本書(shū)盡量地?cái)⑹鯟MOS圖像傳感器集成電路芯片的原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用、設(shè)計(jì)方法和流程。第1章講述有關(guān)技術(shù)背景和發(fā)展歷程、CMOS圖像傳感器的特點(diǎn)和應(yīng)用。第2章講述CMOS圖像傳感器集成電路的基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)，簡(jiǎn)述CMOS工藝技術(shù)和VLSI設(shè)計(jì)方法和流程。第3章描述有源像素傳感器APS。第4章講述CMOS圖像傳感器的像素陣列結(jié)構(gòu)和原理，以及陣列的各種曝光操作模式。第5、6兩章講述像素陣列的讀出、曝光控制、圖像信號(hào)的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換和圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖酉到y(tǒng)方案和電路原理。第7章講述CMOS圖像傳感器版圖設(shè)計(jì)的一些特點(diǎn)，以及一個(gè)全芯片版圖布局案例。結(jié)束語(yǔ)敘述圖像傳感器芯片的超大規(guī)模集成及其發(fā)展前景。
第1章 概述
1.1 圖像傳感器的一般概念
1.2 圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展歷程
1.2.1 電子管時(shí)代和圖像掃描技術(shù)
1.2.2 CCD圖像傳感器和像素概念
1.2.3 CMOS圖像傳感器
1.3 CMOS圖像傳感器的特點(diǎn)
1.3.1 有源像素傳感器
1.3.2 CMOS圖像傳感器的集成
1.3.3 CMOS系統(tǒng)集成和數(shù)字圖像革命
1.4 CMOS圖像傳感器的應(yīng)用
1.4.1 數(shù)字電視和視頻攝像
1.4.2 靜止圖像數(shù)碼照相機(jī)
1.4.3 移動(dòng)通信和便攜設(shè)備的攝像功能
1.4.4 高清晰度數(shù)字電影攝像技術(shù)
第2章 CMOS圖像傳感器系統(tǒng)
2.1 CMOS圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)
2.1.1 CMOS圖像傳感器的框圖
2.1.2 CMOS圖像傳感器芯片的封裝
2.2 CMOS圖像傳感器的性能
2.2.1 光電轉(zhuǎn)換的原理和性能
2.2.2 圖像清晰度
2.2.3 圖像刷新速率和高速攝影
2.2.4 圖像數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)
2.3 CMOS超大規(guī)模集成簡(jiǎn)述
2.3.1 CMOS器件的基本結(jié)構(gòu)和原理
2.3.2 CMOS工藝和版圖
2.3.3 CMOS超大規(guī)模集成的設(shè)計(jì)方法學(xué)
第3章 有源像素傳感器
3.1 基本有源像素傳感器
3.1.1 3T-APS電路原理
3.1.2 3T-APS版圖
3.1.3 像素的填充系數(shù)
3.2 4T-APS像素
3.2.1 埋入型光電二極管
3.2.2 3T-APS的輸出電壓?jiǎn)栴}
3.2.3 4T-APS原理
3.2.4 4T-APS電路和版圖
3.3 5T-APS像素
3.4 像素的光學(xué)結(jié)構(gòu)
3.4.1 光遮蔽和濾光層
3.4.2 微透鏡
3.4.3 背光微像素結(jié)構(gòu)
第4章 像素陣列和電子快門(mén)
4.1 像素陣列結(jié)構(gòu)
4.1.1 像素排列和圖像分辨率
4.1.2 陣列中像素的互連
4.2 陣列的電子快門(mén)曝光
4.2.1 滾動(dòng)快門(mén)曝光
4.2.2 全局快門(mén)曝光
4.3 圖像陣列信號(hào)的讀出
4.3.1 像素陣列的列讀出
4.3.2 像素和陣列讀出速率
4.3.3 并行列讀出
4.4 陣列的選擇曝光讀出
4.5 彩色圖像的獲得
4.5.1 拜爾彩色陣列
4.5.2 弗翁彩色圖像傳感器
第5章 像素陣列曝光讀出電路
5.1 像素陣列讀出電路
5.1.1 固定圖案噪聲
5.1.2 相關(guān)雙取樣原理
5.1.3 CDS讀出電路原理
5.1.4 4T-APS像素陣列的CDS讀出電路
5.2 像素陣列曝光讀出控制
5.2.1 像素陣列曝光讀出時(shí)序
5.2.2 譯碼型掃描電路
第6章 圖像信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸
6.1 圖像信號(hào)的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換
6.1.1 逐次逼近數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理
6.1.2 直接比較高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
6.1.3 高速逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
6.1.4 圖像高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
6.2 圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸
6.2.1 高速圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)
6.2.2 高速圖像數(shù)據(jù)差分傳輸
第7章 CMOS圖像傳感器芯片版圖設(shè)計(jì)
7.1 混合CMOS芯片版圖
7.2 隔離
7.2.1 PN結(jié)隔離
7.2.2 深阱隔離
7.3 集成電容器
7.3.1 MOS電容器
7.3.2 MiM電容器
7.4 CMOS圖像傳感器芯片版圖布局
結(jié)束語(yǔ)
附錄A 術(shù)語(yǔ)索引
參考文獻(xiàn)
前 言
在當(dāng)今的圖像技術(shù)領(lǐng)域中，先進(jìn)的CMOS圖像傳感器已經(jīng)毫無(wú)疑義地成為數(shù)字圖像信息采集的主流技術(shù)。其中的原因不僅僅是其的直接物理性能—靈敏度、光譜、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍等，更重要的是因?yàn)樗鼈兪怯肅MOS工藝集成制造的。正是由于這個(gè)原因，CMOS圖像傳感器才能與各種相關(guān)的模擬-數(shù)字電路和功能集成在一個(gè)單硅片上，從引腳上直接輸出數(shù)字圖像信息；可以直接利用飛速發(fā)展的CMOS工藝超大規(guī)模集成技術(shù)成果，實(shí)現(xiàn)高清晰度成像和高速圖像刷新；可以在眾多的晶元廠商試制和生產(chǎn)；還可以利用的CMOS超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具和模型，快速和低成本地不斷設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品。
正是由于CMOS圖像傳感器的各項(xiàng)特點(diǎn)，數(shù)以?xún)|計(jì)無(wú)處不在的"智能"通信設(shè)備才能以拍照和攝像作為必備的功能；而當(dāng)今世界上凡是重要的事件場(chǎng)合、浮華絢麗的景觀或者景色優(yōu)美的自然風(fēng)光勝地，到處都充斥著DSLR數(shù)碼相機(jī)的閃光和快門(mén)咔嚓聲。也許在許多數(shù)字影院里，被高清畫(huà)面所震撼的觀眾中，并沒(méi)有幾個(gè)人留意到片尾顯示的高清晰度數(shù)字電影技術(shù)的標(biāo)志，而那些"震撼"正是采用CMOS圖像傳感器技術(shù)帶來(lái)的結(jié)果。你甚至都不會(huì)留意到，從什么時(shí)候起你的牙醫(yī)在用X光檢查你的牙齒時(shí)，不再給你覆蓋沉重的鉛防護(hù)馬甲，然后等待牙醫(yī)助理處理完X光膠片—可能還需要重拍；而是直接在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示和討論你的牙齒問(wèn)題和治療方案，等等。更不用說(shuō)在尖端的空間、武器和科研領(lǐng)域，近十年來(lái)人類(lèi)的視覺(jué)能力正在迅速地向更高清晰度和更寬廣的視域延伸著。
大多數(shù)CMOS圖像傳感器集成電路芯片，都是一個(gè)單硅片系統(tǒng)(System on a Chip，SoC)，而且是模擬-數(shù)字混合設(shè)計(jì)和工藝的范例。從系統(tǒng)、電路到版圖設(shè)計(jì)，直到工藝完成后的硅片，都是電子科學(xué)、工程和藝術(shù)的結(jié)合。每一個(gè)功能正確、性能的成品芯片，都是一件精美的藝術(shù)品。CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)，牽涉許多類(lèi)型的電子電路，從低噪聲的、寬帶的到高速的，從模擬的、數(shù)字的到傳感器的，都涉及很寬的電子電路知識(shí)領(lǐng)域。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)到CMOS半導(dǎo)體工藝，需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、晶元廠商密切合作和設(shè)計(jì)工具軟件的支持。CMOS圖像傳感器集成電路芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程，是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的典范。
因?yàn)镃MOS圖像傳感器可以設(shè)計(jì)成超大規(guī)模的系統(tǒng)集成，所以整機(jī)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師可以考慮在系統(tǒng)中集成圖像傳感器功能，使其成為與系統(tǒng)緊密結(jié)合的一部分，提高系統(tǒng)的電性能、減小體積-重量和獲得獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。因此CMOS圖像傳感器的工作原理和設(shè)計(jì)方法不僅僅是集成電路芯片設(shè)計(jì)師所應(yīng)學(xué)習(xí)和探討的，而且也應(yīng)該引起有潛在數(shù)字?jǐn)z像功能的項(xiàng)目、系統(tǒng)和整機(jī)產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的關(guān)注和興趣。以便他們?cè)谠O(shè)計(jì)新的產(chǎn)品時(shí)，從項(xiàng)目和系統(tǒng)的規(guī)劃伊始，就考慮加入集成CMOS圖像傳感器的元素，使新設(shè)計(jì)占據(jù)更高的起點(diǎn)。
本書(shū)是一本電子電路和系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)的工程技術(shù)專(zhuān)著，試圖包含2010年以前作者所了解的CMOS圖像傳感器工程技術(shù)成果，希望能對(duì)有關(guān)的電子工程技術(shù)人員有所幫助。有關(guān)半導(dǎo)體物理和圖像科學(xué)的原理知識(shí)，請(qǐng)閱讀2004年由奧利雅迪-派克特和拉爾夫艾蒂安-卡明斯編著的《CMOS成像器：從光電導(dǎo)到圖像處理》 (CMOS Imagers: From Phototransduction to Image Processing，Orly Yadid-Pecht and Ralph Etienne-Cummings，2004)一書(shū)，那是一本CMOS圖像傳感器技術(shù)在及時(shí)個(gè)十年的論文匯編，是這個(gè)領(lǐng)域的經(jīng)典著作。
