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cmos圖像傳感器工作原理：CMOS圖像傳感器的結構及工作原理
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CMOS圖像傳感器的像素結構目前主要有無源像素圖像傳感器（Passive Pixel Sensor，PPS）和有源像素圖像傳感器（Active Pixel Sensor，APS）兩種，如圖1所示。由于PPS信噪比低、成像質(zhì)量差，所以目前絕大多數(shù)CMOS圖像傳感器采用的是APS結構。APS結構的像素內(nèi)部包含一個有源器件。由于該放大器在像素內(nèi)部具有放大和緩沖功能，具有良好的消噪功能，且電荷不需要像CCD器件那樣經(jīng)過遠距離移位到達輸出放大器，因此避免了所有與電荷轉移有關的CCD器件的缺陷。
圖1 CMOS的兩種像素結構
由于每個放大器僅在讀出期間被激發(fā)，所以將經(jīng)光電轉換后的信號在像素內(nèi)放大，然后用X－Y地址方式讀出，提高了固體圖像傳感器的靈敏度。APS像素單元有放大器，它不受電荷轉移效率的限制，速度快，圖像質(zhì)量較PPS得到了明顯地改善。但是與PPS相比，APS的像素尺寸較大、填充系數(shù)小，所設計的填充系數(shù)典型值為0.2～0.3。
一個典型的CMOS圖像傳感器的總體結構如圖2所示。在同一芯片上集成有模擬信號處理電路、I(2)C控制接口、曝光／白平衡控制、視頻時序產(chǎn)生電路、數(shù)字轉換電路、行選擇、列選擇及放大和光敏單元陣列。芯片上的模擬信號處理電路主要執(zhí)行相關雙采樣（CorrelatedDouble Sampling，CDS）功能。芯片上的A／D轉換器可以分為像素級、列級和芯片級幾種情況，即每一個像素有一個A／D轉換器，每一個列像素有一個A／D轉換器，或者每一個感光陣列有一個A／D轉換器。由于受芯片尺寸的限制，所以像素級的A／D轉換器不易實現(xiàn)。CMOS片內(nèi)部提供了一系列控制寄存器，通過總線編程（如Pc總線）來對自增益、自動曝光、白色平衡、／校正等功能進行控制，編程簡單、控制靈活。直接輸出的數(shù)字圖像信號可以很方便地與后續(xù)處理電路接口，供數(shù)字信號處理器對其進行處理。
圖2 CMOS芯片組成方框圖
來源:ks99
技術資料出處:ju
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引言
20世紀70年代，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器同時起步。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上獨樹一幟。但最初市場上的CMOS圖像傳感器，一直沒有擺脫光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點，圖像質(zhì)量還無法與CCD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，把噪聲進一步降低，CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量就可以達到或略微超過CCD圖像傳感器的水平，同時能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價位低等優(yōu)點，如此，CMOS圖像傳感器取代CCD圖像傳感器就會成為事實。
由于CMOS圖像傳感器的應用，新一代圖像系統(tǒng)的開發(fā)研制得到了極大的發(fā)展，并且隨著經(jīng)濟規(guī)模的形成，其生產(chǎn)成本也得到降低。現(xiàn)在，CMOS圖像傳感器的畫面質(zhì)量也能與CCD圖像傳感器相媲美，這主要歸功于圖像傳感器芯片設計的改進，以及亞微米和深亞微米級設計增加了像素內(nèi)部的新功能。
實際上，更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統(tǒng)。一個典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個圖像傳感器核心（是將離散信號電平多路傳輸?shù)揭粋€單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似），所有的時序邏輯、單一時鐘及芯片內(nèi)的可編程功能，比如增益調(diào)節(jié)、積分時間、窗口和模數(shù)轉換器。事實上，當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和轉換器在內(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格更低的優(yōu)點。
一、CMOS基本原理
從某一方面來說，CMOS圖像傳感器在每個像素位置內(nèi)都有一個放大器，這就使其能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號包轉換成電壓輸出，而且也僅需要在幀速率下進行重置。CMOS圖像傳感器的優(yōu)點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圖像傳感器無法將放大器放在像素位置以內(nèi)。這種被稱為PPS的技術，噪聲性能很不理想，而且還引來對CMOS圖像傳感器的種種干擾。
隨著制作工藝的提高，使在像素內(nèi)部增加復雜功能的想法成為可能。現(xiàn)在，在像素位置以內(nèi)已經(jīng)能增加諸如電子開關、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關雙采樣保持電路以及消除噪聲等多種附加功能。實際上，在Conexant公司（前Rockwell半導體公司）的一臺先進的CMOS攝像機所用的CMOS圖傳感器上，每一個像素中都設計并使用了6個晶體管，測試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過，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，這是因為每個像素位置上的微小透鏡都能改變?nèi)肷涔饩€的方向，使得本來會落到連接點或晶體管上的光線重回到對光敏感的二極管區(qū)域。
因為電荷被限制在像素以內(nèi)，所以CMOS圖像傳感器的另一個固有的優(yōu)點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縱列的緩沖區(qū)內(nèi)，然后再被傳輸?shù)捷敵龇糯笃髦校虼瞬粫l(fā)生傳輸過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像素中放大器的閾值電壓都有細小的差別，這種不均勻性就會引起固定圖像噪聲。然而，隨著CMOS圖像傳感器的結構設計和制造工藝的不斷改進，這種效應已經(jīng)得到顯著弱化。
這種多功能的集成化，使得許多以前無法應用圖像技術的地方現(xiàn)在也變得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安攝像機、嵌入在顯示器和膝上型計算機顯示器中的攝像機、帶相機的移動電路、指紋識別系統(tǒng)、甚至于醫(yī)學圖像上所使用的一次性照相機等，這些都已在某些設計者的考慮之中。
然而，這個行業(yè)還有一個受到普遍關注的問題，那就是測量方法，具體指標、陣列大小和特性等方面還缺乏統(tǒng)一的標準。每一位工程師在比較各種資料一覽表時，可能會發(fā)現(xiàn)在一張表上列出的是關于讀出噪聲或信噪比的資料，而在另一張表上可能只是強調(diào)關于動態(tài)范圍或最大勢阱容量的資料。因此，這就要求設計者們能夠判斷哪一個參數(shù)對他們最重要，并且盡可能充分利用多產(chǎn)品的CMOS圖像傳感器家族。
一些關鍵的性能參數(shù)是任何一種圖像傳感器都需要關注的，包括信噪比、動態(tài)范圍、噪聲（固定圖形噪聲和讀出噪聲）、光學尺寸以及電壓的要求。應當知道并用來對比的重要參數(shù)有：最大勢阱容量、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出來的。
對于像保安攝像機一類的低照度級的應用，讀出噪聲和量子效應最重要。然而對于象戶外攝影一類的中、高照度級的應用，比較大的最大勢阱容量就顯得更為重要。
動態(tài)范圍和信噪比是最容易被誤解和誤用的參數(shù)。動態(tài)范圍是最大勢阱容量與最低讀出噪聲的比值，它之所以引起誤解，是因為讀出噪聲經(jīng)常不是在典型的運行速度下測得的，而且暗電流散粒噪聲也常常沒有被計算在內(nèi)。信噪比主要決定于入射光的亮度級（事實上，在亮度很低的情況下，噪聲可能比信號還要大）。
所以，信噪比應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、高信號電平的主要噪聲來源。而SNRDARK得到說明，實際上與動態(tài)范圍沒有什么兩樣。數(shù)字信噪比或數(shù)字動態(tài)范圍是另一個容易引起混淆的概念，它表明的只是模擬/數(shù)字（A/D）轉換器的一個特性。雖然這可能很重要，但它并不能精確地描述圖像的質(zhì)量。同時我們也應清楚地認識到，當圖像傳感器具有多個可調(diào)模擬增益設置時，模擬/數(shù)字轉換器的分辨率不會對圖像傳感器的動態(tài)范圍產(chǎn)生限制。
光學尺寸的概念的模糊，是由于傳統(tǒng)觀念而致。使用光導攝像管只能在部分范圍內(nèi)產(chǎn)生有用的圖像。它的計算包括度量單位的轉換和向上舍入的方法。采用向上舍入的方法，先以毫米為單位測量圖像傳感器的對角線除以16，就能得到以英寸為單位的光學尺寸。例如0.97cm的尺寸是1.27cm而不是0.85cm。假如你選擇了一個光學尺寸為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。這是因為有些資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,理由很簡單：0.85cm光學尺寸的圖像傳感器的價格要比1.27cm光學尺寸的圖像傳感器的價格低得多，但是這對系統(tǒng)工作性能產(chǎn)生不利影響。所以，設計者應該通過計算試用各種不同的圖像傳感器來得到想要的性能。
CMOS圖像傳感器的一個很大的優(yōu)點就是它只要求一個單電壓來驅動整個裝置。不過設計者仍應謹慎地布置電路板驅動芯片。根據(jù)實際要求，數(shù)字電壓和模擬電壓之間盡可能地分離開以防止串擾。因此良好的電路板設計，接地和屏蔽就顯得非常重要。盡管這種圖像傳感器是一個CMOS裝置并具有標準的輸入/輸出（I/O）電壓，但它實際的輸入信號相當小，而且對噪聲也很敏感。
到目前為止，已設計出高集成度單芯片CMOS圖像傳感器。設計者力求使有關圖像的應用更容易實現(xiàn)多功能，包括自動增益控制（AGC）、自動曝光控制（AEC）、自動平衡（AMB）、伽瑪樣正、背景補償和自動黑電平校正。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I2C總線對攝像機編程，具有動態(tài)范圍寬、抗浮散且?guī)缀鯖]有拖影的優(yōu)點。
二、CMOS APS的潛在優(yōu)點和設計方法
1、CMOS APS勝過CCD圖像傳感器的潛在優(yōu)點
CMOSAPS勝過CCD圖像傳感器的潛在優(yōu)點包括[1]～[5]：
1）消除了電荷反復轉移的麻煩，免除了在輻射條件下電荷轉移效率（CTE）的退化和下降。
2）工作電流很小，可以防止單一振動和信號閉鎖。
3）在集成電路芯片中可進行信號處理，因此可提供芯跡線，模/數(shù)轉換的自調(diào)節(jié)，也能提供由電壓漂移引起的輻射調(diào)節(jié)。
與硅探測器有關，需要解決的難題和爭論點包括[1]～[2]：
1）在體材料界面由于輻射損傷而產(chǎn)生的暗電流
的增加問題。
2）包括動態(tài)范圍損失的閾值漂移問題。
3）在模/數(shù)轉換電路中，定時和控制中的信號閉鎖和單一擾動問題。
2、CMOS APS的設計方法
CMOS APS的設計方法包括：
1）為了降低暗電流而進行研制創(chuàng)新的像素結構。
2）使用耐輻射的鑄造方法，再研制和開發(fā)中等尺寸“dumb”（啞）成像儀（通過反復地開發(fā)最佳像素結構）。
3）研制在芯片上進行信號處理的器件，以適應自動調(diào)節(jié)本身電壓Vt的漂移和動態(tài)范圍的損失。
4）研制和開發(fā)耐輻射（單一擾動環(huán)境）的定時和控制裝置。
5）研制和加固耐輻射的模/數(shù)轉換器。
6）尋找低溫工作條件，以便在承受最大幅射強度時，找到并證實最佳的工作溫度。
7）研制和開發(fā)大尺寸、全數(shù)字化、耐輻射的CMOS APS，以便生產(chǎn)。
8）測試、評價和鑒定該器件的性能。
9）引入當代最高水平的組合式光學通信/成像
系統(tǒng)測試臺。
三、像素電路結構設計
目前，已設計的CMOS圖像傳感器像素結構有：空隙積累二極管（HAD）型結構、光電二極管型無源像素結構、光電二極管型有源像素結構、對數(shù)變換積分電路型結構、掩埋電荷積累和敏感晶體管陣列（BCAST）型結構、低壓驅動掩埋光電二極管（LV－BPD）型結構、深P阱光電二極管型結構、針型光電二極管（PPD）結構和光柵型有源像素結構等。
1、CMOS PPS像素結構設計
光電二極管型CMOS無源像素傳感器（CMOS PPS）的結構自從1967年Weckler首次提出以來實質(zhì)上一直沒有變化，其結構如圖1所示。它由一個反向偏置的光敏二極管和一個開關管構成。當開關管開啟時，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。當光敏二極管存貯的信號電荷被讀出時，其電壓被復位到列線電壓水平，與此同時，與光信號成正比的電荷由電荷積分放大器轉換為電荷輸出。
單管的PD CMOS PPS允許在給定的像素尺寸下有最高的設計填充系數(shù)，或者在給定的設計填充系數(shù)下，可以設計出最小的像素尺寸。另外一個開關管也可以采用，以實現(xiàn)二維的X Y尋址。由于填充系數(shù)高且沒有許多CCD中多晶硅疊層，CMOS PPS像素結構的量子效率較高。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS PPS讀出噪聲較高，典型值為250個均方根電子，這是致命的弱點。
2、CMOS APS的像素結構設計
幾乎在CMOS PPS像素結構發(fā)明的同時，科學家很快認識到在像素內(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換為電子的方法與CCD相同，但它不是時鐘驅動，而是由晶體三極管作為電荷感應放大器。在一些CMOS圖像傳感器中，每組像素的頂端有一個放大器，每個像素只有一個作為閾值電流值開關的三極管。開關像素中的電荷為放大器充電，其過程類似DRAM中的讀取電路，這種傳感器被稱為PPS。PPS的結構很簡單，它具有高填充系數(shù)。各像元沒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40％～50％的入射光被反射。這種傳感器的另一個問題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實現(xiàn)。由于CMOS APS像素內(nèi)的每個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，CMOS－APS的填充系數(shù)較小，其設計填充系數(shù)典型值為20％～30％，接近內(nèi)線轉換CCD的值。
2.1光敏二極管CMOS APS（PD CMOS APS）的像素結構
1968年，Noble描述了PD CMOS APS。后來，這種像素結構有所改進。PD CMOS APS的像素結構如圖2所示。
高性能CMOS APS由美國哥倫比亞大學電子工程系和噴氣推進實驗室（JPL）在1994年首次研制成功，像素數(shù)為128×128，像素尺寸為40μm×40μm，管芯尺寸為6.8mm×6.8mm，采用1.2μmCMOSn阱工藝試制，動態(tài)范圍為72dB,固定圖形噪聲小于0.15％飽和信號水平。固定圖形噪聲小于0.15％飽和信號水平。1997年***東芝公司研制成功了640×480像素光敏二極管型CMOS APS，其像素尺寸為5.6μm×5.6μm,具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。2000年美國Foveon公司與美國國家半導體公司采用0.18μmCMOS工藝研制成功4096×4096像素CMOS APS[10]，像素尺寸為5μm×5μm，管芯尺寸為22mm×22mm，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CMOS APS的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀及其應用，筆者已作過詳細介紹。
因為光敏面沒有多晶硅疊層，PD CMOS APS的量子效率較高，它的讀出噪聲由復位噪聲限制，典型值為75均方根電子～100均方根電子。PD CMOS APS的每個像素采用3個晶體管，典型的像元間距為15μm。PD CMOS APS適宜于大多數(shù)低性能應用。
2．2光柵型CMOS APS(PG CMOS APS)的像素結構
1993年由JPL最早研制成功PG CMOS APS并用于高性能科學成像的低光照明成像。PG CMOS APS結合了CCD和X Y尋址的優(yōu)點，其結構如圖3所示。
光柵信號電荷積分在光柵（PG）下，浮置擴散點（A）復位（電壓為VDD），然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號電荷轉移到擴散點，復位電壓水平與信號電壓水平之差就是傳感器的輸出信號。
當采用雙層多晶硅工藝時，PG與轉移柵（TX）之間要恰當交疊。在光柵與轉移柵之間插入擴散橋，可以采用單層多晶硅工藝，這種擴散橋要引起大約100個電子的拖影。
光柵型CMOS APS每個像素采用5個晶體管，典型的像素間距為20μm（最小特征尺寸）。采用0.25μmCMOS工藝將允許達到5μm的像素間距。浮置擴散電容的典型值為10－14F量級，產(chǎn)生20μV/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均方根電子的報道。
CMOS圖像傳感器的設計分為兩大部分，即電路設計和工藝設計，CMOS圖像傳感器的性能好壞，不僅與材料、工藝有關，更重要的是取決于電路設計和工藝流程以及工藝參數(shù)設計。這對設計人員提出更高的要求，設計人員面要寬，在設計中，不但要懂電路、工藝、系統(tǒng)方面的知識，還要有較深的理論知識。這個時代對設計者來說是一個令人興奮和充滿挑戰(zhàn)的時代。計算機輔助設計技術為設計者提供了極大的方便，但圖像系統(tǒng)的用途以及目標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大量的低分辨率圖像，那就不要選擇一個能夠提供優(yōu)質(zhì)圖像但同時會產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)以致于無法存儲的高分辨率圖像傳感器。現(xiàn)在還存在許多非標準的接口系統(tǒng)。現(xiàn)在僅供數(shù)字相機所使用可裝卸存儲介質(zhì)就包括PCMCIA卡、東芝（Toshiba）的速閃存儲器及軟磁盤。重要的是，要根據(jù)產(chǎn)品未來所在的工作環(huán)境，對樣品進行細致的性能評估。
三、3CCD和CMOS系統(tǒng)的設計
CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器在設計上各不相同，對于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，在設計時，除設計光敏感部分（即CCD圖像傳感器）外，還要考慮設計提供信號和圖像處理的功能電路，即信號讀出和處理電路，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CMOS APS可以將所有的功能電路與光敏感部分（光電二極管）同時集成在同一基片上，制作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、功耗低，雖然開始有人認為光照靈敏度不如CCD圖像傳感器的高，并且暗電流和噪聲比較大，近來由于改進了電路設計，采用亞微米和深亞微米光刻技術，使CMOS圖像傳感器的性能得到改善。已經(jīng)具備與CCD圖像傳感器進行競爭的條件，21世紀，CMOS攝像器件將成為信息獲取與處理領域的佼佼者。到那時，單芯片攝像機和單芯片數(shù)碼相機將進入千家萬戶。這些都得益于CMOS APS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)碼相機的框圖，從中可見數(shù)碼相機設計的復雜性。
6結語
CMOS圖像傳感器的前途是光明的，隨著多媒體、數(shù)字電視、可視通訊等市場的增加，CMOS圖像傳感器的應用前景更加廣闊。
CMOS APS為MIS/CCD圖像傳感器設計提供了另一選擇方案，它把電荷轉換成電壓所需的晶體管裝在每個像素內(nèi)。在這種器件內(nèi)均不必進行電荷轉移，因為數(shù)據(jù)讀取是在單個像素內(nèi)完成的。與CCD圖像傳感器相比，這種器件有很成熟的CMOS集成電路工藝，在降低成本方面有潛力。預期CMOS APS在許多非科學應用領域內(nèi)將最終替代CCD圖像傳感器。
CMOS是Complementary metal Oxide Semiconductor（互補金屬氧化物半導體）的縮寫。它是指制造大規(guī)模集成電路芯片用的一種技術或用這種技術制造出來的芯片，是電腦主板上的一塊可讀寫的RAM芯片。因為可讀寫的特性，所以在電腦主板上用來保存BIOS設置完電腦硬件參數(shù)后的數(shù)據(jù)，這個芯片僅僅是用來存放數(shù)據(jù)的。
而對BIOS中各項參數(shù)的設定要通過專門的程序。BIOS設置程序一般都被廠商整合在芯片中，在開機時通過特定的按鍵就可進入BIOS設置程序，方便地對系統(tǒng)進行設置。因此BIOS設置有時也被叫做CMOS設置。
一、CMOS是什么?
CMOS(本意是指互補金屬氧化物半導體存儲囂，是一種大規(guī)模應用于集成電路芯片制造的原料)是微機主板上的一塊可讀寫的RAM芯片，主要用來保存當前系統(tǒng)的硬件配置和操作人員對某些參數(shù)的設定。CMOS RAM芯片由系統(tǒng)通過一塊后備電池供電，因此無論是在關機狀態(tài)中，還是遇到系統(tǒng)掉電情況，CMOS信息都不會丟失。
由于CMOS RAM芯片本身只是一塊存儲器，只具有保存數(shù)據(jù)的功能，所以對CMOS中各項參數(shù)的設定要通過專門的程序。早期的CMOS設置程序駐留在軟盤上的(如IBM的PC/AT機型)，使用很不方便。現(xiàn)在多數(shù)廠家將CMOS設置程序做到了 BIOS芯片中，在開機時通過按下某個特定鍵就可進入CMOS設置程序而非常方便地對系統(tǒng)進行設置，因此這種CMOS設置又通常被叫做BIOS設置。
二、CMOS是軀體、是硬件？
BIOS就是(Basic Input/： (BIOS是靈魂，其實指的都是同一回事，但BIOS與CMOS卻是兩個完全不同的概念，切勿混淆，所以在實際使用過程中造成了BIOS設置和CMOS設置的說法：BIOS中的系統(tǒng)設置程序是完成CMOS參數(shù)設置的手段；CMOS RAM既是BIOS設定系統(tǒng)參數(shù)的存放場所，又是 BIOS設定系統(tǒng)參數(shù)的結果，負責解決硬件的即時需求。CMOS RAM芯片由系統(tǒng)通過一塊后備電池供電！
實際上我們是通過BIOS這個程序。而CMOS即：Complementary metal Oxide Semiconductor——互補金屬氧化物半導體，是主板上的一塊可讀寫的RAM芯片，還是遇到系統(tǒng)掉電情況，CMOS信息都不會丟失。
BIOS和CMOS的區(qū)別與聯(lián)系。準確地說，BIOS是硬件與軟件程序之間的一個接口或者說是轉換器，是一種大規(guī)模應用于集成電路芯片制造的原料)。因此，完整的說法應該是“通過BIOS設置程序對CMOS參數(shù)進行設置”。由于 BIOS和CMOS都跟系統(tǒng)設置密初相關，基本輸入/輸出系統(tǒng)的縮寫)在電腦中起到了最基礎的而又最重要的作用。是電腦中最基礎的而又最重要的程序，是微機主板上的一塊可讀寫的RAM芯片，主要用來保存當前系統(tǒng)的硬件配置和操作人員對某些參數(shù)的設定。把這一段程序放在一個不需要供電的記憶體（芯片）中，這就是平時所說的BIOS？
CMOS正確的解釋（應該是，它們是靈魂與軀體的關系)
BIOS是一組設置硬件的電腦程序，保存在主板上的一塊EPROM或EEPROM芯片中，里面裝有系統(tǒng)的重要信息和設置系統(tǒng)參數(shù)的設置程序——BIOS Setup程序，集成在主板上，里面保存著重要的開機參數(shù)，我們必須通過程序把設置好的參數(shù)寫入CMOS，并按軟件對硬件的操作要求具體執(zhí)行。電腦使用者在使用計算機的過程中，都會接觸到BIOS，它在計算機系統(tǒng)中起著非常重要的作用。
CMOS為何物，因此無論是在關機狀態(tài)中：
BIOS是軟件、是程序！
BIOS是一組設置硬件的電腦程序，保存在主板上的一塊EPROM或EEPROM芯片中，里面裝有系統(tǒng)的重要信息和設置系統(tǒng)參數(shù)的設置程序——BIOS Setup程序。而CMOS即：Complementary metal Oxide Semiconductor——互補金屬氧化物半導體，是主板上的一塊可讀寫的RAM芯片，用來保存當前系統(tǒng)的硬件配置和用戶對參數(shù)的設定，其內(nèi)容可通過設置程序進行讀寫。CMOS芯片由主板上的鈕扣電池供電，即使系統(tǒng)斷電，參數(shù)也不會丟失。CMOS芯片只有保存數(shù)據(jù)的功能，而對CMOS中各項參數(shù)的修改要通過BIOS的設定程序來實現(xiàn)。
BIOS與CMOS既相關又不同：BIOS中的系統(tǒng)設置程序是完成CMOS參數(shù)設置的手段；CMOS RAM既是BIOS設定系統(tǒng)參數(shù)的存放場所，又是 BIOS設定系統(tǒng)參數(shù)的結果。因此，完整的說法應該是“通過BIOS設置程序對CMOS參數(shù)進行設置”。由于 BIOS和CMOS都跟系統(tǒng)設置密初相關，所以在實際使用過程中造成了BIOS設置和CMOS設置的說法，其實指的都是同一回事，但BIOS與CMOS卻是兩個完全不同的概念，切勿混淆。
一般都是在開機自檢時，不停的按“Delete”鍵就能進入！
某些主板也有其它鍵，最好看主板說明書。
三、什么是CMOS電路的鎖定效應
COMS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大 。這種效應就是鎖定效應。當產(chǎn)生鎖定效應時，COMS的內(nèi)部電流能達到40mA以上，很容易燒毀芯片。
防御措施：
1）在輸入端和輸出端加鉗位電路，使輸入和輸出不超過不超過規(guī)定電壓。
2）芯片的電源輸入端加去耦電路，防止VDD端出現(xiàn)瞬間的高壓。
3）在VDD和外電源之間加線流電阻，即使有大的電流也不讓它進去。
4）當系統(tǒng)由幾個電源分別供電時，開關要按下列順序：開啟時，先開啟COMS電路得電源，再開啟輸入信號和負載的電源；關閉時，先關閉輸入信號和負載的電源，再關閉COMS電路的電源。
四、CMOS集成電路的性能及特點
（1）功耗低CMOS集成電路采用場效應管，且都是互補結構，工作時兩個串聯(lián)的場效應管總是處于一個管導通，另一個管截止的狀態(tài)，電路靜態(tài)功耗理論上為零。實際上，由于存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態(tài)功耗。單個門電路的功耗典型值僅為20mW，動態(tài)功耗（在1MHz工作頻率時）也僅為幾mW。
（2）工作電壓范圍寬CMOS集成電路供電簡單，供電電源體積小，基本上不需穩(wěn)壓。國產(chǎn)CC4000系列的集成電路，可在3~18V電壓下正常工作。
（3）邏輯擺幅大CMOS集成電路的邏輯高電平“1”、邏輯低電平“0”分別接近于電源高電位VDD及電影低電位VSS。當VDD=15V，VSS=0V時，輸出邏輯擺幅近似15V。因此，CMOS集成電路的電壓電壓利用系數(shù)在各類集成電路中指標是較高的。
（4）抗干擾能力強CMOS集成電路的電壓噪聲容限的典型值為電源電壓的45%，保證值為電源電壓的30%。隨著電源電壓的增加，噪聲容限電壓的絕對值將成比例增加。對于VDD=15V的供電電壓（當VSS=0V時），電路將有7V左右的噪聲容限。
（5）輸入阻抗高CMOS集成電路的輸入端一般都是由保護二極管和串聯(lián)電阻構成的保護網(wǎng)絡，故比一般場效應管的輸入電阻稍小，但在正常工作電壓范圍內(nèi)，這些保護二極管均處于反向偏置狀態(tài)，直流輸入阻抗取決于這些二極管的泄露電流，通常情況下，等效輸入阻抗高達103~1011Ω，因此CMOS集成電路幾乎不消耗驅動電路的功率。
（6）溫度穩(wěn)定性能好由于CMOS集成電路的功耗很低，內(nèi)部發(fā)熱量少，而且，CMOS電路線路結構和電氣參數(shù)都具有對稱性，在溫度環(huán)境發(fā)生變化時，某些參數(shù)能起到自動補償作用，因而CMOS集成電路的溫度特性非常好。一般陶瓷金屬封裝的電路，工作溫度為-55~+125℃;塑料封裝的電路工作溫度范圍為 -45~+85℃。
（7）扇出能力強扇出能力是用電路輸出端所能帶動的輸入端數(shù)來表示的。由于CMOS集成電路的輸入阻抗極高，因此電路的輸出能力受輸入電容的限制，但是，當CMOS集成電路用來驅動同類型，如不考慮速度，一般可以驅動50個以上的輸入端。
五、CMOS使用注意事項
（1）COMS電路時電壓控制器件，它的輸入總抗很大，對干擾信號的捕捉能力很強。所以，不用的管腳不要懸空，要接上拉電阻或者下拉電阻，給它一個恒定的電平。
（2）輸入端接低內(nèi)組的信號源時，要在輸入端和信號源之間要串聯(lián)限流電阻，使輸入的電流限制在1mA之內(nèi)。
（3）當接長信號傳輸線時，在COMS電路端接匹配電阻。
（4）當輸入端接大電容時，應該在輸入端和電容間接保護電阻。電阻值為R=V0/1mA.V0是外界電容上的電壓。
（5）COMS的輸入電流超過1mA，就有可能燒壞COMS。
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cmos圖像傳感器工作原理：三步讀懂CMOS圖像傳感器的工作原理
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圖像傳感器是將光信號轉換為電信號的裝置，在數(shù)字電視、可視通信市場中有著廣泛的應用。目前應用廣泛的主要是CCD(Charge-Coupled Device，電荷耦合器件)與CMOS(Complementary metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物場效應管)這兩種。
其中，CMOS是目前最引人注目，且被認為是最有發(fā)展?jié)摿Φ摹?br/>CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，通常由像敏單元陣列、行驅動器、列驅動器、時序控制邏輯、AD轉換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過程一般可分為復位、光電轉換、積分、讀出幾部分。
在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號處理電路，如AD轉換器、自動曝光量控制、非均勻補償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進行快速計算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機及圖像處理系統(tǒng)。
更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統(tǒng)。事實上，當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和轉換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。
CMOS圖像傳感器的工作原理詳解：
1、MOS管的像元結構
在了解CMOS圖像傳感器之前，我們需要先知道最底層的結構——MOS管的像元結構。
MOS三極管和光敏二極管組成的相當于一個像元的結構剖面，在光積分期間，MOS三極管截止，光敏二極管隨入射光的強弱產(chǎn)生對應的載流子并存儲在源極的P．N結部位上（如下圖中的①位置）。
當積分期結束時，掃描脈沖加在MOS三極管的柵極上，使其導通，光敏二極管復位到參考電位，并引起視頻電流在負載上流過，其大小與入射光強對應。
MOS三極管源極P．N結起光電變換和載流子存儲作用，當柵極加有脈沖信號時，視頻信號被讀出。
2、CMOS圖像傳感器陣列結構
多個MOS管的像元結構組成CMOS像敏元陣列結構，這里是CMOS圖像傳感器感測光的開始。CMOS像敏元陣列結構由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元陣列組成。
CMOS像敏元陣列結構
（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平掃描開關；4一垂直掃描開關；5一像敏元陣列；6一信號線；7一像敏元）
如前所述，各MOS晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅動下起開關作用。水平移位寄存器從左至右順次地接通起水平掃描作用的MOS晶體管，也就是尋址列的作用，垂直移位寄存器順次地尋址列陣的各行。
每個像元由光敏二極管和起垂直開關作用的MOS晶體管組成，在水平移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下順次接通水平開關，在垂直移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下接通垂直開關，于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓(偏壓)。
被光照的二極管產(chǎn)生載流子使結電容放電，這就是積分期間信號的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時也是信號讀出過程。在負載上形成的視頻信號大小正比于該像元上的光照強弱。
3、三步讀懂CMOS圖像傳感器的工作流程
根據(jù)CMOS圖像傳感器的功能框圖，我們可發(fā)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的工作流程主要分為以下三步。
CMOS圖像傳感器的功能框圖
第一步：外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應的電荷。
景物通過成像透鏡聚焦到圖像傳感器陣列上，而圖像傳感器陣列是一個二維的像素陣列，每一個像素上都包括一個光敏二極管，每個像素中的光敏二極管將其陣列表面的光強轉換為電信號。
第二步：通過行選擇電路和列選擇電路選取希望操作的像素，并將像素上的電信號讀取出來。
在選通過程中，行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描，列同理。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實現(xiàn)圖像的窗口提取功能。
第三步：把相應的像素單元進行信號處理后輸出。
行像素單元內(nèi)的圖像信號通過各自所在列的信號總線，傳輸?shù)綄哪M信號處理單元以及A/D轉換器，轉換成數(shù)字圖像信號輸出。其中，模擬信號處理單元的主要功能是對信號進行放大處理，并且提高信噪比。
像素電信號放大后送相關雙采樣CDS電路處理，相關雙采樣是高質(zhì)量器件用來消除一些干擾的重要方法。其基本原理是由圖像傳感器引出兩路輸出，一路為實時信號，另外一路為參考信號，通過兩路信號的差分去掉相同或相關的干擾信號。
這種方法可以減少KTC噪聲、復位噪聲和固定模式噪聲FPN(Fixed Pattern Noise)，同時也可以降低1／f噪聲，提高了信噪比。此外，它還可以完成信號積分、放大、采樣、保持等功能。
然后信號輸出到模擬／數(shù)字轉換器上變換成數(shù)字信號輸出。
另外，為了獲得質(zhì)量合格的實用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。
cmos圖像傳感器工作原理：詳解CMOS圖像傳感器的工作原理
描述
更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統(tǒng)。
圖像傳感器是將光信號轉換為電信號的裝置，在數(shù)字電視、可視通信市場中有著廣泛的應用。目前應用廣泛的主要是CCD(Charge-Coupled Device，電荷耦合器件)與CMOS(Complementary metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物場效應管)這兩種。
其中，CMOS是目前最引人注目，且被認為是最有發(fā)展?jié)摿Φ摹?br/>CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，通常由像敏單元陣列、行驅動器、列驅動器、時序控制邏輯、AD轉換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過程一般可分為復位、光電轉換、積分、讀出幾部分。
在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號處理電路，如AD轉換器、自動曝光量控制、非均勻補償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進行快速計算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機及圖像處理系統(tǒng)。
更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統(tǒng)。事實上，當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和轉換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。
CMOS圖像傳感器的工作原理詳解：
1、MOS管的像元結構
MOS三極管和光敏二極管組成的相當于一個像元的結構剖面，在光積分期間，MOS三極管截止，光敏二極管隨入射光的強弱產(chǎn)生對應的載流子并存儲在源極的P．N結部位上（如下圖中的①位置）。
當積分期結束時，掃描脈沖加在MOS三極管的柵極上，使其導通，光敏二極管復位到參考電位，并引起視頻電流在負載上流過，其大小與入射光強對應。
MOS三極管源極P．N結起光電變換和載流子存儲作用，當柵極加有脈沖信號時，視頻信號被讀出。
2、CMOS圖像傳感器陣列結構
CMOS像敏元陣列結構，由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元陣列組成。
CMOS像敏元陣列結構
（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平掃描開關；4一垂直掃描開關；5一像敏元陣列；6一信號線；7一像敏元）
如前所述，各MOS晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅動下起開關作用。水平移位寄存器從左至右順次地接通起水平掃描作用的MOS晶體管，也就是尋址列的作用，垂直移位寄存器順次地尋址列陣的各行。
每個像元由光敏二極管和起垂直開關作用的MOS晶體管組成，在水平移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下順次接通水平開關，在垂直移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下接通垂直開關，于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓(偏壓)。
被光照的二極管產(chǎn)生載流子使結電容放電，這就是積分期間信號的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時也是信號讀出過程。在負載上形成的視頻信號大小正比于該像元上的光照強弱。
3、CMOS圖像傳感器的工作原理及流程
根據(jù)CMOS圖像傳感器的功能框圖，可發(fā)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的工作流程主要分為以下三步。
CMOS圖像傳感器的功能框圖
第一步：外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應的電荷。
景物通過成像透鏡聚焦到圖像傳感器陣列上，而圖像傳感器陣列是一個二維的像素陣列，每一個像素上都包括一個光敏二極管，每個像素中的光敏二極管將其陣列表面的光強轉換為電信號。
第二步：通過行選擇電路和列選擇電路選取希望操作的像素，并將像素上的電信號讀取出來。
在選通過程中，行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描，列同理。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實現(xiàn)圖像的窗口提取功能。
第三步：把相應的像素單元進行信號處理。
行像素單元內(nèi)的圖像信號通過各自所在列的信號總線，傳輸?shù)綄哪M信號處理單元以及A/D轉換器，轉換成數(shù)字圖像信號輸出。其中，模擬信號處理單元的主要功能是對信號進行放大處理，并且提高信噪比。
像素電信號放大后送相關雙采樣CDS電路處理，相關雙采樣是高質(zhì)量器件用來消除一些干擾的重要方法。其基本原理是由圖像傳感器引出兩路輸出，一路為實時信號，另外一路為參考信號，通過兩路信號的差分去掉相同或相關的干擾信號。
這種方法可以減少KTC噪聲、復位噪聲和固定模式噪聲FPN(FixedPatternNoise)，同時也可以降低1／f噪聲，提高了信噪比。此外，它還可以完成信號積分、放大、采樣、保持等功能。
然后信號輸出到模擬／數(shù)字轉換器上變換成數(shù)字信號輸出。
另外，為了獲得質(zhì)量合格的實用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。
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