2024年4月2日发(作者：hd600)

CMOS与CCD的区别

CCD

CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以

称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。

CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，

其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转

换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数

字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

功能特性

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大

和模数转换,实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击

与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.

应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径

的仪器，把CCD器件作为光电接收器。

CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，

并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有

单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫

描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像（线阵CCD

如右图所示）。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信

息量大，能处理复杂的图像。

CMOS传感器

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学名为互补金属

氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的

资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两

种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带-电） 和 P（带+电）

级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。

后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器，CMOS传感器也

可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器

(Active Pixel Sensor CMOS)

CMOS传感器优势

最新CMOS传感器获得广泛应用的一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。像素灵

敏度的一个衡量尺度是填充因子(感光面积与整个像素面积之比)与量子效率(由轰击屏幕的光子所生成的电子的数量)的乘

积。CCD传感器因其技术的固有特性而拥有一个很大的填充因子。而在CMOS图像传感器中，为了实现堪与CCD转换器

相媲美的噪声指标和灵敏度水平，人们给CMOS图像传感器装配上了有源像素传感器(APS)，并且导致填充因子降低，原因

是像素表面相当大的一部分面积被放大器晶体管所占用，留给光电二极管的可用空间较小。所以，当今CMOS传感器的一

个重要的开发目标就是扩大填充因子。赛普拉斯(FillFactory)通过其获得专利授权的一项技术，可以大幅度地提高填充因子，

这种技术可以把一颗标准CMOS硅芯片最大的一部分面积变为一块感光区域。随着像素尺寸的变小，提高填充因子所来越

困难，目前最流行的技术是从传统的前感光式（FSI，Front Side Illumination）变为背部感光式(BSI，Back Side Illumination)，

放大器等晶体管以及互联电路置于背部，前部全部留给光电二极管，这样就实现了100%的填充因子（如右侧示意图所示）。

另外，对于一个典型的工业用图象传感器而言，由于许多场景的拍摄都是在照明条件很差的情况下进行的，因此拥有较

大的动态范围将是十分有益的。CMOS图像传感器通过多斜率操作实现了这一目标：转换曲线由倾度不同的直线部分所组

成，它们共同形成了一个非线性特征曲线。因此，一幅场景的黑暗部分有可能占据集成模拟-数字转换器转换范围的很大一

部分：转换特征曲线在这里最为陡峭，以实现高灵敏度和对比度。特征曲线上半部分的平整化将在图像的明亮部分捕获几个

数量级的过度曝光，并以一个更加细致的标度来表现它们。采用多斜率的方式来运作LUPA-4000将使高达90dB的光动态范

围与一个10位A/D转换范围相匹配。 具有VGA分辨率的IM-001系列CMOS图像传感器在此基础上更进一步；它们

是专为汽车应用而设计的。其像素由光电二极管组成，可提供高达120dB的自适应动态范围。面向汽车应用的ACM 100相

机模块就采用了这些传感器，这种相机模块据称是同类产品中率先面市的全集成化相机解决方案：该视觉解决方案被看作是

面向驾驶者保护、防撞、夜视支持和轮胎跟踪导向的未来汽车安全系统的关键元件。 此外，对于独立于电网的便携式

应用而言，以低功耗特性而著称的CMOS技术还具有一个明显的优势：CMOS图像传感器是针对5V和3.3V电源电压而设

计的。而CCD芯片则需要大约12V的电源电压，因此不得不采用一个电压转换器，从而导致功耗增加。在总功耗方面，把

控制和系统功能集成到CMOS传感器中将带来另一个好处：它去除了与其他半导体元件的所有外部连接线。其高功耗的驱

动器如今已遭弃用，这是因为在芯片内部进行通信所消耗的能量要比通过PCB或衬底的外部实现方式低得多。

像素结构

CMOS传感器按为像素结构分被动式与主动式两种。

被动式像素结构

被动式像素结构（Passive Pixel Sensor.简称PPS）,又叫无源式。它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光

敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，它可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。

当开关管开启时,光敏二极管与垂直的列线（Column bus）连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路(Charge integrating

amplifier)保持列线电压为一常数,当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时,其电压被复位到列线电压水平,与此同时,与光信号

成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。

主动式像素结构

主动式像素结构(Active Pixel Sensor.简称APS),又叫有源式,如图2所示. 几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时,人们很

快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能,在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的

放大晶体管减少了像素元件的有效表面积,降低了“封装密度”,使40%～50%的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是,如

何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配,这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素

内的每个放大器仅在此读出期间被激发,所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的还小。

填充因数与量子效率

这填充因数（Fill Factor）,又叫充满因数,它指像素上的光电二极管相对于像素表面的大小。量子效率(Quantun efficiency)

是指一个像素被光子撞击后实际和理论最大值电子数的归一化值.被动式像素结构的电荷填充因数通常可达到70%,因此量子

效率高。但光电二极管积累的电荷通常很小，很易受到杂波干扰。再说像素内部又没有信号放大器，只依赖垂直总线终端放

大器，因而读出的信号杂波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素杂波大小不一样（固定图形噪波FPN）而影响整个图

像的质量。而主动性像素结构与被动式相比，它在每个像素处增加了一个放大器，可以将光电二极管积累的电荷转换成电压

进行放大，大大提高了S/N比，从而提高了传输过程中抗干扰的能力。但由于放大器占据了过多的像素面积，因而它的填

充因数相对较低，一般在25%-35%之间。

CMOS与CCD的区别

CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图

像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。

如下图所示，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经

由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存

电路的方式将数据输出。

左图为CCD传感器的结构，右

图为CMOS传感器的结构

造成这种差异的原因在于：

CCD的特殊工艺可保证数据在传送

时不会失真，因此各个象素的数据

可汇聚至边缘再进行放大处理；而

CMOS工艺的数据在传送距离较长

时会产生噪声，因此，必须先放大，

再整合各个象素的数据。

由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：

1. 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得

每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。

2. 成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、

Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的

方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS

传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破 50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS

传感器。

3. 分辨率差异：如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，

因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如，目

前市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的 OV2610，2002年6月推出)，其尺寸为1/2英寸，象素尺

寸为4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率却能高达513万象素，

象素尺寸也只有2.78mm的水平。

4. 噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器

所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影

响图像品质。

5. 功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传

感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在

电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说，

OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器

的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW 以上，虽然该公司近期将推出35mW的新产

品，但仍与CMOS传感器存在差距，且仍处于样品阶段。

综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、

低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD

传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo)；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度

方面的不足，以应用于更高端的图像产品。