CMOS圖像傳感器的基本原理及設(shè)計(doc 19)

1、CMOS圖圖像傳感感器的基基本原理理及設(shè)計計摘 要：介紹CCMOSS圖像傳傳感器的的基本原原理、潛潛在優(yōu)點點、設(shè)計計方法以以及設(shè)計計考慮。 關(guān)鍵詞：互補型金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器；無源像素傳感器；有源像素傳感器1引言 220世紀紀70年年代，CCCD圖圖像傳感感器和CCMOSS圖像傳傳感器同同時起步步。CCCD圖像像傳感器器由于靈靈敏度高高、噪聲聲低，逐逐步成為為圖像傳傳感器的的主流。但但由于工工藝上的的原因，敏敏感元件件和信號號處理電電路不能能集成在在同一芯芯片上，造造成由CCCD圖圖像傳感感器組裝裝的攝像像機體積積大、功功耗大。CCMOSS圖像傳傳感器以以其體積積小、功功耗低在在圖像傳傳

2、感器市市場上獨獨樹一幟幟。但最最初市場場上的CCMOSS圖像傳傳感器，一一直沒有有擺脫光光照靈敏敏度低和和圖像分分辨率低低的缺點點，圖像像質(zhì)量還還無法與與CCDD圖像傳傳感器相相比。 如果把把CMOOS圖像像傳感器器的光照照靈敏度度再提高高5倍10倍倍，把噪噪聲進一一步降低低，CMMOS圖圖像傳感感器的圖圖像質(zhì)量量就可以以達到或或略微超超過CCCD圖像像傳感器器的水平平，同時時能保持持體積小小、重量量輕、功功耗低、集集成度高高、價位位低等優(yōu)優(yōu)點，如如此，CCMOSS圖像傳傳感器取取代CCCD圖像像傳感器器就會成成為事實實。 由由于CMMOS圖圖像傳感感器的應(yīng)應(yīng)用，新新一代圖圖像系統(tǒng)統(tǒng)的開發(fā)發(fā)研

3、制得得到了極極大的發(fā)發(fā)展，并并且隨著著經(jīng)濟規(guī)規(guī)模的形形成，其其生產(chǎn)成成本也得得到降低低?，F(xiàn)在在，CMMOS圖圖像傳感感器的畫畫面質(zhì)量量也能與與CCDD圖像傳傳感器相相媲美，這這主要歸歸功于圖圖像傳感感器芯片片設(shè)計的的改進，以以及亞微微米和深深亞微米米級設(shè)計計增加了了像素內(nèi)內(nèi)部的新新功能。 實際上，更確切地說，CMOS圖像傳感器應(yīng)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(zhuǎn)換器。事實上，當一位設(shè)計者購買了CMOS

4、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(zhuǎn)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。2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(zhuǎn)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(shù)，噪聲性能很不理想，而且還引來對CMOS圖

5、像傳感器的種種干擾。 然然而今天天，隨著著制作工工藝的提提高，使使在像素素內(nèi)部增增加復(fù)雜雜功能的的想法成成為可能能?，F(xiàn)在在，在像像素位置置以內(nèi)已已經(jīng)能增增加諸如如電子開開關(guān)、互互阻抗放放大器和和用來降降低固定定圖形噪噪聲的相相關(guān)雙采采樣保持持電路以以及消除除噪聲等等多種附附加功能能。實際際上，在在Connexaant公公司（前前Rocckweell半半導(dǎo)體公公司）的的一臺先先進的CCMOSS攝像機機所用的的CMOOS圖傳傳感器上上，每一一個像素素中都設(shè)設(shè)計并使使用了66個晶體體管，測測試到的的讀出噪噪聲只有有1均方方根電子子。不過過，隨著著像素內(nèi)內(nèi)電路數(shù)數(shù)量的不不斷增加加，留給給感光二二極管的

6、的空間逐逐漸減少少，為了了避免這這個比例例（又稱稱占空因因數(shù)或填填充系數(shù)數(shù)）的下下降，一一般都使使用微透透鏡，這這是因為為每個像像素位置置上的微微小透鏡鏡都能改改變?nèi)肷渖涔饩€的的方向，使使得本來來會落到到連接點點或晶體體管上的的光線重重回到對對光敏感感的二極極管區(qū)域域。 因因為電荷荷被限制制在像素素以內(nèi)，所所以CMMOS圖圖像傳感感器的另另一個固固有的優(yōu)優(yōu)點就是是它的防防光暈特特性。在在像素位位置內(nèi)產(chǎn)產(chǎn)生的電電壓先是是被切換換到一個個縱列的的緩沖區(qū)區(qū)內(nèi)，然然后再被被傳輸?shù)降捷敵龇欧糯笃髦兄?，因此此不會發(fā)發(fā)生傳輸輸過程中中的電荷荷損耗以以及隨后后產(chǎn)生的的光暈現(xiàn)現(xiàn)象。它它的不利利因素是是每個像像素

7、中放放大器的的閾值電電壓都有有細小的的差別，這這種不均均勻性就就會引起起固定圖圖像噪聲聲。然而而，隨著著CMOOS圖像像傳感器器的結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計和和制造工工藝的不不斷改進進，這種種效應(yīng)已已經(jīng)得到到顯著弱弱化。 這這種多功功能的集集成化，使使得許多多以前無無法應(yīng)用用圖像技技術(shù)的地地方現(xiàn)在在也變得得可行了了，如孩孩子的玩玩具，更更加分散散的保安安攝像機機、嵌入入在顯示示器和膝膝上型計計算機顯顯示器中中的攝像像機、帶帶相機的的移動電電路、指指紋識別別系統(tǒng)、甚甚至于醫(yī)醫(yī)學(xué)圖像像上所使使用的一一次性照照相機等等，這些些都已在在某些設(shè)設(shè)計者的的考慮之之中。33設(shè)計考考慮 然然而，這這個行業(yè)業(yè)還有一一個受到到普

8、遍關(guān)關(guān)注的問問題，那那就是測測量方法法，具體體指標、陣陣列大小小和特性性等方面面還缺乏乏統(tǒng)一的的標準。每每一位工工程師在在比較各各種資料料一覽表表時，可可能會發(fā)發(fā)現(xiàn)在一一張表上上列出的的是關(guān)于于讀出噪噪聲或信信噪比的的資料，而而在另一一張表上上可能只只是強調(diào)調(diào)關(guān)于動動態(tài)范圍圍或最大大勢阱容容量的資資料。因因此，這這就要求求設(shè)計者者們能夠夠判斷哪哪一個參參數(shù)對他他們最重重要，并并且盡可可能充分分利用多多產(chǎn)品的的CMOOS圖像像傳感器器家族。 一些關(guān)鍵的性能參數(shù)是任何一種圖像傳感器都需要關(guān)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(xué)尺寸以及電壓的要求。應(yīng)當知道并用來對比的重要參

9、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(dǎo)出來的。 對對于像保保安攝像像機一類類的低照照度級的的應(yīng)用，讀讀出噪聲聲和量子子效應(yīng)最最重要。然然而對于于象戶外外攝影一一類的中中、高照照度級的的應(yīng)用，比比較大的的最大勢勢阱容量量就顯得得更為重重要。 動態(tài)范范圍和信信噪比是是最容易易被誤解解和誤用用的參數(shù)數(shù)。動態(tài)態(tài)范圍是是最大勢勢阱容量量與最低低讀出噪噪聲的比比值，它它之所以以引起誤誤解，是是因為讀讀出噪聲聲經(jīng)常不不是在典典型的運運行速度度下測得得的，而而且暗電電流散粒粒噪聲也也常常沒沒有被計計算在內(nèi)內(nèi)。信噪噪比主要要決定于于入射光

10、光的亮度度級（事事實上，在在亮度很很低的情情況下，噪噪聲可能能比信號號還要大大）。 所以，信信噪比應(yīng)應(yīng)該將所所有的噪噪聲源都都考慮在在內(nèi)，有有些資料料一覽表表中常常常忽略散散粒噪聲聲，而它它恰恰是是中、高高信號電電平的主主要噪聲聲來源。而而SNRRDARRK得到到說明，實實際上與與動態(tài)范范圍沒有有什么兩兩樣。數(shù)數(shù)字信噪噪比或數(shù)數(shù)字動態(tài)態(tài)范圍是是另一個個容易引引起混淆淆的概念念，它表表明的只只是模擬擬/數(shù)字字（A/D）轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的的一個特特性。雖雖然這可可能很重重要，但但它并不不能精確確地描述述圖像的的質(zhì)量。同同時我們們也應(yīng)清清楚地認認識到，當當圖像傳傳感器具具有多個個可調(diào)模模擬增益益設(shè)置時時，模

11、擬擬/數(shù)字字轉(zhuǎn)換器器的分辨辨率不會會對圖像像傳感器器的動態(tài)態(tài)范圍產(chǎn)產(chǎn)生限制制。 光光學(xué)尺寸寸的概念念的模糊糊，是由由于傳統(tǒng)統(tǒng)觀念而而致。使使用光導(dǎo)導(dǎo)攝像管管只能在在部分范范圍內(nèi)產(chǎn)產(chǎn)生有用用的圖像像。它的的計算包包括度量量單位的的轉(zhuǎn)換和和向上舍舍入的方方法。采采用向上上舍入的的方法，先先以毫米米為單位位測量圖圖像傳感感器的對對角線除除以166，就能能得到以以英寸為為單位的的光學(xué)尺尺寸。例例如0.97ccm的尺尺寸是11.277cm而而不是00.855cm。假假如你選選擇了一一個光學(xué)學(xué)尺寸為為0.885cmm的圖像像傳感器器，很可可能出現(xiàn)現(xiàn)圖像的的四周角角落上的的映影（陰陰影）現(xiàn)現(xiàn)象。這這是因為為

12、有些資資料一覽覽表欺騙騙性地使使用了向向下舍入入的方法法。例如如，將00.977cm的的尺寸稱稱為0.85ccm,理理由很簡簡單：00.855cm光光學(xué)尺寸寸的圖像像傳感器器的價格格要比11.277cm光光學(xué)尺寸寸的圖像像傳感器器的價格格低得多多，但是是這對系系統(tǒng)工作作性能產(chǎn)產(chǎn)生不利利影響。所所以，設(shè)設(shè)計者應(yīng)應(yīng)該通過過計算試試用各種種不同的的圖像傳傳感器來來得到想想要的性性能。 CMOOS圖像像傳感器器的一個個很大的的優(yōu)點就就是它只只要求一一個單電電壓來驅(qū)驅(qū)動整個個裝置。不不過設(shè)計計者仍應(yīng)應(yīng)謹慎地地布置電電路板驅(qū)驅(qū)動芯片片。根據(jù)據(jù)實際要要求，數(shù)數(shù)字電壓壓和模擬擬電壓之之間盡可可能地分分離開以以

13、防止串串擾。因因此良好好的電路路板設(shè)計計，接地地和屏蔽蔽就顯得得非常重重要。盡盡管這種種圖像傳傳感器是是一個CCMOSS裝置并并具有標標準的輸輸入/輸輸出（II/O）電電壓，但但它實際際的輸入入信號相相當小，而而且對噪噪聲也很很敏感。 到目前為止，已設(shè)計出高集成度單芯片CMOS圖像傳感器。設(shè)計者力求使有關(guān)圖像的應(yīng)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。4CMOSS-

14、APPS的潛潛在優(yōu)點點和設(shè)計計方法441CCMOSS-APPS勝過過CCDD圖像傳傳感器的的潛在優(yōu)優(yōu)點 CCMOSSAPSS勝過CCCD圖圖像傳感感器的潛潛在優(yōu)點點包括15： 11）消除除了電荷荷反復(fù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移的麻麻煩，免免除了在在輻射條條件下電電荷轉(zhuǎn)移移效率（CCTE）的的退化和和下降。 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(zhuǎn)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(guān)，需要解決的難題和爭論點包括12： 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/

15、數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，定時和控制中的信號閉鎖和單一擾動問題。42CMOS-APS的設(shè)計方法 CMOS-APS的設(shè)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(jié)構(gòu)。 2）使用耐輻射的鑄造方法，再研制和開發(fā)中等尺寸“dumb”（?。┏上駜x（通過反復(fù)地開發(fā)最佳像素結(jié)構(gòu)）。 33）研制制在芯片片上進行行信號處處理的器器件，以以適應(yīng)自自動調(diào)節(jié)節(jié)本身電電壓Vtt的漂移移和動態(tài)態(tài)范圍的的損失。 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(zhuǎn)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CMO

16、S-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(xué)通信/成像系統(tǒng)測試臺。5像素電路結(jié)構(gòu)設(shè)計 目前，已設(shè)計的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)有：空隙積累二極管（HAD）型結(jié)構(gòu)、光電二極管型無源像素結(jié)構(gòu)、光電二極管型有源像素結(jié)構(gòu)、對數(shù)變換積分電路型結(jié)構(gòu)、掩埋電荷積累和敏感晶體管陣列（BCAST）型結(jié)構(gòu)、低壓驅(qū)動掩埋光電二極管（LVBPD）型結(jié)構(gòu)、深P阱光電二極管型結(jié)構(gòu)、針型光電二極管（PPD）結(jié)構(gòu)和光柵型有源像素結(jié)構(gòu)等。51CMOSPPS像素結(jié)構(gòu)設(shè)計 光光電二極極管型CCMOSS無源像像素傳感感器（CCMOSS-PPPS）的的結(jié)構(gòu)自自從19967年年Wecckl

17、eer首次次提出以以來實質(zhì)質(zhì)上一直直沒有變變化，其其結(jié)構(gòu)如如圖1所所示。它它由一個個反向偏偏置的光光敏二極極管和一一個開關(guān)關(guān)管構(gòu)成成。當開開關(guān)管開開啟時，光光敏二極極管與垂垂直的列列線連通通。位于于列線末末端的電電荷積分分放大器器讀出電電路保持持列線電電壓為一一常數(shù)，并并減小KKTC噪噪聲。當當光敏二二極管存存貯的信信號電荷荷被讀出出時，其其電壓被被復(fù)位到到列線電電壓水平平，與此此同時，與與光信號號成正比比的電荷荷由電荷荷積分放放大器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電電荷輸出出。 單單管的PPD-CCMOSS-PPPS允許許在給定定的像素素尺寸下下有最高高的設(shè)計計填充系系數(shù)，或或者在給給定的設(shè)設(shè)計填充充系數(shù)下下，可以

18、以設(shè)計出出最小的的像素尺尺寸。另另外一個個開關(guān)管管也可以以采用，以以實現(xiàn)二二維的XXY尋址。由由于填充充系數(shù)高高且沒有有許多CCCD中中多晶硅硅疊層，CCMOSS-PPPS像素素結(jié)構(gòu)的的量子效效率較高高。但是是，由于于傳輸線線電容較較大，CCMOSS-PPSS讀出噪噪聲較高高，典型型值為2250個個均方根根電子，這這是致命命的弱點點。52CMMOS-APSS的像素素結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計 幾幾乎在CCMOSS-PPPS像素素結(jié)構(gòu)發(fā)發(fā)明的同同時，科科學(xué)家很很快認識識到在像像素內(nèi)引引入緩沖沖器或放放大器可可以改善善像素的的性能。雖雖然CMMOS圖圖像傳感感器的成成像裝置置將光子子轉(zhuǎn)換為為電子的的方法與與CCD

19、D相同，但但它不是是時鐘驅(qū)驅(qū)動，而而是由晶晶體三極極管作為為電荷感感應(yīng)放大大器。在在一些CCMOSS圖像傳傳感器中中，每組組像素的的頂端有有一個放放大器，每每個像素素只有一一個作為為閾值電電流值開開關(guān)的三三極管。開開關(guān)像素素中的電電荷為放放大器充充電，其其過程類類似DRRAM中中的讀取取電路，這這種傳感感器被稱稱為PPPS。PPPS的的結(jié)構(gòu)很很簡單，它它具有高高填充系系數(shù)。各各像元沒沒有很多多的多晶晶硅層覆覆蓋，其其量子效效率很高高，但是是PPSS的讀取取干擾很很高，只只適應(yīng)于于小陣列列傳感器器。 在在CMOOS-AAPS中中每一像像素內(nèi)都都有自己己的放大大器。CCMOSS-APPS的填填充系

20、數(shù)數(shù)比CMMOS-PPSS的小，集集成在表表面的放放大晶體體管減少少了像素素元件的的有效表表面積，降降低了“封封裝密度度”，使使40500的入入射光被被反射。這這種傳感感器的另另一個問問題是，如如何使傳傳感器的的多通道道放大器器之間有有較好的的匹配，這這可以通通過降低低殘余水水平的固固定圖形形噪聲較較好地實實現(xiàn)。由由于CMMOS-APSS像素內(nèi)內(nèi)的每個個放大器器僅在此此讀出期期間被激激發(fā)，所所以CMMOS-APSS的功耗耗比CCCD圖像像傳感器器的還小小。與CCMOSS-PPPS相比比，CMMOSAPSS的填充充系數(shù)較較小，其其設(shè)計填填充系數(shù)數(shù)典型值值為200330，接接近內(nèi)線線轉(zhuǎn)換CCCD的

21、的值。5521光敏敏二極管管CMOOS-AAPS（PPD-CCMOSS-APPS）的的像素結(jié)結(jié)構(gòu) 119688年，NNoblle描述述了PDD-CMMOS-APSS。后來來，這種種像素結(jié)結(jié)構(gòu)有所所改進。PPD-CCMOSS-APPS的像像素結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖22所示。 高高性能CCMOSSAPSS由美國國哥倫比比亞大學(xué)學(xué)電子工工程系和和噴氣推推進實驗驗室（JJPL）在在19994年首首次研制制成功，像像素數(shù)為為12881228，像像素尺寸寸為400m40m，管管芯尺寸寸為6.8mmm6.88mm，采采用1.2mmCMOOSn阱阱工藝試試制，動動態(tài)范圍圍為722dB,固定圖圖形噪聲聲小于00.155飽和

22、和信號水水平。固固定圖形形噪聲小小于0.15飽和信信號水平平。19997年年日本東東芝公司司研制成成功了66404800像素光光敏二極極管型CCMOSSAPSS，其像像素尺寸寸為5.6mm5.6mm,具有有彩色濾濾色膜和和微透鏡鏡陣列。220000年美國國Fovveonn公司與與美國國國家半導(dǎo)導(dǎo)體公司司采用00.188mCCMOSS工藝研研制成功功40996440966像素CCMOSSAPSS100，像像素尺寸寸為5m55m，管管芯尺寸寸為222mm22mmm，這這是迄今今為止世世界上集集成度最最高、分分辨率最最高的CCMOSS固體攝攝像器件件。有關(guān)關(guān)CMOOSAPSS的工作作原理、發(fā)發(fā)展現(xiàn)狀

23、狀及其應(yīng)應(yīng)用，筆筆者已作作過詳細細介紹68。 因因為光敏敏面沒有有多晶硅硅疊層，PPD-CCMOSS-APPS的量量子效率率較高，它它的讀出出噪聲由由復(fù)位噪噪聲限制制，典型型值為775均方方根電子子1000均方方根電子子。PDD-CMMOS-APSS的每個個像素采采用3個個晶體管管，典型型的像元元間距為為15m。PPD-CCMOSS-APPS適宜宜于大多多數(shù)低性性能應(yīng)用用。5222光柵型型CMOOSAPSS(PGG-CMMOS-APSS)的像像素結(jié)構(gòu)構(gòu) 19993年年由JPPL最早早研制成成功PGG-CMMOS-APSS并用于于高性能能科學(xué)成成像的低低光照明明成像。PPG-CCMOSS-APP

24、S結(jié)合合了CCCD和XXY尋址的的優(yōu)點，其其結(jié)構(gòu)如如圖3所所示。 光光柵信號號電荷積積分在光光柵（PPG）下下，浮置置擴散點點（A）復(fù)復(fù)位（電電壓為VVDD），然然后改變變光柵脈脈沖，收收集在光光柵下的的信號電電荷轉(zhuǎn)移移到擴散散點，復(fù)復(fù)位電壓壓水平與與信號電電壓水平平之差就就是傳感感器的輸輸出信號號。 當當采用雙雙層多晶晶硅工藝藝時，PPG與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移柵（TTX）之之間要恰恰當交疊疊。在光光柵與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移柵之之間插入入擴散橋橋，可以以采用單單層多晶晶硅工藝藝，這種種擴散橋橋要引起起大約1100個個電子的的拖影。 光柵型CMOSAPS每個像素采用5個晶體管，典型的像素間距為20m（最小特征尺寸）。采用0

25、.25mCMOS工藝將允許達到5m的像素間距。浮置擴散電容的典型值為1014F量級，產(chǎn)生20V/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(shè)計分為兩大部分，即電路設(shè)計和工藝設(shè)計，CMOS圖像傳感器的性能好壞，不僅與材料、工藝有關(guān)，更重要的是取決于電路設(shè)計和工藝流程以及工藝參數(shù)設(shè)計。這對設(shè)計人員提出更高的要求，設(shè)計人員面要寬，在設(shè)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(shè)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(shè)計技術(shù)為設(shè)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

26、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?，F(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。53CCD和CMOS系統(tǒng)的設(shè)計 CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器在設(shè)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(shè)計時，除設(shè)計光敏感部分（

27、即CCD圖像傳感器）外，還要考慮設(shè)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CMOSAPS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(shè)計，采用亞微米和深亞微米光刻技術(shù)，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

28、信息獲取與處理領(lǐng)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CMOSAPS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(shè)計的復(fù)雜性。霍爾器件是是一種基基于霍爾爾效應(yīng)的的磁傳感感器,已已發(fā)展成成一個品品種多樣樣的磁傳傳感器產(chǎn)產(chǎn)品族,并已得得到廣泛泛的應(yīng)用用。本文文簡要介介紹其工工作原理理、產(chǎn)品品特性及及其典型型應(yīng)用。 圖39霍爾爾電流傳傳感器在在逆變器器中的應(yīng)應(yīng)用（CCS為霍霍爾電流流傳感器器）圖40霍爾爾電流傳傳感器在在UPSS中的應(yīng)應(yīng)用（11、2、33均為霍霍爾電流流傳感器器）圖41霍爾爾電流傳傳感器在在電子點點焊

29、機中中的應(yīng)用用3.2.112.33在逆變變器中的的應(yīng)用 在逆變變器中，用用霍爾電電流傳感感器進行行接地故故障檢測測、直接接側(cè)和交交流側(cè)的的模擬量量傳感，以以保證逆逆變器能能安全工工作。應(yīng)應(yīng)用線路路如圖339所示示。3.2.112.44在不間間斷電源源中的應(yīng)應(yīng)用 如如圖400所示，霍霍爾電流流傳感器器1發(fā)出出信號并并進行反反饋，以以控制晶晶閘管的的觸發(fā)角角，電流流傳感器器2發(fā)出出的信號號控制逆逆變器，傳傳感器33控制浮浮充電源源。用霍霍爾電流流傳感器器進行控控制，保保證逆變變電源正正常工作作。由于于其響應(yīng)應(yīng)速度快快，特別別適用于于計算機機中的不不間斷電電源。33.2.12.5在電電子點焊焊機中的

30、的應(yīng)用 在電子子點焊機機電源中中，霍爾爾電流傳傳感器起起測量和和控制作作用。它它的快速速響應(yīng)能能再現(xiàn)電電流、電電壓波形形，將它它們反饋饋到可控控整流器器A、BB，可控控制其輸輸出。用用斬波器器給直流流迭加上上一個交交流，可可更精確確地控制制電流。用用霍爾電電流傳感感器進行行電流檢檢測，既既可測量量電流的的真正瞬瞬時值，又又不致引引入損耗耗，如圖圖41所所示。33.2.12.6用于于電車斬斬波器的的控制 電車中中的調(diào)速速是由調(diào)調(diào)整電壓壓實現(xiàn)的的。將霍霍爾電流流傳感器器和其它它元件配配合使用用，并將將傳感器器的所有有信號輸輸入控制制系統(tǒng)，可可確保電電車正常常工作。其其控制原原理示 圖42霍爾爾電流

31、傳傳感器在在電車斬斬波器中中的應(yīng)用用圖43在變變頻調(diào)速速電機中中的應(yīng)用用（I，RR，S，TT均為霍霍爾電流流傳感器器）圖44用于于電能管管理的霍霍爾電流流傳感器器圖45霍爾爾接地故故障檢測測器的原原理和結(jié)結(jié)構(gòu)于圖42。圖圖中，SSCR11是主串串聯(lián)晶閘閘管，SSCR22為輔助助晶閘管管，Loo、Coo組成輸輸入濾波波器，LLs是平平滑扼流流圈，MM1MM5是霍霍爾電流流傳感器器。3.2.112.77在交流流變頻調(diào)調(diào)速電機機中的應(yīng)應(yīng)用 用用變頻器器來對交交流電機機實施調(diào)調(diào)速，在在世界各各發(fā)達國國家已普普遍使用用，且有有取代直直流調(diào)速速的趨勢勢。用變變頻器控控制電機機實現(xiàn)調(diào)調(diào)速，可可節(jié)省110以以

32、上的電電能。在在變頻器器中，霍霍爾電流流傳感器器的主要要作用是是保護昂昂貴的大大功率晶晶體管。由由于霍爾爾電流傳傳感器的的響應(yīng)時時間短于于1ss，因此此，出現(xiàn)現(xiàn)過載短短路時，在在晶全管管未達到到極限溫溫度之前前即可切切斷電源源，使晶晶體管得得到可靠靠的保護護，如圖圖43所所示。33.2.12.8用于于電能管管理 圖圖44給給出一種種用于電電能管理理的電流流傳感器器的示意意圖。圖圖中，112是通通電導(dǎo)線線，111是導(dǎo)磁磁材料帶帶，177是霍爾爾元件，119是霍霍爾元件件的輸入入、輸出出引線。由由此構(gòu)成成的電流流傳感器器，可安安裝到配配電線路路上進行行負載管管理?；艋魻柶骷妮敵龀龊陀嬎闼銠C連接

33、接起來，對對用電情情況進行行監(jiān)控，若若發(fā)現(xiàn)過過載，便便及時使使受控的的線路斷斷開，保保證用電電設(shè)備的的安全。用用這種裝裝置，也也可進行行負載分分配及電電網(wǎng)的遙遙控、遙遙測和巡巡檢等。3.2.12.9在接地故障檢測中的應(yīng)用 在配電和各種用電設(shè)備中，可靠的接地是保證配電和用電設(shè)備安全的重要措施。采用霍爾電流傳感器來進行接地故障的自動監(jiān)測，可保證用電安全。圖45示出一種霍爾接地故障監(jiān)測裝置。3.2.12.10在電網(wǎng)無功功率自動補償中的應(yīng)用 電力系統(tǒng)無功功率的自動補償，是指補償容量隨負荷和電壓波動而變化，及時準確地投入和切除電容器，避免補償過程中出現(xiàn)過補償和欠補償?shù)牟缓侠砗筒唤?jīng)濟，使電網(wǎng)的功率因數(shù)始終

34、保持最佳。無功功率的自動采樣若用霍爾電流、電壓傳感器來進行，在保證“及時、準確”上具有顯著的優(yōu)點。因為它們的響應(yīng)速度快，且無相位差，如圖46所示。 圖46電網(wǎng)網(wǎng)無功功功率自動動補償控控制器的的原理框框圖3.2.112.114霍爾爾鉗形電電流表 將磁芯芯做成張張合結(jié)構(gòu)構(gòu)，在磁磁芯開口口處放置置霍爾器器件，將將環(huán)形磁磁芯夾在在被測電電流流過過的導(dǎo)線線外，即即可測出出其中流流過的電電流。這這種鉗形形表既可可測交流流也可測測直流。圖圖48示示出一種種數(shù)字鉗鉗形交流流電流表表的線路路。 用用鉗形表表可對各各種供電電和用電電設(shè)備進進行隨機機電流檢檢測。33.2.13電電功率測測量 使使負載電電壓變換換，令

35、其其與霍爾爾器件的的工作電電流成比比例，將將負載電電流通入入磁芯繞繞組中，作作為霍爾爾電流傳傳感器的的被測電電流，即即可構(gòu)成成霍爾功功率計。由由霍爾器器件輸出出的霍爾爾電壓來來指示功功率，其其工作原原理如圖圖49所所示。33.2.12.11在在電力工工頻諧波波分析儀儀中的應(yīng)應(yīng)用 在在電力系系統(tǒng)中，電電網(wǎng)的諧諧波含量量用電力力工頻諧諧波儀來來進行測測試。為為了將被被測電壓壓和電流流變換成成適合計計算機AA/D采采樣的電電壓，將將各種電電力工頻頻諧波分分析儀的的取樣裝裝置，如如電流互互感器、電電壓互感感器、電電阻取樣樣與光隔隔離耦合合電路等等和霍爾爾電流傳傳感取樣樣測試對對比，結(jié)結(jié)果表明明霍爾電電

36、流傳感感器最為為適用。對對比結(jié)果果如表88所示。 表8電力工工頻諧波波分析儀儀中使用用的3種種接口部部件的比比較（LLEM模模塊是一一種霍爾爾零磁通通電流傳傳感器） CT和PTT 電阻取樣與與光耦隔隔離電路路 LEM模塊塊 線性度 0.5 0.1 頻率范圍 較窄 030kkHz 01000kHzz 對各次諧波波幅度有有否衰減減及衰減減一致性性 有，不一致致 無 無 對各次諧波波有否相相移及相相移一致致性 有，不一致致 很小，可以以忽略 很小，可以以忽略 所需電源 不需要 二組 一組 輔助電路 無 恒溫電路 無 體積 大 大 小 重量 重 輕 輕 安裝是否方方便 不便 不便 方便 調(diào)試難易程程度

37、 容易 較難 容易 接口部件性性能、特特點3.2.112.112在開開關(guān)電源源中的應(yīng)應(yīng)用近代代出現(xiàn)的的開關(guān)電電源，是是將電網(wǎng)網(wǎng)的非穩(wěn)穩(wěn)定的交交流電壓壓變換成成穩(wěn)定的的直流電電壓輸出出的功率率變換裝裝置。無無論是電電壓控制制型還是是電流控控制型開開關(guān)電源源，均采采用脈沖沖寬度調(diào)調(diào)制，借借助驅(qū)動動脈沖寬寬度與輸輸出電壓壓幅值之之間存在在的某種種比例關(guān)關(guān)系來維維持恒壓壓輸出。其其中，寬寬度變化化的脈沖沖電壓或或電流的的采樣、傳傳感等均均需用電電流、電電壓傳感感器來完完成?；艋魻栯娏髁鳌㈦妷簤簜鞲衅髌饕云漕l頻帶寬、響響應(yīng)時間間快以及及安裝簡簡便而成成為首選選的電流流、電壓壓傳感器器。3.2.112.1

38、13在大大電流檢檢測中的的應(yīng)用 在冶金金、化工工、超導(dǎo)導(dǎo)體的應(yīng)應(yīng)用以及及高能物物理（例例如可控控核聚變變）試驗驗裝置中中都有許許多超大大型電流流用電設(shè)設(shè)備。用用多霍爾爾探頭制制成的電電流傳感感器來進進行大電電流的測測量和控控制，既既可滿足足測量準準確的要要求，又又不引入入插入損損耗，還還免除了了像使用用羅果勘勘斯基線線圈法中中需用的的昂貴的的測試裝裝置。圖圖47示示出一種種用于DDD托托卡馬克克中的霍霍爾電流流傳感器器裝置。采采用這種種霍爾電電流傳感感器，可可檢測高高達到3300kkA的電電流。 圖47（aa）為GG100安裝結(jié)結(jié)構(gòu)，中中心為電電流匯流流排，(b)為為電纜型型多霍爾爾探頭，(c)為為霍爾電電壓放大大電路。(a)G10安裝結(jié)構(gòu)(b)電纜型多霍爾探頭(c)霍爾電壓放大電路圖47多霍爾探頭大電流傳感器圖48霍爾爾鉗形數(shù)數(shù)字電流流表線路路示意圖圖圖49霍爾爾功率計計原理圖圖(a)霍爾爾控制電電路(bb)霍爾爾磁場電電路圖550霍爾爾三相功功率變送送器中的的霍爾乘乘法器圖51霍爾爾電度表表功能框框圖圖52霍爾爾隔離放放大器的的功能框框圖3.2.113.11霍爾三三相功率率變送器器 利用用霍爾器器件的乘乘法器功功能，還還可構(gòu)成成三相功功率變送送器，用用以檢測測三相平平衡或不不平衡負負載電路路的三相相有功功功率和無無功功率率。圖550示出出霍爾三三相功率率變送器