圖像傳感器應(yīng)用技術(shù) 第4版 課件 第6章 CMOS圖像傳感器

第6章CMOS圖像傳感器CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)接口電路等集成在起的圖像傳感器件。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)、成品率高和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，應(yīng)用前景很好。它雖然比CCD出現(xiàn)還早一年，但在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，因成像質(zhì)量差、像元尺寸小、填充率低（10%~20%），響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，困擾了多年。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器的很多缺陷被逐漸解決，現(xiàn)已逐漸占領(lǐng)了數(shù)碼照相機(jī)領(lǐng)域。6.1MOS場(chǎng)效應(yīng)管6.1.1

MOS場(chǎng)效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)MOS場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）為具有表面場(chǎng)效應(yīng)的單極性半導(dǎo)體器件，主要由襯底、源極S、漏極D和柵極G組成。其物理模型結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。當(dāng)Ug>Uth（閾值電壓）時(shí)形成如圖6-3所示的導(dǎo)電溝道。半導(dǎo)體工藝結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。圖6-1MOS管的工藝結(jié)構(gòu)圖6-2MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)圖6-3Ug>Uth時(shí)形成的導(dǎo)電溝道圖6-4所示為MOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的立體剖面示意圖。圖6-4MOS場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的立體剖面圖6.1.2場(chǎng)效應(yīng)管的主要性能參數(shù)1、閾值電壓UthUth由三部分組成，即：式中，Us為表面勢(shì)；Uox為氧化層上的電壓降，其值為

Ufb為平帶電壓，其值為：MOS管的伏安特性指漏極Id與源漏電壓Uds的關(guān)系，它取決于柵源間的電壓

Ugs，閾值電壓Uth，及器件結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)。2、伏安特性式中，u(y)為沿Y方向的電壓降，當(dāng)y=L時(shí)，U(L)=UDS

。上式積分結(jié)果是Id與u(y=L)=Uds的關(guān)系曲線，如圖6-5所示。圖6-5場(chǎng)效應(yīng)管的伏安特性（1）線性區(qū)當(dāng)U(y)<<(Ugs-Uth)時(shí)，上式可以簡(jiǎn)化式中，線性區(qū)隨著Uds

的增大，u(y)也上升，絕緣層上的壓降沿源極到漏極逐漸減小，使反型層溝道逐漸變薄，上式變成：（2）非飽和區(qū)此式表明，使Id與隨Uds增大的趨勢(shì)逐漸變慢，于是出現(xiàn)了圖6-5中的飽和過渡段（A點(diǎn)左側(cè)）。（3）飽和區(qū)當(dāng)U(y)=(Ugs-Uth)時(shí)，反型溝道中的導(dǎo)電電荷密度會(huì)減小至0，溝道被截?cái)?，其長(zhǎng)度L不再隨Uds而增大，進(jìn)入了飽和狀態(tài)，如圖6-5中的第③段。當(dāng)Uds足夠大時(shí)，源漏間將出現(xiàn)雪崩電流，如圖6-5中的Id快速上升段（4段）。（4）雪崩區(qū)圖6-5的曲線是在Ugs為常數(shù)的情況下獲得的。如果改變Ugs，則可以得到一簇曲線，如圖6-6所示。圖6-6場(chǎng)效應(yīng)管的伏安特性曲線族3、頻率特性MOS管的頻率特性主要取決于載流子遷移速度，溝道的長(zhǎng)度和寄生電容的容量。圖6-7所示為柵源間分布電容Cgs及柵漏間分布電容Cgd；襯底與漏極電容Cbd和襯底與源極電容Cbs。圖6-7MOS管的電容分布從Rgs，Cgs特性，可得到輸出/輸入的頻率特性式中，k為不隨角頻率ω變化的常數(shù)。截止頻率fT是MOS場(chǎng)效應(yīng)管頻率特性的重要參數(shù)。其定義為當(dāng)頻率升高時(shí)，流過柵源之間的電容Cgs的電流也增大；當(dāng)流過它的電流正好等于交流電路的短路輸出電流時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率ωT。4、開關(guān)特性在CMOS傳感器中采用了大量MOS開關(guān)管，用做尋址控制和讀出控制。其基本電路如圖6-8所示。在實(shí)際集成電路中，RL是用MOS場(chǎng)效應(yīng)管取代的，如圖6-9所示。圖6-8MOS開關(guān)電路由于輸出端存在對(duì)地的電容Cg，上述的開關(guān)作用不可能是實(shí)變的，輸入和輸出波形如圖6-10所示。圖6-10MOS管的開關(guān)特性延遲時(shí)間與Cg成正比，但與UDD，Uth，Ug之間存在著較為復(fù)雜的關(guān)系。V1管的放電電流經(jīng)V2管的充電電流上升時(shí)間和下降時(shí)間與充放電電流有關(guān)。5、場(chǎng)效應(yīng)管中的主要噪聲(1)熱噪聲電子熱運(yùn)動(dòng)引起溝道電勢(shì)的起伏，柵極電壓產(chǎn)生波動(dòng)，形成熱噪聲電流的均方值為其中F(η)為電子熱運(yùn)動(dòng)形成的溝道電勢(shì)分布的起伏將通過柵極電容耦合到柵極，產(chǎn)生柵極噪聲，并通過漏極或源極傳輸。該噪聲稱為誘生柵極噪聲。它的電流均方值為(2)誘生柵極噪聲式中，

為單位溝道寬的柵極溝道電容，gms為飽和柵極跨導(dǎo)。(3)電流噪聲載流子在溝道中運(yùn)動(dòng)會(huì)被界面時(shí)而俘獲，時(shí)而釋放，所形成的電流噪聲。它與1/f成正比，還與界面電荷密度成正比。6.2CMOS的原理結(jié)構(gòu)6.2.1CMOS的組成CMOS的組成原理框圖如圖6-11所示。它由像元陣列、X與Y地址譯碼器、模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器和其他電子電路等部件構(gòu)成。圖像信號(hào)的輸出過程可由（如圖6-12所示）圖像傳感器陣列原理圖更清楚地說明。CMOS的像元有兩種結(jié)構(gòu)，被動(dòng)和主動(dòng)像元結(jié)構(gòu)。前者只包含光電二極管和地址選通開關(guān)兩部分，如圖6-13所示。6.2.2CMOS的像元結(jié)構(gòu)圖6-13CMOS像元結(jié)構(gòu)像元信號(hào)的讀出時(shí)序如圖6-14所示。圖6-14圖像信號(hào)的讀出時(shí)序脈沖圖6-14像元信號(hào)讀出時(shí)序采集像元信號(hào)開始光積分主動(dòng)式像元結(jié)構(gòu)的基本電路如圖6-15所示。V1管用作光電二極管的負(fù)載，它由復(fù)位線控制，復(fù)位脈沖到來，V1導(dǎo)通，光電二極管被復(fù)位；而復(fù)位消失后，V1截止，光電二極管開始光積分。

圖6-16所示為上述過程的時(shí)序圖。圖6-16主動(dòng)像元時(shí)序圖主動(dòng)式像元結(jié)構(gòu)有3管、4管、5管或更多管等形式。在3管形式基礎(chǔ)上再增加起存儲(chǔ)開關(guān)作用的場(chǎng)效應(yīng)管，構(gòu)成了如圖6-17所示的4管主動(dòng)像元結(jié)構(gòu)，它能將光電二極管的信號(hào)迅速存儲(chǔ)在電容中，以便光電二極管能立即積分新的光信號(hào)。圖6-17四管像元結(jié)構(gòu)圖6-18所示的是5管形式，它比4管形式多了一個(gè)用做復(fù)位的開關(guān)管，從而克服了4管形式無復(fù)位的缺點(diǎn)；同時(shí)，兩個(gè)復(fù)位開關(guān)與一個(gè)存儲(chǔ)開關(guān)的配合，可以實(shí)現(xiàn)更完善的曝光控制。圖6-185管式主動(dòng)像元結(jié)構(gòu)圖6-19所示為6種常用的各具特點(diǎn)的主動(dòng)像元結(jié)構(gòu)形式。圖6-19幾種主動(dòng)式像元結(jié)構(gòu)CMOS圖像傳感器的典型工作流程圖如圖6-20所示。6.2.3CMOS圖像傳感器的工作流程圖6-20CMOS圖像傳感器的工作流程圖圖6-21所示為CMOS圖像傳感器時(shí)序脈沖波形圖。圖6-21CMOS傳感器時(shí)序脈沖波形圖在CMOS中，各像元的偏置電壓是不均勻的，可在芯片中設(shè)置非均勻性校正電路進(jìn)行校正，這對(duì)于弱信號(hào)場(chǎng)合特別有意義。6.2.4CMOS的輔助電路（1）偏置非均勻性校正電路校正成像器件非均勻性的方法有兩種：軟件方法和硬件方法。前者的靈活性很好，但校正速度慢，后者需要設(shè)置電路。圖6-22所示為采用硬件方法校正非均勻性的電路。圖6-22CMOS圖像傳感器非均勻校正電路實(shí)現(xiàn)隨機(jī)采樣方法的原理如圖6-23所示。（2）隨機(jī)選址電路圖6-23隨機(jī)采樣原理示意圖相關(guān)雙采樣（CDS）方法常用于消除KTC噪聲，它的工作原理如圖6-24所示。（3）相關(guān)雙采樣電路圖6-24相關(guān)雙采樣原理波形圖下面相關(guān)雙采樣電路的頻率特性，以便清晰地表明CDS有抑制低頻信號(hào)的作用。U（t）被采樣和保持后，其差值信號(hào)為：式中，τ=t1-t2，T為采樣信號(hào)的周期。對(duì)U（t）進(jìn)行傅里葉變換，即得ΔU(t)的頻譜為：式中，fn是奈奎斯特頻率。上式說明，幾項(xiàng)頻譜疊加的結(jié)果會(huì)造成頻譜混淆現(xiàn)象，需要用一個(gè)矩形濾波器將n=1以上的頻譜濾掉。這樣CDS的傳遞函數(shù)T（f）便為：T（f）的曲線如圖6-25所示，可見CDS對(duì)低頻適用。圖6-25相關(guān)雙采樣傳遞函數(shù)當(dāng)信號(hào)光強(qiáng)變化很大時(shí)，可以采用具有對(duì)數(shù)特性的電路，以便滿足動(dòng)態(tài)范圍的要求。圖6-26所示為一種具有對(duì)數(shù)運(yùn)算功能的輸出電路，它除具有一般主動(dòng)像元結(jié)構(gòu)外，還增加有校正電流電路（由校正開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管V4和復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管V5構(gòu)成）與選通開關(guān)電路。（4）對(duì)數(shù)特性的電路光電流很微弱，所以V1管的電流I可近似為式中，Ug和Us分別是T1的柵極和源極的電壓，UV1是V1的閾值電壓，Ut=KT/q是熱電壓，I0是截止電流，而n是常數(shù)。設(shè)IP1為光電二極管的光電流，Ir是其反向電流，則光電二極管的輸出電壓為式中，UV2是V2的閾值電壓，g為其跨導(dǎo)，Ib為光電二極管的偏置電流。圖6-27給出了輸出電壓Up與光電流IP的關(guān)系。當(dāng)Up1采樣–保持后，用窄脈沖RC使V4管暫短導(dǎo)通，產(chǎn)生校正電流Ical，并形成新的電壓Up2。因?yàn)镮cal>IP，因此V1處于強(qiáng)反型狀態(tài)，輸出電壓為:

式中，g1是V1的跨導(dǎo)。若Up2也得到采樣與保持，則輸出電壓差圖6-27輸出電壓與光電流的對(duì)數(shù)關(guān)系為了獲得差值電壓（Up1–Up2），需要在圖6-26所示的電路后面設(shè)置如圖6-28所示的列放大器。

列放大器由采樣保持電路，場(chǎng)效應(yīng)管模擬開關(guān)電路（V1~V4）和電子開關(guān)（S1~S5）等構(gòu)成。

電子開關(guān)S2~S5的開關(guān)狀態(tài)由其上所加的電平?jīng)Q定，高電平時(shí)開關(guān)閉合。圖6-29所示為列放大器的兩個(gè)工作階段。圖6-29列放大器的2個(gè)工作階段表6-1列出這兩個(gè)階段的脈沖狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)、放大器增益、信號(hào)的采樣和列放大器的輸出Up2信號(hào)情況。表6-1列放大器的狀態(tài)第一階段第二階段

脈沖RC狀態(tài)脈沖SSH狀態(tài)低電平

高電平低電平

高電平低電平高電平低電平脈沖S1狀態(tài)S2、S4S3、S5高電平

低電平高電平低電平低電平低電平高電平開關(guān)S2，S4開關(guān)S3，S5放大器增益閉合斷開13開閉合3校正信號(hào)Up2采樣C4上的信號(hào)保持Up1保持Up1－Up2輸出信號(hào)Up1－Up2思考題與習(xí)題6解題思路6.1題，需要認(rèn)真觀測(cè)圖6-11與圖6-12，能夠找到正確解題思路。X、Y地址譯碼器和模擬開關(guān)對(duì)像元信號(hào)的輸出起到重要作用。6.2題，需要認(rèn)真閱讀6.2.1節(jié)內(nèi)容，如果能夠控制X、Y地址譯碼器和模擬開關(guān)，就能夠使CMOS圖像傳感器有更靈活的信號(hào)輸出方式。6.3題，需要復(fù)習(xí)6.2.2節(jié)內(nèi)容，所有問題的答案都能夠找到。6.3.1光譜響應(yīng)與量子效率CMOS的光譜特性和量子效率取決于它的像元（光電二極管）。圖6-30所示為CMOS的光譜響應(yīng)特性曲線。圖6-30CMOS像元光譜響應(yīng)特性曲線6.3.2填充因子它是受光面積對(duì)像元全部面積之比，它對(duì)器件的靈敏度、噪聲、時(shí)間響應(yīng)、模傳遞函數(shù)MTF等都有影響。提高填充因子的方法有兩種。（1）采用微透鏡法如圖6-31所示，在CMOS成像元上方設(shè)置微透鏡，將入射到像元的光線會(huì)聚到光敏面上，填充因子可提高到90%以上。圖6-31微透鏡的作用6.3CMOS的特性指標(biāo)圖6-32所示為一種填充率較高的CMOS的像元結(jié)構(gòu)，它的表面有光電二極管和其他電路，二者是隔離的。（2）采用特殊的像元結(jié)構(gòu)圖6-32高填充率的CMOS像元結(jié)構(gòu)圖6-33所示為像元兩個(gè)截面的電位分布圖。圖6-33

CMOS傳感器像元兩個(gè)截面的表面勢(shì)分布截面A截面B電位低，阻擋光電子電位高，吸引光電子CMOS有4種輸出模式：線性模式、雙斜率模式、對(duì)數(shù)特性模式和γ校正模式。如圖6-34所示為4種輸出模式的曲線。6.3.3輸出特性與動(dòng)態(tài)范圍圖6-344種輸出模式關(guān)系曲線（1）線性輸出模式適用于要求進(jìn)行連續(xù)測(cè)量的場(chǎng)合。（2）雙斜率輸出模式雙斜率擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍。（3）對(duì)數(shù)輸出模式既增大動(dòng)態(tài)范圍，又能適合人眼對(duì)圖像的響應(yīng)規(guī)律，因此，有良好的應(yīng)用價(jià)值。（4）γ校正模式γ校正模式輸出規(guī)律為6.3.4噪聲（1）光電二極管噪聲①熱噪聲②散粒噪聲③產(chǎn)生復(fù)合噪聲④電流噪聲（2）MOS場(chǎng)效應(yīng)管噪聲（3）CMOS中的工作噪聲①?gòu)?fù)位噪聲

②空間噪聲

空間噪聲包括暗電流不均勻引起的固定圖案噪聲（FPN）、暗電流產(chǎn)生與復(fù)合不均勻引起的噪聲，像元缺陷帶來的響應(yīng)不均勻引起的噪聲和成像器件中存在溫度梯度引起的熱圖案噪聲等。利用像元尺寸b和像元間隔S等參數(shù)，很容易推導(dǎo)出CMOS成像器件的理論空間傳遞函數(shù)6.3.5空間傳遞函數(shù)式中，f是空間頻率。T（f）=0的空間頻率稱為奈奎斯特（Nyquis）頻率fN。從上式可求得此式的曲線如圖6-35所示。圖6-35CMOS傳感器的空間傳遞函數(shù)曲線6.3.6CMOS與CCD的比較這兩種器件采用同樣的硅（Si）材料制作，其性能比較如表6-2所示。序號(hào)參

數(shù)CMOSCCD1填充率接近100%

2暗電流（PA/M2）10~100103噪聲電子數(shù)≤20≤504FPN（%）可在邏輯電路中校正＜15DRNU（%）＜101~106工藝難度小大7光探測(cè)技術(shù)

可優(yōu)化8像元放大器有無9信號(hào)輸出行、列開關(guān)控制，可隨機(jī)采樣CCD為逐個(gè)像元輸出，只能按規(guī)定的程序輸出

10ADC在同一芯片中可設(shè)置ADC只能在器件外部設(shè)置ADC11邏輯電路芯片內(nèi)可設(shè)置若干邏輯電路只能在器件外設(shè)置12接口電路芯片內(nèi)可以設(shè)有接口電路只能在器件外設(shè)置13驅(qū)動(dòng)電路同一芯片內(nèi)設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路只能在器件外設(shè)置，很復(fù)雜表6-2

CMOS與CCD的性能比較6.4典型CMOS6.4.1IBIS4SXGAIBIS4SXGA其原理結(jié)構(gòu)如圖6-36所示。1、原理結(jié)構(gòu)SXGA的像元總數(shù)是1286×1030個(gè)，其中在每行和每列的起始端及末尾端各有3個(gè)像元為虛設(shè)單元。成像區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖6-37所示。圖6-37

SXGA型傳感器的成像區(qū)結(jié)構(gòu)圖SXGA的光譜響應(yīng)特性曲線如圖6-38所示。圖6-38

SXGA的光譜響應(yīng)特性曲線SXGA的輸出特性如圖6-39所示。圖6-39

SXGA的輸出特性曲線曲線的線性段動(dòng)態(tài)范圍僅為66dB。若采用對(duì)數(shù)放大器，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到100dB。2、輸出放大器圖6-40所示為SXGA的輸出放大器電路原理框圖，它主要由增益可調(diào)的放大器、鉗位器和偏壓調(diào)節(jié)電路三部分組成。如圖6-41所示為按指數(shù)規(guī)律控制放大器增益的調(diào)整。圖6-41

增益調(diào)節(jié)規(guī)律按4位編碼控制增益，即可有8種增益，在5.33~17.53之間可調(diào)。改變?cè)鲆鎸?duì)放大器帶寬影響如圖6-42所示，低增益段頻帶寬度要大些。圖6-42增益對(duì)帶寬的影響偏壓調(diào)節(jié)分為快速或慢速調(diào)節(jié)模式，快速模式的調(diào)節(jié)過程如圖6-43所示。這種快速調(diào)節(jié)模式適用于快速讀出圖像信號(hào)過程，每幀即可調(diào)節(jié)一次。當(dāng)需要慢速讀出圖像信號(hào)時(shí)，需要采用慢速調(diào)節(jié)偏壓的方法。為防止偏壓漂移，每行都要進(jìn)行偏壓調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過程如圖6-44所示，它與圖6-43的主要區(qū)別在于調(diào)節(jié)過程的時(shí)間較長(zhǎng)。圖6-43快速模式的調(diào)整過程圖6-44慢速模式的調(diào)整過程輸出放大器的輸出/輸入特性曲線如圖6-45所示。圖6-45

輸出/輸入特性曲線3、A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的輸出/輸入的關(guān)系曲線如圖6-46所示。圖6-46數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出特性6.4.2FUGA1000FUGA1000具有隨機(jī)采樣和對(duì)數(shù)響應(yīng)的能力。它的光譜響應(yīng)特性如圖6-47所示。圖6-47Fuga1000傳感器的光譜響應(yīng)表6-3列出幾種典型FillFactorg公司生產(chǎn)的CMOS成像器各項(xiàng)特性參數(shù)。

IBIS4SXGAFUGA1000LUPA1300像元數(shù)1286×10301024×10241280×1024像元尺寸（μm）7×78×814×14填充因子（%）607050光譜范圍（nm）400~1000（彩色或黑白）400~1000（彩色或黑白）

量子效率（%）60>3015（700nm）光譜響應(yīng)度（V/W）0.165（700nm）

速率（MHz）103040（幀頻450幀/秒）噪聲等效光流1e，4lx6.3e，75W/m2<10-4w/m2

靈敏度V/lx·sVm2/W·s71260

MTF（Nyguist頻率）(0.4-0.5)(450nm)（0.25-0.35）(650nm)

表6-3

CMOS的特性參數(shù)

IBIS4SXGAFUGA1000LUPA1300光學(xué)竄音（至第一鄰元）

（至第二鄰元）10%2%

15%電荷轉(zhuǎn)換效率（μV/e）18

16滿勢(shì)阱電荷數(shù)（個(gè)）70000

60000暗噪聲（電子數(shù)μVRMS）20500

45動(dòng)態(tài)范圍60dB2000:1120dB（對(duì)數(shù)響應(yīng)）62db,1330：1暗電流（mv/s）19

暗電流非均勻性（%）15

10固定圖形噪聲（mV）響應(yīng)非均勻性（%）9.610

輸出信號(hào)電壓（V）1.2

1數(shù)字輸出（bit）1010

抗光暈（Smear）>105

電子快門無有有γ校正數(shù)字方式

輸出端數(shù)1116表6-3

CMOS的特性參數(shù)（續(xù)上表）當(dāng)用做彩色圖像傳感器時(shí)，需要在成像面上覆蓋R，G，B三色濾光片，濾光片的光譜響應(yīng)特性如圖6-48所示。圖6-49所示為FUGA1000的對(duì)數(shù)輸出特性。圖6-48彩色濾光片的光譜透過率圖6-49對(duì)數(shù)輸出特性FUGA1000通過隨機(jī)尋址讀取像元信號(hào)。圖6-50所示為隨機(jī)尋址電路的主要部分。有兩個(gè)隨機(jī)尋址電路可以分別對(duì)行（X）和列（Y）進(jìn)行尋址。圖6-50隨機(jī)尋址電路表6-4給出了輸出地址的控制邏輯關(guān)系，表中的0代表低電平，1代表高電平，1-0-1代表信號(hào)的高低電平的變化過程。表6-4地址控制邏輯表序號(hào)SYNCINCRLOAD-SLOAD-IINPUTOUTPUT說明11-0-1111地址地址典型隨機(jī)選址2111-0-11地址地址不變將起始地址饋送給寄存器31111-0-1增量地址地址不變將增量地址饋送給寄存器411-0-111

前一地址加增量地址增加輸出地址6.4.3LUPA1300LUPA1300的結(jié)構(gòu)如圖6-51所示。1、LUPA1300的結(jié)構(gòu)它除像元陣列、Y和X移位寄存器，以及列放大器外，還有16路并行輸出的放大器、Y和X的起始點(diǎn)定位器、像元信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路和邏輯電路等。LUPA1300的像元結(jié)構(gòu)如圖6-52所示，它為主動(dòng)式像元結(jié)構(gòu)。圖6-52

像元結(jié)構(gòu)2、像元信號(hào)輸出方式像元輸出信號(hào)要經(jīng)過列放大器放大，列放大器同時(shí)還起著像元與輸出放大器之間的接口作用。從列放大器輸出的信號(hào)還要經(jīng)過輸出放大器放大，才能向外讀出。圖6-53所示是該放大電路的原理框圖。圖6-53

放大電路原理圖輸出放大器的輸出特性如圖6-54所示，其中暗信號(hào)對(duì)應(yīng)于高電平，而飽和信號(hào)則對(duì)應(yīng)于0電平。這一特性曲線基本上是線性的。圖6-54放大器輸出特性圖6-55所示為像元陣列的工作時(shí)序，它確定了積分時(shí)間、像元信號(hào)采樣、預(yù)充電和復(fù)位的時(shí)序。3、信號(hào)輸出程序圖6-55像元工作順序行選擇過程的時(shí)序脈沖波形如圖6-56所示，它是由同步脈沖SYNC-Y和時(shí)鐘脈沖CLCK-Y共同控制完成的。圖6-56行選擇過程的時(shí)序圖當(dāng)行選出后，便需要對(duì)該行的像元信號(hào)進(jìn)行讀出。首先還應(yīng)讓該信號(hào)穩(wěn)定下來，所需時(shí)間為消隱時(shí)間，如圖6-57所示，剩下的時(shí)間才是真正的行讀出時(shí)間。圖6-57行讀出時(shí)序圖6.5CMOS攝像機(jī)6.5.1IM26-SA表6-5列舉了三種CMOS攝像機(jī)的基本特性參數(shù)。參數(shù)IM28—SAIM75—SAMC1300像元數(shù)1024×10241024×10241280×1024像元尺寸（μm）10.6×10.610.6×10.612×12填充率（%）353540光譜響應(yīng)范圍（nm）380～1100380～1100400～1000量子效率（%）2525

響應(yīng)度(Vm2/W)0.7～11.2

1000(Lsb/lx·s)數(shù)據(jù)率（MHz）內(nèi)同步26.4；外同步20-26.4內(nèi)同步40；外同步10—20

數(shù)據(jù)位數(shù)（bit）8和101016幀頻(f/s)277547動(dòng)態(tài)范圍（dB）線性48非線性128

59噪聲（RMS）<1LSB<1LSB

取景幅度>2行×128列

電源電壓（V）55內(nèi)部電源8～35表6-5CMOS攝像機(jī)的性能參數(shù)IM26-SA型CMOS攝像機(jī)的光譜特性如圖6-58所示。圖6-58IM26-SA的光譜響應(yīng)曲線圖IM26-SA型CMOS攝像機(jī)的輸出特性曲線如圖6-59所示。圖6-59IM26-SA的光電特性曲線IM26-SA攝像機(jī)中的圖像信號(hào)放大器的增益可有兩種選擇方式：非略讀增益方式和略讀增益方式。圖6-60所示為兩種增益的輸出特性曲線。圖6-60IM26-SA不同增益下的輸出特性曲線攝像機(jī)的運(yùn)行模式和功能的設(shè)置都要事先存儲(chǔ)在E2PROM中，運(yùn)行時(shí)再將其通過軟件調(diào)出存于移位寄存器。這種移位寄存器總共有32