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CMOS图像传感器集成电路：原理、设计和应用

第1章概述微电子与集成电路丛书

CMOS 图像传感器集成电路

—原理、设计和应用

罗昕编著

第1章概述

内容简介

本书尽量全面地叙述CMOS图像传感器集成电路芯片的原理、结构、应用、设计方法和流程。第1章讲述有关技术背景和发展历程、CMOS图像传感器的特点和应用。第2章讲述CMOS图像传感器集成电路的基本结构和主要技术指标，简述CMOS工艺技术和VLSI设计方法和流程。第3章描述有源像素传感器APS。第4章讲述CMOS 图像传感器的像素阵列结构和原理，以及阵列的各种曝光操作模式。第5、6两章讲述像素阵列的读出、曝光控制、图像信号的高速模数转换和图像数据传输的子系统方案和电路原理。第7章讲述CMOS图像传感器版图设计的一些特点，以及一个全芯片版图布局案例。结束语叙述图像传感器芯片的超大规模集成及其发展前景。

本书面向从事CMOS图像传感器集成电路芯片设计的工程师和图像应用系统的项目设计规划者，以及电子电路与系统专业的学生、模数混合CMOS VLSI设计人员和关心现代电子科技发展的人士。

未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。

图书在版编目（CIP）数据

CMOS图像传感器集成电路：原理、设计和应用 / 罗昕编著. —北京：电子工业出版社，2014.9

（微电子与集成电路丛书）

ISBN 978-7-121-24311-0

Ⅰ. ①C…Ⅱ. ①罗…Ⅲ. ①图象传感器－CMOS电路－集成电路Ⅳ. ①TN432

中国版本图书馆CIP数据核字（2014）第209681号

责任编辑：刘海艳（lhy@https://www.wendangku.net/doc/121048217.html,）

印刷：北京天来印务有限公司

装订：北京天来印务有限公司

出版发行：电子工业出版社

北京市海淀区万寿路173信箱邮编：100036

开本：720×1000 1/16 印张：8.5 字数：106.5千字

版次：2014年9月第1版

印次：2014年9月第1次印刷

印数：1 500册定价：38.00元

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前言前言

在当今的图像技术领域中，先进的CMOS 图像传感器已经毫无疑义地成为数字图像信息采集的主流技术。其中的原因不仅仅是其优秀的直接物理性能—灵敏度、光谱、分辨率和动态范围等，更重要的是因为它们是用CMOS 工艺集成制造的。正是由于这个原因，CMOS 图像传感器才能与各种相关的模拟-数字电路和功能集成在一个单硅片上，从引脚上直接输出数字图像信息；可以直接利用飞速发展的CMOS 工艺超大规模集成最先进技术成果，实现高清晰度成像和高速图像刷新；可以在众多的晶元厂商试制和生产；还可以利用优秀的CMOS 超大规模集成电路设计自动化工具和模型，快速和低成本地不断设计出新产品。

正是由于CMOS 图像传感器的各项优秀特点，数以亿计无处不在的“智能”通信设备才能以拍照和摄像作为必备的功能；而当今世界上凡是重要的事件场合、浮华绚丽的景观或者景色优美的自然风光胜地，到处都充斥着DSLR 数码相机的闪光和快门咔嚓声。也许在许多数字影院里，被高清画面所震撼的观众中，并没有几个人留意到片尾显示的高清晰度数字电影技术的标志，而那些“震撼”正是采用CMOS 图像传感器技术带来的结果。你甚

CMOS图像传感器集成电路—原理、设计和应用

至都不会留意到，从什么时候起你的牙医在用X光检查你的牙齿时，不再给你覆盖沉重的铅防护马甲，然后等待牙医助理处理完X光胶片—可能还需要重拍；而是直接在计算机屏幕上显示和讨论你的牙齿问题和治疗方案，等等。更不用说在尖端的空间、武器和科研领域，近十年来人类的视觉能力正在迅速地向更高清晰度和更宽广的视域延伸着。

大多数CMOS图像传感器集成电路芯片，都是一个单硅片系统（System on a Chip，SoC），而且是模拟-数字混合设计和工艺的范例。从系统、电路到版图设计，直到工艺完成后的硅片，都是电子科学、工程和艺术的完美结合。每一个功能正确、性能优秀的成品芯片，都是一件精美的艺术品。CMOS图像传感器的设计，牵涉许多类型的电子电路，从低噪声的、宽带的到高速的，从模拟的、数字的到传感器的，都涉及很宽的电子电路知识领域。从系统设计、电路设计到CMOS半导体工艺，需要设计团队、晶元厂商密切合作和设计工具软件的支持。CMOS图像传感器集成电路芯片的设计过程，是现代电子设计的完美典范。

因为CMOS图像传感器可以设计成超大规模的系统集成，所以整机和系统的设计师可以考虑在系统中集成图像传感器功能，使其成为与系统紧密结合的一部分，提高系统的电性能、减小体积-重量和获得独立的知识产权。因此CMOS图像传感器的工作原理和设计方法不仅仅是集成电路芯片设计师所应学习和探讨的，而且也应该引起有潜在数字摄像功能的项目、系统和整机产品的领导者和系统设计师的关注和兴趣。以便他们在设计新的产

前言

品时，从项目和系统的规划伊始，就考虑加入集成CMOS图像传感器的元素，使新设计占据更高的起点。

本书是一本电子电路和系统专业的工程技术专著，试图包含2010年以前作者所了解的CMOS图像传感器工程技术成果，希望能对有关的电子工程技术人员有所帮助。有关半导体物理和图像科学的原理知识，请阅读2004年由奥利·雅迪-派克特和拉尔夫·艾蒂安-卡明斯编著的《CMOS成像器：从光电导到图像处理》（CMOS Imagers: From Phototransduction to Image Processing，Orly Yadid-Pecht and Ralph Etienne-Cummings，2004）一书，那是一本CMOS图像传感器技术在第一个十年的优秀论文汇编，是这个领域的经典著作。

第1章概述 (1)

1.1 图像传感器的一般概念 (1)

1.2 图像传感器技术的发展历程 (3)

1.2.1 电子管时代和图像扫描技术 (3)

1.2.2 CCD 图像传感器和像素概念 (6)

1.2.3 CMOS 图像传感器 (10)

1.3 CMOS 图像传感器的特点 (11)

1.3.1 有源像素传感器 (11)

1.3.2 CMOS 图像传感器的集成 (12)

1.3.3 CMOS 系统集成和数字图像革命 (13)

1.4 CMOS 图像传感器的应用 (14)

1.4.1 数字电视和视频摄像 (14)

1.4.2 静止图像数码照相机 (15)

1.4.3 移动通信和便携设备的摄像功能 (17)

1.4.4 高清晰度数字电影摄像技术 (17)

第2章 CMOS 图像传感器系统 (20)

2.1 CMOS 图像传感器的基本结构 (20)

CMOS图像传感器集成电路—原理、设计和应用

2.1.1 CMOS图像传感器的框图 (20)

2.1.2 CMOS图像传感器芯片的封装 (22)

2.2 CMOS图像传感器的性能 (23)

2.2.1 光电转换的原理和性能 (23)

2.2.2 图像清晰度 (25)

2.2.3 图像刷新速率和高速摄影 (26)

2.2.4 图像数据的字长 (27)

2.3 CMOS超大规模集成简述 (27)

2.3.1 CMOS器件的基本结构和原理 (28)

2.3.2 CMOS工艺和版图 (32)

2.3.3 CMOS超大规模集成的设计方法学 (35)

第3章有源像素传感器 (41)

3.1 基本有源像素传感器 (41)

3.1.1 3T-APS电路原理 (41)

3.1.2 3T-APS版图 (43)

3.1.3 像素的填充系数 (44)

3.2 4T-APS像素 (46)

3.2.1 埋入型光电二极管 (46)

3.2.2 3T-APS的输出电压问题 (46)

3.2.3 4T-APS原理 (47)

3.2.4 4T-APS电路和版图 (49)

3.3 5T-APS像素 (50)

3.4 像素的光学结构 (52)

3.4.1 光遮蔽和滤光层 (52)

3.4.2 微透镜 (53)

3.4.3 背光微像素结构 (54)

第4章像素阵列和电子快门 (55)

4.1 像素阵列结构 (55)

4.1.1 像素排列和图像分辨率 (55)

4.1.2 阵列中像素的互连 (57)

4.2 阵列的电子快门曝光 (59)

4.2.1 滚动快门曝光 (59)

4.2.2 全局快门曝光 (62)

4.3 图像阵列信号的读出 (66)

4.3.1 像素阵列的列读出 (66)

4.3.2 像素和阵列读出速率 (68)

4.3.3 并行列读出 (69)

4.4 阵列的选择曝光读出 (71)

4.5 彩色图像的获得 (74)

4.5.1 拜尔彩色阵列 (74)

4.5.2 弗翁彩色图像传感器 (75)

第5章像素阵列曝光读出电路 (78)

5.1 像素阵列读出电路 (78)

5.1.1 固定图案噪声 (78)

5.1.2 相关双取样原理 (80)

5.1.3 CDS读出电路原理 (81)

5.1.4 4T-APS像素阵列的CDS读出电路 (84)

5.2 像素阵列曝光读出控制 (86)

CMOS图像传感器集成电路—原理、设计和应用

5.2.1 像素阵列曝光读出时序 (86)

5.2.2 译码型扫描电路 (87)

第6章图像信号的模数转换和数据传输 (93)

6.1 图像信号的高速模数转换 (93)

6.1.1 逐次逼近数模转换电路原理 (93)

6.1.2 直接比较高速模数转换电路 (96)

6.1.3 高速逐次逼近模数转换电路 (97)

6.1.4 图像高速模数转换电路的系统设计 (100)

6.2 图像数据的高速传输 (100)

6.2.1 高速图像数据传输的系统设计 (100)

6.2.2 高速图像数据差分传输 (102)

第7章CMOS图像传感器芯片版图设计 (106)

7.1 混合CMOS芯片版图 (106)

7.2隔离 (107)

7.2.1 PN结隔离 (107)

7.2.2 深阱隔离 (108)

7.3 集成电容器 (109)

7.3.1MOS电容器 (110)

7.3.2MiM电容器 (111)

7.4 CMOS图像传感器芯片版图布局 (112)

结束语 (115)

附录A术语索引 (117)

参考文献 (126)

第1章概述

1.1 图像传感器的一般概念

图像传感器是把光学图像信息转换成电信号的器件。光学图像信息一般是指在可见光谱范围，物体本身辐射或反射光源照射所产生光辐射的能量分布，对于人类和动物而言就是“视觉”。视觉是感知和描述事物物理存在的最重要、最直接和最普遍的途径之一，地球上的动物普遍使用视觉感知自己、彼此和周围环境事物的存在，尽管不同的动物所感知的辐射光谱和能量强度范围随物种不同而有差别。人类的智慧使人类不满足于仅仅感知事物，而且希望和需要客体和物理地，而非生理和心理地记录、重现和传输图像信息，从而达到在不同时间和地点分享图像信息的目的。绘画曾经是数千年来也许是上万年以来人类所掌握的实现这个目标的最原始手段之一。19世纪发明的照相术是将光学图像信息成像和记录在涂敷了卤化银材料胶片上的技术，在胶片上成像的光能量使卤化银材料发生化学变化，使其透光特性对应于入射光谱和光能量强度，实现了记录光学图像信息的功能，然后用白光光源照射成像后的胶片，通过光学透镜系统在屏幕上或相纸上重现所记录下来的光学图像。20世纪人类发明了电视技术，用电子学的方法获取、记录、传输和重现光学图像信息。在电子图像处理过程中，“获取”是图像信息来源的第一个步骤，因而是决定最后重现图像品质的首要环节，而用于“获取”图像信息的电子器件