基于CMOS圖像傳感器邁入新時(shí)代

基于摩爾定律，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的縮小使得SoC技術(shù)從2000年起快速擴(kuò)展并更具競(jìng)爭(zhēng)力?，F(xiàn)在CIS繼續(xù)致力改進(jìn)光電性能，在很多方面都顯得比CCD優(yōu)勝。如果利用“進(jìn)化論”譬喻，可以把CIS視作抵過多次自然災(zāi)害仍然存活的哺乳類動(dòng)物，而這個(gè)進(jìn)化歷史更是跨越6500萬年的史詩級(jí)故事！

早于上世紀(jì)九十年代初，有意見認(rèn)為電荷耦合器件（CCD）日漸式微，最終將成為“科技恐龍”。如果以索尼公司（Sony）2015年的發(fā)布來看待，這個(gè)預(yù)言好像也有點(diǎn)道理。當(dāng)時(shí)索尼公司正式發(fā)布終止量產(chǎn)CCD時(shí)間表，并開始接收最后訂單。雖然多年前業(yè)界已預(yù)計(jì)此舉遲早將會(huì)出現(xiàn)，但是索尼這一發(fā)布仍然震驚了專業(yè)成像社群。值得一提的是，很多工業(yè)或?qū)I(yè)應(yīng)用——即CMOS圖像傳感器（CIS）的重點(diǎn)市場(chǎng)——到現(xiàn)在仍然基于CCD傳感器技術(shù)。到底CCD有什么特點(diǎn)優(yōu)于CIS，使其更具吸引力呢？在發(fā)展初期，CCD和CIS兩種技術(shù)是共存的。后來，CCD被視為能夠滿足嚴(yán)格圖像質(zhì)量要求的高端技術(shù)，而同時(shí)期的CMOS技術(shù)仍然未成熟并受制于其固有噪聲和像素復(fù)雜性等問題。在這一時(shí)期，圖像技術(shù)仍然以模擬結(jié)構(gòu)為主，而集成圖像處理功能（系統(tǒng)級(jí)芯片，SoC）這一概念還沒有被認(rèn)真考慮?；谀柖?，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的縮小使得SoC技術(shù)從2000年起快速擴(kuò)展并更具競(jìng)爭(zhēng)力。現(xiàn)在CIS繼續(xù)致力改進(jìn)光電性能，在很多方面都顯得比CCD優(yōu)勝。如果利用文首提到的“進(jìn)化論”譬喻，其實(shí)可以把CIS視作抵過多次自然災(zāi)害仍然存活的哺乳類動(dòng)物，而這個(gè)進(jìn)化歷史更是跨越6500萬年的史詩級(jí)故事！

CCD和CMOS：同源異種

CCD的工作原理是將光子信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子包并順序傳送到一個(gè)共同輸出結(jié)構(gòu)，然后把電荷轉(zhuǎn)換成電壓。接著，這些信號(hào)會(huì)送到緩沖器并存儲(chǔ)到芯片外。在CCD應(yīng)用中，大部分功能都是在相機(jī)的電路板上進(jìn)行的。當(dāng)應(yīng)用需要修改時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以改動(dòng)電路而無需重新設(shè)計(jì)圖像芯片。在CMOS圖像傳感器中，電荷轉(zhuǎn)換成電壓的工作是在每一像素上進(jìn)行。CMOS圖像芯片在像素級(jí)把電荷轉(zhuǎn)換成電壓，而大部分的功能則集成進(jìn)芯片。這樣所有功能可通過單一電源工作，并能夠?qū)崿F(xiàn)依照感興趣區(qū)域或是開窗靈活讀出圖像。一般來說，CCD采用NMOS技術(shù)，因而能夠通過如雙層多晶硅、抗暈、金屬屏蔽和特定起始物料互相覆蓋等特定工藝實(shí)現(xiàn)性能。而CMOS是基于用于數(shù)字集成電路的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)生產(chǎn)，再根據(jù)客戶要求加入成像功能（如嵌入式光電二極管）。

一般的見解是CMOS傳感器的生產(chǎn)成本比CCD低，因而它的性能也較CCD低。這個(gè)假設(shè)是基于市場(chǎng)需求的考慮而得出的，但是其他專業(yè)市場(chǎng)的意見卻認(rèn)為兩者的技術(shù)水平相若，而CCD甚至可能更經(jīng)濟(jì)。例如，絕大多數(shù)太空計(jì)劃仍然采用CCD器件，原因不單是CCD在小批量和低成本的考慮下可在工藝級(jí)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化，還有長(zhǎng)期穩(wěn)定供貨的需求考慮。同樣，基于高端CCD的解決方案在科學(xué)成像市場(chǎng)也有主流占有率，而且還有一些新產(chǎn)品在開發(fā)階段。情況就是恐龍進(jìn)化成飛鳥，而它們大部分都能夠提供優(yōu)秀的成像功能……

CMOS使系統(tǒng)復(fù)雜性得到改進(jìn)，因?yàn)樗旧锨度肓巳缒?shù)轉(zhuǎn)換、相關(guān)雙采樣（CDS）、時(shí)鐘生成、穩(wěn)壓器等SoC結(jié)構(gòu)或是圖像后處理等功能，而這些以前都是應(yīng)用系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)才有的功能（圖1）?，F(xiàn)在的CIS通常是依照從180nm到近期65nm的1P4M（1層聚酯、4層金屬）工藝生產(chǎn)，允許像素設(shè)計(jì)加入非常高的轉(zhuǎn)換因子，便于結(jié)合列增益放大。這使得CMOS的光反饋和光靈敏度一般都比CCD為佳。相較于CMOS，CCD芯片的襯底偏壓穩(wěn)定性更好且芯片上的電路更少，因此擁有更顯著的低噪優(yōu)勢(shì)，甚至達(dá)到無固定模式噪聲的水平。

圖1：CCD和CMOS結(jié)構(gòu)比較。

表1：CCD和CMOS特點(diǎn)比較。

另一方面，CIS的采樣頻率較低，可以減小像素讀出所需要的帶寬，因而瞬時(shí)噪聲也較小?？扉T會(huì)同時(shí)對(duì)陣列上的所有像素進(jìn)行曝光。但是，CMOS傳感器采用這一方法的話，由于每個(gè)像素需要額外的晶體管，反而占用更多像素空間。另外，CMOS每一像素?fù)碛幸粋€(gè)開環(huán)輸出放大器，而因著晶圓工藝的差異，每一放大器的補(bǔ)償和增益會(huì)有所變化，而使亮暗不均勻狀況都比CCD傳感器差。相對(duì)于同級(jí)的CCD傳感器，CMOS傳感器擁有較低的功耗，而芯片上其他電路的功耗也比CCD經(jīng)優(yōu)化模擬系統(tǒng)芯片匹配的解決方案來得低。取決于供貨量并考慮到CCD導(dǎo)入外部相關(guān)電路功能的成本，CMOS的系統(tǒng)成本也有可能低于CCD。表1總結(jié)了CCD和CMOS的特點(diǎn)，有些功能有利于一種或其他技術(shù)，因此毋需完全分割整體性能或成本。不過，CMOS的真正優(yōu)勢(shì)是通過SoC方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入靈活性，以及其低功耗特點(diǎn)。

關(guān)于噪聲性能的常見誤解

視頻成像鏈的帶寬必須小心調(diào)整，以便最小化數(shù)字化階段的讀出噪聲?？墒沁@一帶寬也必須足夠大以防止圖像出現(xiàn)其他缺陷。這一慣常做法也適用于CCD和CMOS。帶寬的最小閾值是信號(hào)由采樣達(dá)到足夠接近理想水平所需要的時(shí)間決定的。誘發(fā)性誤差應(yīng)處于接近最低有效位（LSB）的可忽略水平。要決定所需要的帶寬，可以應(yīng)用下面的準(zhǔn)則：

把放大鏈帶寬fc、信號(hào)頻率fs和N（即ADC分辨率）置入算式計(jì)算。例如N=12時(shí)，數(shù)值則是：

噪聲最由兩個(gè)因素造成：1/f閃爍噪聲和熱噪聲（見圖2）。閃爍噪聲是大自然中常有的噪聲，而它旳頻譜密度和地球自轉(zhuǎn)速度、海底水流、天氣以至氣候現(xiàn)象等活動(dòng)相關(guān)。研究報(bào)告顯示普通蠟燭的閃爍速率是1/f。在MOS器件和放大鏈各元素中，閃爍噪聲則是技術(shù)工藝誤差生成的缺陷，使電荷被困于柵極氧化物內(nèi)所造成的結(jié)果。電荷進(jìn)出這些“陷阱”，造成晶體管通道內(nèi)的電流不穩(wěn)定，故又稱“隨機(jī)電報(bào)噪聲”（RTS）。利用洛倫茲數(shù)學(xué)模型可以形容每一個(gè)“陷阱”的共振行為，而模型的總和（即MOSFET通道表面范圍的所有“陷阱”總和）在1/f頻譜上展示時(shí)，會(huì)完全符合具體噪聲的頻譜密度。結(jié)果顯示，1/f波幅與MOSFET通道表面面積成反比──不是完全直觀。

圖2：頻譜噪聲密度。

要去除或減小CIS上的放大器共模差異，浮點(diǎn)的重置噪聲以至晶體管技術(shù)分散，視頻通道通常集成一個(gè)相關(guān)雙采樣（CDS）級(jí)。這一元素把視頻信號(hào)傳遞函數(shù)依照下面的算式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

在算式中，fs是采樣頻率，n是CDS因子（通常n=2）。如圖3顯示，取決于采樣頻率，這一濾波能或多或少地去除1/f噪聲頻率分量，尤其是當(dāng)采樣頻率fs很高的時(shí)候顯著（換句話說，電荷進(jìn)出“陷阱”的動(dòng)作將慢于CDS頻率）。HCDS濾波器結(jié)合放大鏈的低通濾波器可以簡(jiǎn)化為一個(gè)如圖3所示的等效帶通濾波器。圖中的eqBP1對(duì)應(yīng)一個(gè)一階帶通濾波器。這里eqBP1的噪聲頻譜函數(shù)要除以2，以得到一個(gè)帶有HCDS函數(shù)的等效集成噪聲功率。eqBP2是eqBP1的陷波估算值。為取得集成噪聲功率，eqBP2的上限和下限分別按照(π/2)-1和π/2進(jìn)行倍增。

圖3：噪聲濾波函數(shù)。

在圖2和圖3所示的一般狀況下，噪聲性能可依照下面的算式展示：

把算式（1）和（4）合并后，得出總體集成讀出噪聲估算值如下：

有關(guān)算式經(jīng)驗(yàn)證跟數(shù)字仿真結(jié)果相當(dāng)匹配。CCD的讀出噪聲可達(dá)到非常低水平，適合如天文或科學(xué)成像，這些應(yīng)用領(lǐng)域的讀出頻率可以非常低。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含有最小頻帶寬的電子元素，以避免集成進(jìn)信號(hào)的不穩(wěn)定時(shí)脈。在這些應(yīng)用中，噪聲的1/f分量有主導(dǎo)地位（圖4）。在高速視頻應(yīng)用中，高噪聲使得信噪比顯著變差。從多個(gè)不同CCD視頻相機(jī)錄得的具體噪聲表示狀況數(shù)據(jù)，確認(rèn)了有關(guān)理論。CMOS圖像傳感器的列式平行讀出布局（見圖1）在這一方面提供優(yōu)勢(shì)。閾值讀出頻率除以列數(shù)，再與CCD數(shù)值比較。在這里，CIS的讀出噪聲主要由1/f數(shù)值主導(dǎo)。這有助于進(jìn)一步改進(jìn)CMOS技術(shù)在成像方面的性能。近期的結(jié)果顯示，CIS可提供1e-或更低范圍的優(yōu)秀噪聲性能。

圖4：讀出噪聲作為fs的函數(shù)。

MTF和QE：成像質(zhì)量的支柱

量子效率（QE）是直接影響圖像傳感器光電性能的因素，因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換效率的任何損耗都會(huì)直接減低信噪比（SNR）。它的影響是兩方面的，因?yàn)楫?dāng)散粒噪聲（信號(hào)的平方根）是主要噪聲源時(shí)，QE不單是信噪比的被除數(shù)（信號(hào)），同時(shí)也是除數(shù)（噪聲）。在這一點(diǎn)之上，CCD和CMOS處于同一水平，可是CCD在QE改進(jìn)方面累積有多年的技術(shù)工藝優(yōu)化，而在CIS的QE改進(jìn)發(fā)展相對(duì)較遲?；诠栉镔|(zhì)的物理特性，較長(zhǎng)的波長(zhǎng)能穿透光敏轉(zhuǎn)換區(qū)，因此會(huì)使用厚的外延材料來增加上紅色和近紅外線波長(zhǎng)的QE。根據(jù)比爾朗伯定律，被吸收的能量是與介質(zhì)的厚度成指數(shù)關(guān)系。高端應(yīng)用的CCD利用較厚的硅物質(zhì)和背照（BSI）工藝以恢復(fù)高寬帶QE和近紅外線（NIR）靈敏度，因而擁有優(yōu)勢(shì)。

圖5：QE 指標(biāo)。

隔行傳輸CCD（ITCCD）是基于特定的生產(chǎn)工藝，導(dǎo)入所謂的“垂直溢漏”（VOD）或“垂直抗暈”（VAB）功能。VAB開發(fā)于1980年代初期，具有非常好的性能，但缺點(diǎn)是會(huì)減低紅色的反饋并拒絕頻譜中的NIR部分。

圖6：深耗盡方法。

因此，ITCCD不能從BSI中獲益。而高端CCD因?yàn)槭褂么怪笨箷灩に?，所以沒有這一限制。