传感器传递函数 常用传感器的使用与连接

常用传感器的使用与连接

电感式传感器：

传感器的输出方式不同，电路连接也有些差异，但输出方式相同的传感器的电路连接方式相同。实验中使用的传感器有直流两线式和直流三线式两种，其中光电传感器、电感式传感器、电容式传感器、光纤传感器均为直流三线式传感器，磁性传感器为直流两线式传感器。下面介绍NPN型传感器的电路连接方式。

使用传感器的注意事项：

1）传感器不宜安装在以下场所：阳光直射处、温度高、可能会结霜处、有腐蚀性气体处。

2）连接导线不要和电力线、动力线使用同一配线管或者配线槽，或者使用屏蔽线。

3）连接导线不能过细，长度不能过长。

4）接通电源后要等待一定时间才能进行检测。

传感器安装工艺要求：

传感器安装方法正确，安装结束后要进行传感器的位置或灵敏度调节，使传感器能准确地检测到相应信号。

电路的安装工艺要求：

1）连接导线选用正确。

2）电路各连接点连接可靠、牢固，外露铜丝最长不能超过2mm。

3）进接线排的导线都要编号，并套好号码管。

4）同一接线端子的连接导线最多不能超过2根。

安装工作的安全要求：

在装配工作过程中，必须做到“安全第一”，请认真阅读以下要求。

1）要正确使用一字或十字起子、尖嘴钳、剥线钳，防止在操作中发生起子或钳子伤手的事故；

2）安装结束确认接线正确无误后才能送电进行检测；

3）拆装要在停电状态下进行；

4）使用仪表带电测量时，一定要按照仪表使用的安全规程进行；

5）安装时，不用工具敲击安装器件，以防造成器材的损坏。

电感式接近开关的工作原理：

电感式接近开关内部用电磁线圈作为传感元件，利用电磁感应原理来产生信号，因此，能非接触式地检测到金属目标物，即有金属目标物进入它的检测范围之内时产生信号输出。

电感式传感器一般都是三线制传感器且有传感器指示灯，当传感器有信号输出时，指示灯亮，当传感器没有信号输出时，指示灯熄灭。

根据传感器的结构和安装支架的结构，要完成安装，首先要拆下传感器上的一个固定螺母，然后将传感器插入支架安装孔内，再将拆下的螺母旋上拧紧，传感器就固定在支架上了。参考的具体安装方法和步骤如下图：

所需安装的电感式传感器的工作电压为DC10-30V，因此安装时要保证：给电感式传感器提供合适的工作电压，一般我们选用DC24V的电源给传感器供电。进行电路安装时，将棕色线接电源的“+”，蓝色线接电源的“-”，黑色线接信号输入端。当传感器用来为PLC提供信号时，可按如下图所示的电气原理图接线。

连接线路时，传感器的引出线一般通过接线端子排与电源及PLC相连接，具体的连接方法和步骤可参考下图：

光电传感器的：

漫反射式光电传感器;

漫反射式光电传感器集发射器与接收器于一体，在前方无物体时，发射器发出的光不会被接收器所接收到，开关不动作，如下图（a）所示。当前方有物体时，接收器就能接收到物体反射回来的部分光线，通过检测电路产生开关量的电信号输出使开关动作，如下图（b）所示。漫反射式光电传感器的有效作用距离是由目标的反射能力决定的，即由目标表面性质和颜色决定。

反射式光电传感器：

反射式光电传感器也是集发射器与接收器于一体，但与漫射式光电传感器不同的是其前方装有一块反射板。当反射板与发射器之间没有物体遮挡时，接收器可以接收到光线，开关不动作，如下图（a）所示。当被测物体遮挡住反射板时，接收器无法接收到发射器发出的光线，传感器产生输出，开关动作，如下图（b）所示：

对射式光电传感器：

对射式光电传感器的发射器和接收器是分离的。在发射器与接收器之间如果没有物体遮挡，发射器发出的光线能被接收器接收到，开关不动作，如图（a）所示。当有物体遮挡时，接收器接收不到发射器发出的光线，传感器产生输出信号，开关动作，如图（b）所示。这种光电传感器能辨别不透明的反光物体，有效距离大。因为发射器发出的光束只跨越感应距离一次，因此不易受干扰，可以可靠地用于野外或者粉尘污染较严重的环境中。

根据传感器的结构和安装支架的结构，要完成安装，首先要将传感器连接导线按下图a所示从孔中穿过，再将传感器的固定孔和安装支架上的安装孔对准后，插入螺丝并固定，传感器就固定在支架上了。参考的具体安装方法和步骤如下图所示。

光纤传感器：

光导纤维是利用光的完全内反射原理传输光波的一种介质，它是由高折射率的纤芯和包层所组成。包层的折射率小于纤芯的折射率，直径大致为0.1mm～0.2mm。当光线通过端面透入纤芯，在到达与包层的交界面时，由于光线的完全内反射，光线反射回纤芯层。这样经过不断的反射，光线就能沿着纤芯向前传播且只有很小的衰减。光纤式传感器就是把发射器发出的光线用光导纤维引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到接收器来实现检测的。按动作方式的不同，光纤式传感也可分为对射式、漫反射式等多种类型。光纤式传感器可以实现被检测物体在较远区域的检测。由于光纤损耗和光纤色散的存在,在长距离光纤传输系统中,必须在线路适当位置设立中级放大器,以对衰减和失真的光脉冲信号进行处理及放大。

光纤传感器使用注意事项：

1）不能安装在以下场所：阳光直射处，湿度高、可能会结霜处，有腐蚀性气体处，对本体有直接振动或冲击影响处；

2）电力线、动力线与光电开关使用同一配线管或者配线槽时，会由于感应引起误动作或者产品损坏，原则上请分开配线或者使用屏蔽线。

3）导线的延长请使用0.3mm以上的线，并控制在100m以下；

4）电源接通后，经过200ms以上才可以进行检测，负载与光纤传感器的电源分开时，请一定要先接通光纤传感器的电源；

5）在切断电源时会发生输出脉冲情况，所以要先切断负载或负载线的电源；

6）使用接插件式时，为了防止触电或短路，请在不使用的连接电源端子上贴上保护用贴片；

7）放大器拆卸和安装时请一定要切断电源；

8）请不要在光纤单元固定于放大器单元的状态下施加拉伸、压缩等动作；

9）在使用时一定要确保保护罩已盖好；

10）不要使用香蕉水、汽油、丙酮、灯油类进行清洁。

光纤传感器的拆装：

光纤传感器由放大器单元、光纤单元和配线接插件单元三个组件组成，其安装相对电感式传感器、电容式传感器要复杂一些，下面分别介绍光纤传感器的三个组件的拆装。

1）放大器单元的安装

将光纤传感器放大器单元中与光纤单元相连接的一侧的钩爪嵌入固定导轨后，再压下直到挂钩完全锁定，如图所示。

放大器单元安装示意图

注意：务必将与光纤单元相连的一侧先嵌入导轨进行安装，逆向安装会导致安装强度下降。

2）放大器单元的拆卸

如下左图所示，压住1方向后，将光纤传感器插入部往2的方向提，即可将放大器单元拆卸下来。

3）配线接插件单元的安装

如上右图所示将配线插件单元插入放大器单元的母接插件中，直到发出“咔”的声音。

4）配线接插件单元的拆卸

滑动子接插件，如下左图所示，按下接插件的扳钮，使母/子接插件完全分离。

5）光纤单元的安装

如上右图所示，按1打开保护罩，按2打开锁定拨杆，按3将光纤插入放大器单元插入口并确保插到底部，再按4将锁定拨杆拨回原来位置固定住光纤，最后盖上保护罩。

注：光纤的插入位置要到位，具体位置要求如下左图所示。如不完全插入可能会引起检测距离下降。

6）光纤单元的拆卸

如上右图所示，打开保护罩，解除锁定扳钮，然后拔出光纤。

这种光纤传感器反射入光量与放大器入光量指示灯的关系如下图表所示。

磁性传感器：

磁性开关的工作原理：

磁性开关是流体传动系统中所特有的。磁性开关可以直接安装在气缸缸体上，当带有磁环的活塞移动到磁性开关所在位置时，磁性开关内的两个金属簧片在磁环磁场的作用下吸合，发出信号。当活塞移开，舌簧开关离开磁场，触点自动断开，信号切断。通过这种方式可以很方便地实现对气缸活塞位置的检测。

磁性开关的工作状态：

磁性传感器一般都是二线制传感器且有传感器指示灯。当传感器指示灯亮时，表示有信号输出，当指示灯熄灭时，表示传感器没有信号输出，因此我们可以通过指示灯的亮灭来观察传感器的工作是否正常。

从应用原理上，磁性传感器的种类主要有：

(1)磁电感应式传感器的特点

磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。但这种传感器的尺寸和重量都较大。

(2) 磁电感应式传感器的工作原理，分类与应用工作原理：根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关。按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。恒定磁通式磁电感应式传感器按运动部件的不同可分为动圈式和动铁式。动圈式磁电传感器的中线圈是运动部件，基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度，如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速；动铁式磁电感应式传感器的运动部件是铁芯，可用于各种振动和加速度的测量。

变磁通式磁电感应传感器中，线圈和磁铁都静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化，常用来测量旋转物体的角速度。如动画所示，线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮1（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90℃的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。

2、霍尔式传感器

(1) 霍尔传感器的特点

霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。

(2)霍尔传感器原理金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

霍尔传感器利用霍尔效应实现对物理量的检测，按被检测对象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

(3)霍尔传感器的应用

维持I、q 不变，则EH=f（B），这方面的应用有测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等；维持I、B不变，则EH=f（q），这方面的应用有角位移测量仪等。维持q 不变，则EH=f（IB），即传感器的输出EH与I、B的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔式功率计等。

(4) 霍尔传感器的选用注意事项

1．磁场测量。如果要求被测磁场精度较高，如优于±0.5％，那么通常选用砷化镓霍尔元件，其灵敏度高，约为5—10mv/100mT.温度误差可忽略不计，且材料性能好，可以做的体积较小。在被测磁场精度较低，体积要求不高。如精度低于±0.5％时，最好选用硅和锗雹尔元件。

2．电流测量。大部分霍尔元件可以用于电流测量，要求精度较高时。选用砷化镓霍尔元件，精度不高时，可选用砷化镓、硅、锗等霍尔元件。

3．转速和脉冲测量。测量转速和脉冲时，通常是选用集成霍尔开关和锑化铟霍尔元件。如在录像机和摄像机中采用了锑铟霍尔元件替代电机的电刷，提高了使用寿命。

4．信号的运算和测量。通常利用霍尔电势与控制电流、被测磁场成正比，并与被测磁场同霍尔元件表面的夹角成正弦关系的特性，制造函数发生器。利用霍尔元件输出与控制电流和被测磁场乘积成正比的特性。制造功率表、电度表等。

5．拉力和压力测量。选用霍尔件制成的传感器较其它材料制成的阵感器灵敏度和线性度更佳。

3、磁阻效应传感器

磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应)。磁阻效应与霍尔效应的区别在于感应电动势相对于电流的方向，霍尔电势是垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。

上图是一种测量位移的磁阻效应传感器。将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻R1、R2发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁场等参数的测量。

磁性传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始数据进行精确可靠测量，无论是信号转换、信息处理及数据的显示与控制，都将无从谈起。没有精确可靠的传感器，就没有自动检测和控制系统。由此可见，磁性传感器起着巨大的作用。

本文来源于互联网，暖通南社整理编辑。

深度解读CMOS图像传感器

图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。60年代末期，美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了固态成像这一新概念和一维CCD(Charge-Coupled Device 电荷耦合器件)模型器件。到90年代初，CCD技术已比较成热，得到非常广泛的应用。

但是随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。首先，CCD技术芯片技术工艺复杂，不能与标准工艺兼容。其次，CCD技术芯片需要的电压功耗大，因此CCD技术芯片价格昂贵且使用不便。

目前，最引人注目，最有发展潜力的是采用标准的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器，即CMOS图像传感器。CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺，可将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型、微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。

CMOS图像传感器概述

CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。

在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。

更确切地说，CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图像传感器很相似），所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。

CMOS图像传感器基本工作原理

下图为CMOS图像传感器的功能框图。

首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。

从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对CMOS图像传感器的种种干扰。

然而今天，随着制作工艺的提高，使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加功能。实际上，在Conexant公司（前Rockwell半导体公司）的一台先进的CMOS摄像机所用的CMOS图传感器上，每一个像素中都设计并使用了6个晶体管，测试到的读出噪声只有1均方根电子。不过，随着像素内电路数量的不断增加，留给感光二极管的空间逐渐减少，为了避免这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降，一般都使用微透镜，这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域。

因为电荷被限制在像素以内，所以CMOS图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别，这种不均匀性就会引起固定图像噪声。然而，随着CMOS图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到显著弱化。

这种多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等，这些都已在某些设计者的考虑之中。

CMOS图像传感器相关技术

像元结构和工作原理

CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。而信号的读出方法却与CCD不同，每个CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出。

下图上部给出了MOS三极管和光敏二极管组成的相当于一个像元的结构剖面，在光积分期间，MOS三极管截止，光敏二极管随入射光的强弱产生对应的载流子并存储在源极的P．N结部位上[1]。当积分期结束时，扫描脉冲加在MOS三极管的栅极上，使其导通，光敏二极管复位到参考电位，并引起视频电流在负载上流过，其大小与入射光强对应。图2-1下部给出了-个具体的像元结构，由图可知，MOS三极管源极P．N结起光电变换和载流子存储作用，当栅极加有脉冲信号时，视频信号被读出。

CMOS图像传感器阵列结构

下图所示的是CMOS像敏元阵列结构，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元阵列组成。

（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平扫描开关；4一垂直扫描开关；5一像敏元阵列；6一信号线；7一像敏元）

下图是CMOS摄像器件的原理框图。

如前所述，各MOS晶体管在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起开关作用。水平移位寄存器从左至右顺次地接通起水平扫描作用的MOS晶体管，也就是寻址列的作用，垂直移位寄存器顺次地寻址列阵的各行。每个像元由光敏二极管和起垂直开关作用的MOS晶体管组成，在水平移位寄存器产生的脉冲作用下顺次接通水平开关，在垂直移位寄存器产生的脉冲作用下接通垂直开关，于是顺次给像元的光敏二极管加上参考电压(偏压)。被光照的二极管产生载流子使结电容放电，这就是积分期间信号的积累过程。而上述接通偏压的过程同时也是信号读出过程。在负载上形成的视频信号大小正比于该像元上的光照强弱。

CMOS图像传感器的功能结构及工作原理

如图所示，给出了CMOS图像传感器结构框图信号流程图，首先，景物通过成像透镜聚焦到图像传感器阵列上，而图像传感器阵列是一个二维的像素阵列，每一个像素上都包括一个光敏二极管，每个像素中的光敏二极管将其阵列表面的光强转换为电信号，然后通过行选择电路和列选择电路选取希望操作的像素，并将像素上的电信号读取出来，放大后送相关双采样CDS电路处理，相关双采样是高质量器件用来消除一些干扰的重要方法，其基本原理是由图像传感器引出两路输出，一路为实时信号，另外一路为参考信号，通过两路信号的差分去掉相同或相关的干扰信号，这种方法可以减少KTC噪声、复位噪声和固定模式噪声FPN(Fixed Pattern Noise)，同时也可以降低1／f噪声，提高了信噪比，此外，它还可以完成信号积分、放大、采样、保持等功能。然后信号输出到模拟／数字转换器上变换成数字信号输出。

CMOS图像传感器结构类型

CCD型和CMOS型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。典型的CMOS像素阵列，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连，行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上，位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择。

根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式APS又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

无源像素被动式传感器

PPS出现得最早，结构也最简单，使得CMOS图像传感器走向实用化，其结构原理如图3所示。每一个像素包含一个光敏二极管和一个开关管TX。当TX选通时，光敏二极管中由于光照产生的电荷传送到了列线col,列线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光敏二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展，所以限制了应用，很快被APS代替

光敏二极管像素单元

光敏二极管像素单元是由光敏二极管，复位管，源跟随和行选通开关管组成，此外还有电荷溢出门管M3，M3的作用是增加电路的灵敏度，用一个较小的电容就能够检测到整个光敏二极管的n+扩散区所产生的全部光生电荷，它的栅极接约1V的恒定电压，在分析器件工作原理时可以忽略将其看成短路。电荷敏感扩散电容用做收集光生电荷。复位管M4对光敏二极管和电容复位，同时作为横向溢出门控制光生电荷的积累和转移。源跟随器M1的作用是实现对信号的放大和缓冲，改善APS的噪声问题。源跟随器还可加快总线电容的充放电，因而允许总线长度增加和像素规模增大。因此，APS比PPS具有低读出噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂，填充系数降低，填充系数一般只有20%到30%。它的工作过程是：首先进入“复位状态”，复位管打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，复位管关闭，光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通管打开，信号通过列总线输出。

光栅型APS

光栅型APS是由美国喷气推进实验室（JPL）首先推出的。其中感光结构由光栅PG 和传输门TX构成。光栅输出端为漂移扩散端，它与光栅PG被传输门TX隔开。像素单元还包括一个复位晶体管，一个源跟随器和一个行选通晶体管。当光照射在像素单元时，在光栅PG处产生电荷；与此同时，复位管打开，对势阱复位；然后复位管关闭，行选通管打开，复位后的电信号由此通路被读出并暂存起来，之后传输门TX打开，光照产生的电信号通过势阱并被读出，前后两次的信号差就是真正的图像信号。

对数响应型CMOS-APS

对数响应型CMOS-APS拥有很高的动态范围。它由光敏二极管、负载管、源跟随器和行选通管组成，负载管栅极是一恒定偏置电压（不一定要是电源电压），该像素单元输出信号与入射光信号成对数关系，它的工作特点是光线被连续地转化为信号电压，而不像一般APS那样存在复位和积分过程。但是，对数响应型CMOS-APS的一个致命缺陷就是对器件参数相当敏感，特别是阈值电压。

PPS和APS都是在像素外进行模/数（A/D）转换的，而DPS将模/数（A/D）转换集成在每一个像素单元里，每一个像素单元输出的是数字信号，工作速度更快，功耗更低。

影响CMOS传感器性能的主要问题

噪声

这是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声FPN（Fixed pattern noise）、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。噪声正是这样被引入的。对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。具体地说来有点像在设计模拟放大器时引入差分对来抑制共模噪声。双采样是先读出光照产生的电荷积分信号，暂存然后对象素单元进行复位，再读取此象素单元地输出信号。两者相减得出图像信号。两种采样均能有效抑制固定图形噪声。另外，相关双采样需要临时存储单元，随着象素地增加，存储单元也要增加。

暗电流

物理器件不可能是理想的，如同亚阈值效应一样，由于杂质、受热等其他原因的影响，即使没有光照射到象素，象素单元也会产生电荷，这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同，它会导致固定图形噪声。对于含有积分功能的像素单元来说，暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程，它是散弹噪声的一个来源。因此，热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。当长时间的积分单元被采用时，这种类型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素，对于昏暗物体，长时间的积分是必要的，并且像素单元电容容量是有限的，于是暗电流电子的积累限制了积分的最长时间。

为减少暗电流对图像信号的影响，首先可以采取降温手段。但是，仅对芯片降温是远远不够的，由暗电流产生的固定图形噪声不能完全通过双采样克服。现在采用的有效的方法是从已获得的图像信号中减去参考暗电流信号。

象素的饱和与溢出模糊

类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限，对于CMOS图像传感芯片来说，它也有一个输入的上限。输入光信号若超过此上限，像素单元将饱和而不能进行光电转换。对于含有积分功能的像素单元来说，此上限由光电子积分单元的容量大小决定：对于不含积分功能的像素单元，该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。在输入光信号饱和时，溢出模糊就发生了。溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。这有些类似于照片上的曝光过度。溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服，泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是，这只是限制了溢出，却不能使象素能真实还原出图像了。

CMOS图像传感器参数

1、传感器尺寸

CMOS图像传感器的尺寸越大，则成像系统的尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。目前，CMOS图像传感器的常见尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。

2、像素总数和有效像素数

像素总数是指所有像素的总和，像素总数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。显而易见,有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了CMOS图像传感器的分辨能力。

3、动态范围

动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定,反映了CMOS图像传感器的工作范围。参照CCD的动态范围,其数值是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比,通常用DB表示。

4、灵敏度

图像传感器对入射光功率的响应能力被称为响应度。对于CMOS图像传感器来说,通常采用电流灵敏度来反映响应能力,电流灵敏度也就是单位光功率所产生的信号电流。

5、分辨率

分辨率是指CMOS图像传感器对景物中明暗细节的分辨能力。通常用调制传递函数(MTF)来表示,同时也可以用空间频率(lp/mm)来表示。

6、光电响应不均匀性

CMOS图像传感器是离散采样型成像器件,光电响应不均匀性定义为CMOS图像传感器在标准的均匀照明条件下,各个像元的固定噪声电压峰峰值与信号电压的比值。

7、光谱响应特性

CMOS图像传感器的信号电压Vs和信号电流Is是入射光波长λ的函数。光谱响应特性就是指CMOS图像传感器的响应能力随波长的变化关系,它决定了CMOS图像传感器的光谱范围。

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