世纪 60 年代末期 美国贝尔实验室提出固态成
器件概念固体图传感器便迅速发展成 传
感技术中重分支 PC 机媒体缺少外
设监控中核心器件
互 补 金 属 氧 化 物 半 导 体 CMOS（Complementary Metal
Oxide Semiconductor） 图传感器电荷耦合器件 CCD
（Charge Coupled Device）图传感器研究时起步
受时工艺水限制CMOS 图传感器图质量
差分辨率低噪声降光灵敏度够没
重视发展
CCD 器件光灵敏度高 噪音 低 等 优点
直宰着图传感器市场 集成电路设计技术工艺
水提高CMOS 图传感器存缺点 现
找相关解决方法固 优 点 CCD 器件 法
拟 CMOS 图传感器次成研究热点 里针
CMOS CCD 图传感器进行分析研究 出 发 展
趋势
1 CCD CMOS 组成结构较
11 CCD CMOS 组成结构
制 造 CCD CMOS 区 CCD 集
成半导体单晶材料 CMOS 集成 称 金 属 氧
化 物 半 导 体 材 料 工作原理利感光二极
（Photodiode）进行光电转换种转换原理太阳电子计
算机太阳电池效应相 光线越强电力越强[1] 反光
线越弱电力越弱 根原理图转换数字数
差异数字数传送方式[2] 简易结构图图 1
示
较 CCD CMOS 结构ADC（数模转换器）位置数
量差异 CCD 曝光次快门关闭进行素
转移处理行中电荷信号次转入缓器中
低端线路引导输出 CCD 边缘放器进行放 串
联 ADC 输出 CMOS 结构中素直接连着 ADC
点信号直接放转换成数字信号 造成种差异原
收稿日期：20100420 稿件编号：201004076
作者简介：王旭东（1984—）男甘肃天水硕士研究生 研究方：光电测控仪器
CMOS CCD 图传感器较研究发展趋势
王旭东 叶玉堂
（电子科技学 光电信息学院 四川 成 610054）
摘： 目前两类图传感器 CCD CMOS 做系统分析研究 CMOS CCD 结构特点相关性参
数进行深入较研究针 CMOS 图传感器低灵敏度高噪声暗电流低填充度成质量差等技术问题提
出 DRSCAN 噪声消技术CMOS C3D 技术片模拟处理技术彩色插值算法等解决途径通进步图传
感器应发展情况发展趋势分析研究出：未发展中 CMOS 图传感器已克服已技术
瓶颈视频监控航空探测设备医疗设备眼膜识视通信等诸领域应前景会优 CCD 图传感器
关键词： CCD CMOS DRSCAN CMOS C3D
中图分类号： TN609 文献标识码： A 文章编号：1674－6236（2010）11017804
Comparative research and future tendency between CMOS and CCD image sensor
WANG Xudong YE Yutang
（School of Optoelectronic Information University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054 China）
Abstract Systematic analysis and research about current CCD and CMOS image sensors have been done The structure
characteristics and the relevant parameters of CCD （chargecoupled device） and CMOS （Comp lementaryM etalOxide
Semiconductor） image sensors are comparativly studied in depth lots of issues of CMOS image sensorssuch as
lowsensitivity high noise dark current and low filling degree have been resolved by new technologies like DRSCAN noise
cancellation technology CMOS C3D technology onchip analog processing technology and color interpolation algorithms
Through further analysis and research about the developments and trends of international image sensors conclusion is drawed
thatin the future existing bottlenecks are resolved CMOS will be better than CCD image sensor in many fields such as in
video surveillance aviation and detection equipment medical equipment eye mask recognition and visual communications
Key words CCD CMOS DRSCAN CMOS C3D
电子设计工程
Electronic Design Engineering
第 18 卷
Vol18
第 11 期
No11
2010 年 11 月
Nov 2010
－178－
DOI1014022jcnkidzsjgc201011051 CCD 特殊工艺保证数传送时会失真
素数汇集边缘进行放处理
CMOS 工艺数传送距离较长时会产生噪声必须
先放整合素数
12 CCD CMOS 相关参数较
表 1 出 CCD CMOS 图 传 感 器 性 较
CCD 图传感器相CMOS 图传感器具明显优势
CMOS CCD 图传感器结构工作方式制造工艺
兼容程度差 CMOS 图传感器具 CCD 图
传感器具优点[3]
1）驱动电压 CCD 阵列驱动脉复杂电荷信息转移
读取输出需时钟驱动电路 3 组电源相配合
规模集成电路制造工艺技术相兼容 CMOS 光
电转换直接产生电流电（电压）信号需单工作
电源信号读取相简单
2）图 采 集 处 理 速 度 CCD 需 步 时 钟 控 制
行单位次输出信息机读取种机读
取许应缺少速度较慢 CMOS 图传
感器采集光信号时取出电信号实时处理
单元图信息速度图传感器快
3）集成度 CCD 技术难光敏单元阵列驱动电路
模拟数字信号处理电路单片集成 AD 转换精密
放存储等功均法单片实现 CMOS 图传感
器光敏元件图信号放器信号读取电路A／D 转换
器图信号处理器控制器等集成块芯片具
局部素图编程机访问优点
4）功耗价格 CCD 图传感器功耗较约 300 mW
CMOS 图传感器功耗较约 50 mW甚更节
方面具优势 CMOS 耗电量仅 CCD 18～110
价格方面 CCD 图传感器工艺制程复杂 集成
度等较低 CMOS 图传感器更胜筹
5）噪点差异 CMOS 感光二极旁搭配
ADC 放器 果百万素计 需百万
ADC 放器 然统制造产品 放器
存 差 异 难达放步效果 单 放 器
CCD CMOS 终计算出噪点较
6）速度快差异 CMOS 速度快性高部分相
机电路 CMOS 图传感器芯片 信号驱动传
输距离短电感电容寄生延迟降低 信号读出采 X—Y
寻址方式 图传感器存取速度快体积焊点
接头较少性高
7）成质量 CCD 电荷耦合器制作技术起步早技术成
熟采 PN 结二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声成质量
相 CMOS 光电传感器定优势 CMOS 光电传感器
集成度高光电传感元件电路间距离相互间
光电磁 干 扰较 严 重噪声图质量影响 CMOS
光电传感器长段时间法进入实 年 着 CMOS
电路消噪技术断发展生产高密度优质 CMOS 图
传感器提供良条件
2 CMOS 改进技术存问题解决途径
克 服 低 灵 敏 度高 噪 声 暗 电 流 低 填 充 度 等
CMOS 传感器常见问题CMOS 已 做 技 术 研 究
攻关[45]
1）片消噪声技术 消素漂移噪声
传感器包含特殊电路吸收噪声信号处理
图 1 CCD CMOS 组成结构
Fig 1 Structure of CCD and CMOS
表 1 CCD CMOS 图传感器性较
Tab 1 Comparison of CCD and CMOS image sensor performance
性参数 CCD CMOS
灵敏度 优 良
噪声 优 良
光晕
电源 电极 单电极
集成状况 低需外接器件 单片高度集成
系统功耗 高（1） 低（1101100）
电路结构 复杂 简单
抗辐射 弱 强
动态范围 70 dB 70 dB
模块体积
彩色编码 片外 片
ADC 模块 片外 片
时序控制电路 片外 片
动增益控制 片外 片
王旭东 等 CMOS CCD 图传感器较研究发展趋势
－179－电子设计工程2010 年第 11 期
表 2 光电二极性
Tab 2 Main performance of photodiode
光学信号光学信号中噪声部分 样传感器
高信噪读取信号
2）全素电荷转移技术 避免分子运动带机
噪声实现具高信噪光学传感器 次读取信号
时初始值会变化片消噪音技术法完全解
决问题 通引入全素电荷转移技术够维持光学
信号噪声信号致初始值消机噪声实现高信
噪成
3）片模拟处理技术 消噪声实现高速信号读
取性芯片集成 PGA 编程增益放器 项革新
效降低噪声加速信号输出（12 MHz）
4）暗电流 CMOS 成器件均具较素尺寸
正常范围会产生定暗电流 通改进 CMOS 工
艺压缩结面积降低暗电流发生率通提高帧速
率（frame rate）缩短暗电流汇集时间减弱暗电流
影响
5）抑制噪声提高灵敏度 采取措施抑制噪声
提高灵敏度：①采减少失调独特电路制造更加稳
定晶体专工艺②元含种变化灵敏
度相较低放器③鉴 CCD 图传感器制备技术
采相关双取样电路（CDS）技术微透镜阵列技术④光敏
二极设计成针形结构掩埋形结构
6）提高填充系数 提高 CMOSAPS 填充系数
年国外开发 CMOSAPS 均具微透镜阵列结构 整
CMOSAPS 元放置微透镜光集中效面积
幅度提高灵敏度填充系数
7）提高动态范围 动态范围反映图传感器性
指标 目前 CMOS 图传感器动态范围稍逊
CCD 然 数 响 应型 CMOS 图传感器动态范围达
120 dB时增加图噪声影响图质量 提高动
态范围方法利 PECVD 超高真空系统专
集成电路（ASIC）薄膜技术改进光电二极材料组合提
高低灰度部位感光度时素电路结构驱动方法
功夫实现低灰度时动转换线形输出高灰度时
动转换数压缩输出
8）DRSCAN 噪声消技术 Sony 公司采DRSCAN
噪声消技术抑制暗电流HAD结构改 善 CMOS 图
传感器噪声较高弱点 独特DRSCAN技术逐点
序读出素信号噪声成分时消电路中
晶体特性均引起固定图形噪声 消暗电流引
起固定图形噪声Sony 公司 鉴 CCD 图 传感 器
HAD结构抑制非入射光引起暗电流信 噪 提 高
25 倍 HAD结构采 L 形门素结构
电子完全转移实现拖影图信号输出
9）低压驱动掩埋光电二极 东芝公司 2003 年开始
采掩埋光电二极新型结构降低漏电电流 低压
确保电荷残余完全读出 实现 CCD 摄器件
等高质量图表 2 新旧光电二极性较
10）CMOS C3D 技术 C3D （CMOS Color captive Device）
新代半导体成技术 仅提高素设计技术
改进生产工艺 采种技术生产 025 μm CMOS 图
传感器 保全性前提增加晶体数量占空
数（Fill Factor） 增加素设计选择方案外
实现更加复杂功更低功耗 该传感器速度
方面优势 C3D 技术采取策：①通改进
CMOS 工艺降低暗电流发生率 ②压缩结面积（Junction
Area）③通提高帧速率（Frame Rate）缩短暗电流汇集
时间
11）彩色插值算法 实中降 低成 减 尺 寸
提高图质量 采 Bayer 滤光阵列输入光信号分解
RGB 三基色素点采集 1 种色光亮度 获
高质量彩色图 必须利插值方法恢复丢失色差分
量 提出基然景物特征图素间相关性新
型图插值算法该插值算法 R 素 B 素进行统处
理抑制拉条效应充分利然景物特征图更逼
真 改善 CMOS 图传感器成质量
12）CMOS 图传感器突破技术瓶颈 CMOS 图 传 感
器破汽车测距技术瓶颈[6] Canesta 公司 1999 年成立
直致力开发 CMOS 图传感器 7 年努力该公
司终开发成功种前景技术 Canesta 公 司
CMOS 图芯片够硬件通飞行时间式时计算出成
芯片点 感应出汽车物体间距
离超声波传感器样感应汽车物体
间距离 Canesta 公司方案前景定错
相机基 CMOS 技术保 持低 成
说关重 加飞行时间式计算方法
汽车带种样功 飞行时间(timeofflight)式计
算方法指 Canesta 红外光源亮见光
区域然计量出光发射器(成器面)射外面
物体终返回 CMOS 探测器时间 通 CMOS 芯
片硬件装置机器视觉算法计算出该区域点
汽车间距离轻松种物体分门类———
质说准确计算仅仅感应
名称 新型光电二极 旧光电二极
光学尺寸in 14 14
素数H·V 640×480 640×480
素尺寸μm2 57×57 57×57
漏电流nA·cm2 005 03
噪声mV 02（60°） 1（60°）
功耗mV 30 30
－180－表 4 CMOS 图传感器新产品
Tab 4 New products of CMOS image sensor
公司 产品 素万 速度（fs） 应
Omni OV5620 517 75 DC 手机
Kodak KAC5000 500 60 DC 手机
Sony IMX021 1 305 104 高端应
Cannon Cannon5D 1 330 100 高端应
Cypress IBIS14 000 1 400 50 高端应
CMOS CCD 合计
年份
出售量
亿
出售值
亿美元
出售量
亿
出售值
亿美元
出售量
亿
出售量
亿美元
2007 93 305 17 244 110 549
2008 112 329 18 199 130 528
2009 127 349 17 163 144 512
2010 142 361 16 133 158 494
2011 157 358 14 109 171 467
工艺中种易解决技术问题现找相
应解决办法图质量改善素规模已初
万素发展现百万千万素 CDS 电路技
术彩色滤波器阵列技术数字信号处理（DSP）技术噪声抑制
技术断新突破 目前 CMOS 传感器采 035 m
05 m CMOS 制 造 工 艺 CMOS 单元面积素数已
CCD 相基达 CCD 器件高分辨率
3 图传感器未应分析
世界图传感器 2007 年出货量 1095 亿年
增长 19预期 2013 年增长 20 亿年 均增 长 率 超
10［7］ 世界图传感器应情况表 3 示
2007~2011 年间 CCD 传感器出货量 167 亿降
144 亿期 CIS 929 亿快速升 1568
亿年均增长率达 14期出货值前者 2436 亿美元
降 1086 亿美元 跌幅半 者 3051 亿美元增加
3577 亿美元年均增长率 4 移动电话市场数量
计 156年率高速增长 预计 2011 年超 15
亿部 数码相机应领域型机中 CMOS 正逐渐取
代 CCDCMOS CCD 相价格便宜整图传器
电 子 消 费 应 方 面 CMOS 取 代 CCD 趋 势 表 4
CMOS 图传感器新产品
4 总结展
CMOS 图传感器正着高分辨率高灵敏度低噪声
动态范围高智化方断发展[8] 通完善 CMOS
制造工艺进步改善 CMOS 图质量灵敏度等问题
视频监控图采集指纹识数码相机视通信
设备医仪器 仪 表航 空 探 测设 备视 频电 子 邮 件汽 车 尾
视医 疗 设 备保 安 监 控 视 通 信眼 膜 识 工 业 视 频 监
控视觉玩具等方面更广泛应 相长
时间里CCD 图传感器高解析度低噪声高敏感
度动态范围广等优点直处导位受工艺水
限制CMOS 图传感器固图质量差 分辨率
低噪声高光灵敏度够等特点没重视发展
年集成电路设计技术工艺水 CMOS
新技术突破提高CMOS 图传感器存缺点
现找办法克服次成研发热点
CCD 相CMOS 体积耗电量 CCD 十分售
价 CCD 便宜三分 加 CMOS 传感器具更
量产性容易集成逻辑电路形成功更丰富
SoC 产品 CCD 中难实现 低成 CMOS
更适合成敏感型消费电子应CMOS 图传感
器应前景更加广阔
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表 3 世界图传感器应情况
Tab 3 Applications of world image sensors
王旭东 等 CMOS CCD 图传感器较研究发展趋势
－181－

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