摄像机CCD芯片与CMOS芯片区别

首先说一下在闭路电视监控摄像机的CCD 和CMOS 的结构,ADC的位置和数量是最大的不同。简单的说,CCD每曝光一次,在快门关闭后进行像素转移处理,将每一行中每一个像素(pixel)的电荷信号依序传入“缓冲器”中,由底端的线路引导输出至 CCD 旁的放大器进行放大,再串联 ADC 输出;相对地,CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着 ADC(放大兼类比数字信号转换器),讯号直接放大并转换成数字信号。

两者优缺点的比较

      CCD            CMOS
设计  单一感光器          感光器连接放大器
灵敏度   同样面积下高         感光开口小,灵敏度低
成本线路  品质影响程度高,       成本高 CMOS整合集成,成本低
解析度  连接复杂度低,解析度高    低,新技术高
噪点比  单一放大,噪点低      百万放大,噪点高
功耗比  需外加电压,功耗高      直接放大,功耗低

由于构造上的基本差异,我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真(专属通道设计),透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理,可以保持资料的完整性;CMOS的制程较简单,没有专属通道的设计,因此必须先行放大再整合各个像素的资料。

整体来说,CCD与CMOS 两种设计的应用,反应在成像效果上,形成包括 ISO 感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等,不同类型的差异:

ISO 感光度差异:由于CMOS 每个像素包含了放大器与A/D转换电路,过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积,因此相同像素下,同样大小之感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD。

成本差异:CMOS 应用半导体工业常用的MOS制程,可以一次整合全部周边设施于单晶片中,节省加工晶片所需负担的成本和良率的损失;相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出资讯,必须另辟传输通道,如果通道中有一个像素故障(Fail),就会导致一整排的讯号壅塞,无法传递,因此CCD的良率比CMOS低,加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边,CCD的制造成本相对高于CMOS。

解析度差异:在第一点“感光度差异”中,由于 CMOS 每个像素的结构比 CCD 复杂,其感光开口不及CCD大, 相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时,CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过,如果跳脱尺寸限制,目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万像素 / 全片幅的设计,CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难,特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。

噪点差异:由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器,如果以百万像素计,那么就需要百万个以上的ADC 放大器,虽然是统一制造下的产品,但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在,很难达到放大同步的效果,对比单一个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪点就比较多。

耗电量差异:CMOS的影像电荷驱动方式为主动式,感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出;但CCD却为被动式, 必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特(V)以上的水平,因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使 CCD 的电量远高于CMOS。


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