Understanding CMOS Image Sensor(11) _像素密度

文章插图

文章插图
1/4~1/2英寸，主要用于手机模组， 8百万~4千万像素不等。

文章插图

文章插图
2 像素类型 (Pixel type)
2.1 被动像素（ pixel）
最简单的Pixel结构只有一个PN结作为感光结构，以及一个与它相连的reset晶体管（RS）作为一个开关，如下图所示。

文章插图
开始曝光前，像素的行选择地址会上电，于是RS使能，连通PN结与列选择器（ bus），同时列选择器会上电，使PN结上加高反向电压（如3.3 V），短暂延时后PN结内电子空穴对达到平衡，于是reset 操作完成， RS 信号失效，隔断PN结与 bus的连通。开始曝光时， PN结内的硅在吸收光子激发出电子-空穴对。受PN结内电场的影响，电子会流向PN结的n+端，空穴会流向PN结的p- 。因此，曝光后的的PN结反向电压会降低。曝光结束后， RS再次使能，读出电路会测量PN结内的电压，该电压与原反向电压之间的差值即正比于PN结接受到的光子数。在读出感光信号后，会对PN结进行再次reset ，准备下次曝光。
当控制逻辑需要读出阵列中的某个特定像素时，需要发出该像素的行地址和列地址，地址会被两个译码器（）解析并激活该像素所在的行选择线和列选择线，使该像素的PN结电容经过RS三级管连接到输出放大器上，如下图所示。

文章插图
这种像素结构因为读出电路完全位于像素外面所以称为 Pixel ，其优点是PN结可以独占像素面积，缺点是噪声较大，主要有2个原因：
PN结的电容小于读出电路上的电容，所以对电路噪声很敏感。PN结的信号需要先读出才进行放大，因此读出电路的噪声会被一起放大。
当RS使能且列选择器通高电平时，在电路原理上相当于对PN结的电容进行充电，但是充电后得到的电压值却有一定的随机性，一方面每个PN结的实际电容大小会服从一定的概率分布，结与结之间存在固定的偏差，这会构成一种固定模式噪声（FixedNoise, FPN）；另一方面由于电路中存在暗电流噪声，即使是同一个结每次充电后得到的实际电压也不完全一样，这就构成了另一种模式的噪声，它与PN结的结构、温度和结电容大小都有关，称为kTC噪声。
2.2 像素kTC噪声
在研究PN结的噪声特性时可将其简化为下图所示的由电阻电容形成的低通滤波网络。

文章插图
可以证明，由电子热运动引起的宽带热噪声经PN结滤波后反应在结电容上的输出噪声功率用kT/C描述，其中T为PN结温度， C为结电容， k为常系数，因此合称kTC噪声。

文章插图
2.3 主动像素（ pixel）
目前主流的CMOS传感器都采用 Pixel 结构设计。下图所示的 Pixel 结构称为3T结构，每个像素包含一个感光PN结和3个晶体管，即一个复位管RST ，一个行选择器RS ，一个放大器SF 。