CMOS傳感器大約一半的芯片面積由圖像傳感器占用，其它部分由模擬和數(shù)字電路以及信號通路構(gòu)成。雙模擬信號通路用于加快陣列的讀出。該模擬信號通路位于像素輸出和列放大器之間，列放大器通過該模擬通路可以對一整行像素同時采樣。列放大器被選中時，輸出到可編程增益放大器(PGA)。PGA提供1到40的8位可編程增益范圍，使像素信號電平與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍相匹配，以減小量化噪聲。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)也采用了類似的結(jié)構(gòu)，具有功耗低、分辨率高且不需校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。

暫態(tài)讀噪聲、固定模式噪聲和傳感器的ISO速度對圖像質(zhì)量有嚴(yán)重影響，因而也影響圖像輸出顯示和打印的效果。本文介紹影響圖像CMOS圖像傳感器質(zhì)量的主要因素，有助于中國工程師正確選擇CMOS圖像傳感器。

暫態(tài)讀噪聲

暫態(tài)讀噪聲是與時間無關(guān)的信號電平隨機(jī)波動，它由基本噪聲和電路噪聲源產(chǎn)生。光子散射噪聲不包括在該范圍內(nèi)。當(dāng)有效信號幅度很小時，讀噪聲會對信號處理產(chǎn)生很大的影響。

暫態(tài)讀噪聲源存在于像素、列放大器、PGA和ADC中。完整的暫態(tài)讀噪聲(N)模型可以用以下公式表示：

在此公式中，N1是在PGA之前引入的被放大的噪聲部分，N2是在PGA之后引入的未被放大的噪聲部分，G是PGA的增益。測量結(jié)果顯示當(dāng)PGA輸入基準(zhǔn)讀噪聲N1=20個電子、N2 =56個電子時(PGA的增益G=1.0)，全部讀噪聲N=60個電子。N2幾乎代表了全部的ADC量化噪聲。如果PGA的最小增益設(shè)置成2.0，PGA輸入基準(zhǔn)讀噪聲可以進(jìn)一步減小。這是在滿足像素輸出電壓線性范圍與ADC輸入電壓范圍匹配的條件下，最小PGA增益的******設(shè)置。PGA輸入基準(zhǔn)讀噪聲N2減少到28個電子時，全部讀噪聲可以減少到34個電子(當(dāng)G=1.0時，相對于60個讀噪聲電子提高了14.8dB)。

該電平可以與讀噪聲大約為10到15個電子的模擬輸出的CCD相當(dāng)。如果考慮相關(guān)雙重采樣(CDS)放大器、PGA、ADC和電路噪聲等CCD之后的噪聲源，CCD系統(tǒng)的實(shí)際的讀噪聲大大地增加。如果CCD的轉(zhuǎn)換增益和CMOS的轉(zhuǎn)換增益相當(dāng)，ADC 的最低位(LSB)也會產(chǎn)生讀噪聲，其大小和CMOS圖像傳感器相當(dāng)。

對于線性容量大約是62,500個電子的CMOS傳感器，相應(yīng)優(yōu)化的動態(tài)范圍(PGA增益Gmin=2.0)是65.3dB。因此，使用這樣的傳感器可以精確地獲取動態(tài)范圍比較大的圖像。在線性范圍內(nèi)，光子散射噪聲的信噪比大約是48dB。大的線性容量范圍和較高的光子散射噪聲信噪比實(shí)現(xiàn)了很好的圖像和打印質(zhì)量。

當(dāng)考慮暗電流散射噪聲時，整個像素的暗電流是100pA/cm²。暗電流散射噪聲可以從暗信號的均值估計出來，如下所示：

公式中Nd是暗電流散射噪聲(電子數(shù))的均方根值，Sd是暗信號(以DN為單位)，g是像素轉(zhuǎn)換增益(DN/電子)。曝光時間為30毫秒時，暗電流散射噪聲估計是4.3個電子，它對整個讀噪聲(N=34個電子)的影響可以忽略。

固定模式噪聲

固定模式噪聲(FPN)是指非暫態(tài)空間噪聲，產(chǎn)生原因包括像素和色彩濾波器之間的不匹配、列放大器的波動、PGA和ADC之間的不匹配等。FPN可以是耦合的或非耦合的。行范圍耦合類FPN噪聲也可以由較差的共模抑制造成。

平面上的非耦合FPN測量值小于1%，而列上的耦合FPN大約是0.5%。耦合的行范圍FPN表現(xiàn)為漂移錯誤，而不是增益錯誤，其測量值小于0.2LSB，而且只有在高PGA增益和非飽和傳感器數(shù)字輸出的情況下才能檢測到。傳感器較低的FPN指標(biāo)不需要除去暗幀，簡化了圖像獲取過程。

ISO速度

CMOS傳感器的ISO速度是由滿足給定的信噪比圖像質(zhì)量所需要的曝光等級值估計得到的。假定光源是晴朗的太陽光，黑體輻射溫度是5,500K。SNR的定義包括讀噪聲、光子散射噪聲和FPN。

ISO速度用曝光等級(Em)定義，公式如下：

上述公式中，Em用單位勒/秒度量。曝光時間以秒為單位，由下面的公式給出：

圖1表示單色CMOS傳感器的ISO速度和SNR間的關(guān)系， PGA增益G分別等于1、2、5或10。

當(dāng)PGA增益G=1.0時，SNR=10(可接受的打印圖像質(zhì)量)則ISO速度大約是3,500，SNR=40(很好的打印圖像質(zhì)量)則ISO速度大概是600。當(dāng)PGA增益增大時，SNR最終受到光子散射噪聲限制而不能無限提高，這是因?yàn)锳DC量化噪聲的相對抑制作用(如圖1所示)，相應(yīng)的受光子散射噪聲限制的ISO速度分別是8,000和1,000。

由于使用了大的像素尺寸(9×9微米)，而且量子效率高，所以得到了較高的ISO速度。

由于采取了以下措施，CMOS傳感器可以獲得高質(zhì)量圖像：1.像素采樣噪聲抑制；2.減小電路噪聲對像素噪聲的影響；3.抑制共模輸入和基片噪聲；4.排除模擬通路漂移；5.降低量化噪聲；6.減小暗電流；7.提高量子效率。前5個措施可以通過優(yōu)化電路設(shè)計而實(shí)現(xiàn)，后兩個則由工藝過程來決定。

我們可以看到，高質(zhì)量的數(shù)字圖像獲取不再是CCD的專利了。CMOS低泄漏工藝和精心的模擬電路設(shè)計相結(jié)合可以降低暫態(tài)和固定模式噪聲。