(chǎn)生有用的圖像。它的計(jì)算包括度量單位的轉(zhuǎn)換和向上舍入的方法。采用向上舍入的方法，先以毫米為單位測(cè)量圖像傳感器的對(duì)角線除以16，就能得到以英寸為單位的光學(xué)尺寸。例如0.97cm的尺寸是1.27cm而不是0.85cm。假如你選擇了一個(gè)光學(xué)尺寸為0.85cm的圖像傳感器，很可能出現(xiàn)圖像的四周角落上的映影（陰影）現(xiàn)象。這是因?yàn)橛行┵Y料一覽表欺騙性地使用了向下舍入的方法。例如，將0.97cm的尺寸稱為0.85cm,理由很簡(jiǎn)

10、單：0.85cm光學(xué)尺寸的圖像傳感器的價(jià)格要比1.27cm光學(xué)尺寸的圖像傳感器的價(jià)格低得多，但是這對(duì)系統(tǒng)工作性能產(chǎn)生不利影響。所以，設(shè)計(jì)者應(yīng)該通過(guò)計(jì)算試用各種不同的圖像傳感器來(lái)得到想要的性能。 CMOS圖像傳感器的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是它只要求一個(gè)單電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置。不過(guò)設(shè)計(jì)者仍應(yīng)謹(jǐn)慎地布置電路板驅(qū)動(dòng)芯片。根據(jù)實(shí)際要求，數(shù)字電壓和模擬電壓之間盡可能地分離開(kāi)以防止串?dāng)_。因此良好的電路板設(shè)計(jì)，接地和屏蔽就顯得非常重要。盡管這種圖像傳感器是一個(gè)CMOS裝置并具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出（I/O）電壓，但它實(shí)際的輸入信號(hào)相當(dāng)小，而且對(duì)噪聲也很敏感。 到目前為止，已設(shè)計(jì)出高集成度單芯片CMOS圖像傳感器。設(shè)計(jì)者力

11、求使有關(guān)圖像的應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn)多功能，包括自動(dòng)增益控制（AGC）、自動(dòng)曝光控制（AEC）、自動(dòng)平衡（AMB）、伽瑪樣正、背景補(bǔ)償和自動(dòng)黑電平校正。所有的彩色矩陣處理功能都集成在芯片中。CMOS圖像傳感器允許片上的寄存器通過(guò)I2C總線對(duì)攝像機(jī)編程，具有動(dòng)態(tài)范圍寬、抗浮散且?guī)缀鯖](méi)有拖影的優(yōu)點(diǎn)。4CMOS-APS的潛在優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法41CMOS-APS勝過(guò)CCD圖像傳感器的潛在優(yōu)點(diǎn) CMOSAPS勝過(guò)CCD圖像傳感器的潛在優(yōu)點(diǎn)包括15： 1）消除了電荷反復(fù)轉(zhuǎn)移的麻煩，免除了在輻射條件下電荷轉(zhuǎn)移效率（CTE）的退化和下降。 2）工作電流很小，可以防止單一振動(dòng)和信號(hào)閉鎖。 3）在集成電路芯片中可進(jìn)行信號(hào)處

12、理，因此可提供芯跡線，模/數(shù)轉(zhuǎn)換的自調(diào)節(jié)，也能提供由電壓漂移引起的輻射調(diào)節(jié)。 與硅探測(cè)器有關(guān)，需要解決的難題和爭(zhēng)論點(diǎn)包括12： 1）在體材料界面由于輻射損傷而產(chǎn)生的暗電流的增加問(wèn)題。 2）包括動(dòng)態(tài)范圍損失的閾值漂移問(wèn)題。 3）在模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，定時(shí)和控制中的信號(hào)閉鎖和單一擾動(dòng)問(wèn)題。42CMOS-APS的設(shè)計(jì)方法 CMOS-APS的設(shè)計(jì)方法包括： 1）為了降低暗電流而進(jìn)行研制創(chuàng)新的像素結(jié)構(gòu)。 2）使用耐輻射的鑄造方法，再研制和開(kāi)發(fā)中等尺寸“dumb”（?。┏上駜x（通過(guò)反復(fù)地開(kāi)發(fā)最佳像素結(jié)構(gòu)）。 3）研制在芯片上進(jìn)行信號(hào)處理的器件，以適應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)本身電壓Vt的漂移和動(dòng)態(tài)范圍的損失。 4）研制和開(kāi)

13、發(fā)耐輻射（單一擾動(dòng)環(huán)境）的定時(shí)和控制裝置。 5）研制和加固耐輻射的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。 6）尋找低溫工作條件，以便在承受最大幅射強(qiáng)度時(shí)，找到并證實(shí)最佳的工作溫度。 7）研制和開(kāi)發(fā)大尺寸、全數(shù)字化、耐輻射的CMOS-APS，以便生產(chǎn)。 8）測(cè)試、評(píng)價(jià)和鑒定該器件的性能。 9）引入當(dāng)代最高水平的組合式光學(xué)通信/成像系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)。5像素電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 目前，已設(shè)計(jì)的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)有：空隙積累二極管（HAD）型結(jié)構(gòu)、光電二極管型無(wú)源像素結(jié)構(gòu)、光電二極管型有源像素結(jié)構(gòu)、對(duì)數(shù)變換積分電路型結(jié)構(gòu)、掩埋電荷積累和敏感晶體管陣列（BCAST）型結(jié)構(gòu)、低壓驅(qū)動(dòng)掩埋光電二極管（LVBPD）型結(jié)構(gòu)、深P阱光電二極管

14、型結(jié)構(gòu)、針型光電二極管（PPD）結(jié)構(gòu)和光柵型有源像素結(jié)構(gòu)等。51CMOSPPS像素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 光電二極管型CMOS無(wú)源像素傳感器（CMOS-PPS）的結(jié)構(gòu)自從1967年Weckler首次提出以來(lái)實(shí)質(zhì)上一直沒(méi)有變化，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由一個(gè)反向偏置的光敏二極管和一個(gè)開(kāi)關(guān)管構(gòu)成。當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟時(shí)，光敏二極管與垂直的列線連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數(shù)，并減小KTC噪聲。當(dāng)光敏二極管存貯的信號(hào)電荷被讀出時(shí)，其電壓被復(fù)位到列線電壓水平，與此同時(shí)，與光信號(hào)成正比的電荷由電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出。 單管的PD-CMOS-PPS允許在給定的像素尺寸下有最高的設(shè)計(jì)填充系數(shù)，或者

15、在給定的設(shè)計(jì)填充系數(shù)下，可以設(shè)計(jì)出最小的像素尺寸。另外一個(gè)開(kāi)關(guān)管也可以采用，以實(shí)現(xiàn)二維的XY尋址。由于填充系數(shù)高且沒(méi)有許多CCD中多晶硅疊層，CMOS-PPS像素結(jié)構(gòu)的量子效率較高。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS-PPS讀出噪聲較高，典型值為250個(gè)均方根電子，這是致命的弱點(diǎn)。52CMOS-APS的像素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 幾乎在CMOS-PPS像素結(jié)構(gòu)發(fā)明的同時(shí)，科學(xué)家很快認(rèn)識(shí)到在像素內(nèi)引入緩沖器或放大器可以改善像素的性能。雖然CMOS圖像傳感器的成像裝置將光子轉(zhuǎn)換為電子的方法與CCD相同，但它不是時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，而是由晶體三極管作為電荷感應(yīng)放大器。在一些CMOS圖像傳感器中，每組像素的頂端有一個(gè)放大器，

16、每個(gè)像素只有一個(gè)作為閾值電流值開(kāi)關(guān)的三極管。開(kāi)關(guān)像素中的電荷為放大器充電，其過(guò)程類似DRAM中的讀取電路，這種傳感器被稱為PPS。PPS的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，它具有高填充系數(shù)。各像元沒(méi)有很多的多晶硅層覆蓋，其量子效率很高，但是PPS的讀取干擾很高，只適應(yīng)于小陣列傳感器。 在CMOS-APS中每一像素內(nèi)都有自己的放大器。CMOS-APS的填充系數(shù)比CMOS-PPS的小，集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積，降低了“封裝密度”，使4050的入射光被反射。這種傳感器的另一個(gè)問(wèn)題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過(guò)降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實(shí)現(xiàn)。由于CMOS-APS像素

17、內(nèi)的每個(gè)放大器僅在此讀出期間被激發(fā)，所以CMOS-APS的功耗比CCD圖像傳感器的還小。與CMOS-PPS相比，CMOSAPS的填充系數(shù)較小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為2030，接近內(nèi)線轉(zhuǎn)換CCD的值。521光敏二極管CMOS-APS（PD-CMOS-APS）的像素結(jié)構(gòu) 1968年，Noble描述了PD-CMOS-APS。后來(lái)，這種像素結(jié)構(gòu)有所改進(jìn)。PD-CMOS-APS的像素結(jié)構(gòu)如圖2所示。 高性能CMOSAPS由美國(guó)哥倫比亞大學(xué)電子工程系和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）在1994年首次研制成功，像素?cái)?shù)為128128，像素尺寸為40m40m，管芯尺寸為6.8mm6.8mm，采用1.2mCMOSn阱工藝

18、試制，動(dòng)態(tài)范圍為72dB,固定圖形噪聲小于0.15飽和信號(hào)水平。固定圖形噪聲小于0.15飽和信號(hào)水平。1997年日本東芝公司研制成功了640480像素光敏二極管型CMOSAPS，其像素尺寸為5.6m5.6m,具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。2000年美國(guó)Foveon公司與美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司采用0.18mCMOS工藝研制成功40964096像素CMOSAPS10，像素尺寸為5m5m，管芯尺寸為22mm22mm，這是迄今為止世界上集成度最高、分辨率最高的CMOS固體攝像器件。有關(guān)CMOSAPS的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用，筆者已作過(guò)詳細(xì)介紹68。 因?yàn)楣饷裘鏇](méi)有多晶硅疊層，PD-CMOS-APS的量子

19、效率較高，它的讀出噪聲由復(fù)位噪聲限制，典型值為75均方根電子100均方根電子。PD-CMOS-APS的每個(gè)像素采用3個(gè)晶體管，典型的像元間距為15m。PD-CMOS-APS適宜于大多數(shù)低性能應(yīng)用。522光柵型CMOSAPS(PG-CMOS-APS)的像素結(jié)構(gòu) 1993年由JPL最早研制成功PG-CMOS-APS并用于高性能科學(xué)成像的低光照明成像。PG-CMOS-APS結(jié)合了CCD和XY尋址的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。 光柵信號(hào)電荷積分在光柵（PG）下，浮置擴(kuò)散點(diǎn)（A）復(fù)位（電壓為VDD），然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散點(diǎn)，復(fù)位電壓水平與信號(hào)電壓水平之差就是傳感器的輸出信號(hào)。

20、當(dāng)采用雙層多晶硅工藝時(shí)，PG與轉(zhuǎn)移柵（TX）之間要恰當(dāng)交疊。在光柵與轉(zhuǎn)移柵之間插入擴(kuò)散橋，可以采用單層多晶硅工藝，這種擴(kuò)散橋要引起大約100個(gè)電子的拖影。 光柵型CMOSAPS每個(gè)像素采用5個(gè)晶體管，典型的像素間距為20m（最小特征尺寸）。采用0.25mCMOS工藝將允許達(dá)到5m的像素間距。浮置擴(kuò)散電容的典型值為1014F量級(jí)，產(chǎn)生20V/e的增益，讀出噪聲一般為10均方根電子20均方根電子，已有讀出噪聲為5均方根電子的報(bào)道。 CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)分為兩大部分，即電路設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，CMOS圖像傳感器的性能好壞，不僅與材料、工藝有關(guān)，更重要的是取決于電路設(shè)計(jì)和工藝流程以及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。這對(duì)

21、設(shè)計(jì)人員提出更高的要求，設(shè)計(jì)人員面要寬，在設(shè)計(jì)中，不但要懂電路、工藝、系統(tǒng)方面的知識(shí)，還要有較深的理論知識(shí)。這個(gè)時(shí)代對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)令人興奮和充滿挑戰(zhàn)的時(shí)代。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為設(shè)計(jì)者提供了極大的方便，但圖像系統(tǒng)的用途以及目標(biāo)用戶的范圍由制造商決定。如果用戶裝有Windows95的系統(tǒng)，那么就要確定圖像系統(tǒng)不是Windows98的。如果你只是為了獲取并存儲(chǔ)大量的低分辨率圖像，那就不要選擇一個(gè)能夠提供優(yōu)質(zhì)圖像但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)以致于無(wú)法存儲(chǔ)的高分辨率圖像傳感器?，F(xiàn)在還存在許多非標(biāo)準(zhǔn)的接口系統(tǒng)?，F(xiàn)在僅供數(shù)字相機(jī)所使用可裝卸存儲(chǔ)介質(zhì)就包括PCMCIA卡、東芝（Toshiba）的速閃存儲(chǔ)器及軟磁盤(pán)

22、。重要的是，要根據(jù)產(chǎn)品未來(lái)所在的工作環(huán)境，對(duì)樣品進(jìn)行細(xì)致的性能評(píng)估。53CCD和CMOS系統(tǒng)的設(shè)計(jì) CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器在設(shè)計(jì)上各不相同，對(duì)于CCD圖像傳感器，不能在同一芯片上集成所需的功能電路。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，除設(shè)計(jì)光敏感部分（即CCD圖像傳感器）外，還要考慮設(shè)計(jì)提供信號(hào)和圖像處理的功能電路，即信號(hào)讀出和處理電路，這些電路需要在另外的基片上制備好后才能組裝在CCD圖像傳感器的外圍；而CMOS圖像傳感器則不同，特別是CMOSAPS可以將所有的功能電路與光敏感部分（光電二極管）同時(shí)集成在同一基片上，整理成高度集成化的單芯片攝像系統(tǒng)。與前者相比，成本低、制備容易、體積小、微型化、功

23、耗低，雖然開(kāi)始有人認(rèn)為光照靈敏度不如CCD圖像傳感器的高，并且暗電流和噪聲比較大，近來(lái)由于改進(jìn)了電路設(shè)計(jì)，采用亞微米和深亞微米光刻技術(shù)，使CMOS圖像傳感器的性能得到改善。已經(jīng)具備與CCD圖像傳感器進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的條件，21世紀(jì)，CMOS攝像器件將成為信息獲取與處理領(lǐng)域的佼佼者。到那時(shí)，單芯片攝像機(jī)和單芯片數(shù)碼相機(jī)將進(jìn)入千家萬(wàn)戶。這些都得益于CMOSAPS為人們提供了高度集成化的系統(tǒng)，如圖4所示。圖5示出CMOS數(shù)碼相機(jī)的框圖，從中可見(jiàn)數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性?；魻柶骷且环N基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器,已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族,并已得到廣泛的應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要介紹其工作原理、產(chǎn)品特性及其典型應(yīng)用。

24、圖39霍爾電流傳感器在逆變器中的應(yīng)用（CS為霍爾電流傳感器）圖40霍爾電流傳感器在UPS中的應(yīng)用（1、2、3均為霍爾電流傳感器）圖41霍爾電流傳感器在電子點(diǎn)焊機(jī)中的應(yīng)用3.2.12.3在逆變器中的應(yīng)用 在逆變器中，用霍爾電流傳感器進(jìn)行接地故障檢測(cè)、直接側(cè)和交流側(cè)的模擬量傳感，以保證逆變器能安全工作。應(yīng)用線路如圖39所示。3.2.12.4在不間斷電源中的應(yīng)用 如圖40所示，霍爾電流傳感器1發(fā)出信號(hào)并進(jìn)行反饋，以控制晶閘管的觸發(fā)角，電流傳感器2發(fā)出的信號(hào)控制逆變器，傳感器3控制浮充電源。用霍爾電流傳感器進(jìn)行控制，保證逆變電源正常工作。由于其響應(yīng)速度快，特別適用于計(jì)算機(jī)中的不間斷電源。3.2.12.

25、5在電子點(diǎn)焊機(jī)中的應(yīng)用 在電子點(diǎn)焊機(jī)電源中，霍爾電流傳感器起測(cè)量和控整理用。它的快速響應(yīng)能再現(xiàn)電流、電壓波形，將它們反饋到可控整流器A、B，可控制其輸出。用斬波器給直流迭加上一個(gè)交流，可更精確地控制電流。用霍爾電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，既可測(cè)量電流的真正瞬時(shí)值，又不致引入損耗，如圖41所示。3.2.12.6用于電車斬波器的控制 電車中的調(diào)速是由調(diào)整電壓實(shí)現(xiàn)的。將霍爾電流傳感器和其它元件配合使用，并將傳感器的所有信號(hào)輸入控制系統(tǒng)，可確保電車正常工作。其控制原理示 圖42霍爾電流傳感器在電車斬波器中的應(yīng)用圖43在變頻調(diào)速電機(jī)中的應(yīng)用（I，R，S，T均為霍爾電流傳感器）圖44用于電能管理的霍爾電流傳感

26、器圖45霍爾接地故障檢測(cè)器的原理和結(jié)構(gòu)于圖42。圖中，SCR1是主串聯(lián)晶閘管，SCR2為輔助晶閘管，Lo、Co組成輸入濾波器，Ls是平滑扼流圈，M1M5是霍爾電流傳感器。3.2.12.7在交流變頻調(diào)速電機(jī)中的應(yīng)用 用變頻器來(lái)對(duì)交流電機(jī)實(shí)施調(diào)速，在世界各發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍使用，且有取代直流調(diào)速的趨勢(shì)。用變頻器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，可節(jié)省10以上的電能。在變頻器中，霍爾電流傳感器的主要作用是保護(hù)昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間短于1s，因此，出現(xiàn)過(guò)載短路時(shí)，在晶全管未達(dá)到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護(hù)，如圖43所示。3.2.12.8用于電能管理 圖44給出一種用于電能管理

27、的電流傳感器的示意圖。圖中，12是通電導(dǎo)線，11是導(dǎo)磁材料帶，17是霍爾元件，19是霍爾元件的輸入、輸出引線。由此構(gòu)成的電流傳感器，可安裝到配電線路上進(jìn)行負(fù)載管理?；魻柶骷妮敵龊陀?jì)算機(jī)連接起來(lái)，對(duì)用電情況進(jìn)行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)過(guò)載，便及時(shí)使受控的線路斷開(kāi)，保證用電設(shè)備的安全。用這種裝置，也可進(jìn)行負(fù)載分配及電網(wǎng)的遙控、遙測(cè)和巡檢等。3.2.12.9在接地故障檢測(cè)中的應(yīng)用 在配電和各種用電設(shè)備中，可靠的接地是保證配電和用電設(shè)備安全的重要措施。采用霍爾電流傳感器來(lái)進(jìn)行接地故障的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可保證用電安全。圖45示出一種霍爾接地故障監(jiān)測(cè)裝置。3.2.12.10在電網(wǎng)無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償中的應(yīng)用 電力系統(tǒng)無(wú)功功率

28、的自動(dòng)補(bǔ)償，是指補(bǔ)償容量隨負(fù)荷和電壓波動(dòng)而變化，及時(shí)準(zhǔn)確地投入和切除電容器，避免補(bǔ)償過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償和欠補(bǔ)償?shù)牟缓侠砗筒唤?jīng)濟(jì)，使電網(wǎng)的功率因數(shù)始終保持最佳。無(wú)功功率的自動(dòng)采樣若用霍爾電流、電壓傳感器來(lái)進(jìn)行，在保證“及時(shí)、準(zhǔn)確”上具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樗鼈兊捻憫?yīng)速度快，且無(wú)相位差，如圖46所示。 圖46電網(wǎng)無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器的原理框圖3.2.12.14霍爾鉗形電流表 將磁芯做成張合結(jié)構(gòu)，在磁芯開(kāi)口處放置霍爾器件，將環(huán)形磁芯夾在被測(cè)電流流過(guò)的導(dǎo)線外，即可測(cè)出其中流過(guò)的電流。這種鉗形表既可測(cè)交流也可測(cè)直流。圖48示出一種數(shù)字鉗形交流電流表的線路。 用鉗形表可對(duì)各種供電和用電設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)電流檢測(cè)。3

29、.2.13電功率測(cè)量 使負(fù)載電壓變換，令其與霍爾器件的工作電流成比例，將負(fù)載電流通入磁芯繞組中，作為霍爾電流傳感器的被測(cè)電流，即可構(gòu)成霍爾功率計(jì)。由霍爾器件輸出的霍爾電壓來(lái)指示功率，其工作原理如圖49所示。3.2.12.11在電力工頻諧波分析儀中的應(yīng)用 在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的諧波含量用電力工頻諧波儀來(lái)進(jìn)行測(cè)試。為了將被測(cè)電壓和電流變換成適合計(jì)算機(jī)A/D采樣的電壓，將各種電力工頻諧波分析儀的取樣裝置，如電流互感器、電壓互感器、電阻取樣與光隔離耦合電路等和霍爾電流傳感取樣測(cè)試對(duì)比，結(jié)果表明霍爾電流傳感器最為適用。對(duì)比結(jié)果如表8所示。 表8電力工頻諧波分析儀中使用的3種接口部件的比較（LEM模塊是一種

30、霍爾零磁通電流傳感器） CT和PT 電阻取樣與光耦隔離電路 LEM模塊 線性度 0.5 0.1 頻率范圍 較窄 030kHz 0100kHz 對(duì)各次諧波幅度有否衰減及衰減一致性 有，不一致 無(wú) 無(wú) 對(duì)各次諧波有否相移及相移一致性 有，不一致 很小，可以忽略 很小，可以忽略 所需電源 不需要 二組 一組 輔助電路 無(wú) 恒溫電路 無(wú) 體積 大 大 小 重量 重 輕 輕 安裝是否方便 不便 不便 方便 調(diào)試難易程度 容易 較難 容易 接口部件性能、特點(diǎn)3.2.12.12在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用近代出現(xiàn)的開(kāi)關(guān)電源，是將電網(wǎng)的非穩(wěn)定的交流電壓變換成穩(wěn)定的直流電壓輸出的功率變換裝置。無(wú)論是電壓控制型還是電流控制

31、型開(kāi)關(guān)電源，均采用脈沖寬度調(diào)制，借助驅(qū)動(dòng)脈沖寬度與輸出電壓幅值之間存在的某種比例關(guān)系來(lái)維持恒壓輸出。其中，寬度變化的脈沖電壓或電流的采樣、傳感等均需用電流、電壓傳感器來(lái)完成?；魻栯娏?、電壓傳感器以其頻帶寬、響應(yīng)時(shí)間快以及安裝簡(jiǎn)便而成為首選的電流、電壓傳感器。3.2.12.13在大電流檢測(cè)中的應(yīng)用 在冶金、化工、超導(dǎo)體的應(yīng)用以及高能物理（例如可控核聚變）試驗(yàn)裝置中都有許多超大型電流用電設(shè)備。用多霍爾探頭制成的電流傳感器來(lái)進(jìn)行大電流的測(cè)量和控制，既可滿足測(cè)量準(zhǔn)確的要求，又不引入插入損耗，還免除了像使用羅果勘斯基線圈法中需用的昂貴的測(cè)試裝置。圖47示出一種用于DD托卡馬克中的霍爾電流傳感器裝置。采用

32、這種霍爾電流傳感器，可檢測(cè)高達(dá)到300kA的電流。 圖47（a）為G10安裝結(jié)構(gòu)，中心為電流匯流排，(b)為電纜型多霍爾探頭，(c)為霍爾電壓放大電路。(a)G10安裝結(jié)構(gòu)(b)電纜型多霍爾探頭(c)霍爾電壓放大電路圖47多霍爾探頭大電流傳感器圖48霍爾鉗形數(shù)字電流表線路示意圖圖49霍爾功率計(jì)原理圖(a)霍爾控制電路(b)霍爾磁場(chǎng)電路圖50霍爾三相功率變送器中的霍爾乘法器圖51霍爾電度表功能框圖圖52霍爾隔離放大器的功能框圖3.2.13.1霍爾三相功率變送器 利用霍爾器件的乘法器功能，還可構(gòu)成三相功率變送器，用以檢測(cè)三相平衡或不平衡負(fù)載電路的三相有功功率和無(wú)功功率。圖50示出霍爾三相功率變送器的乘法器