监控用CMOS与CCD图像传感器对比

作者：比亚迪微电子

欢迎访问e展厅 展厅 10 机器视觉展厅 工业相机, 镜头, 视觉传感器, 图像采集卡, 视觉光源, ... CCD（Charge Coupled Device）图像传感器（以下简称CCD）和CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor以下简称CIS）的主要区别是由感光单元及读出电路结构不同而导致制造工艺的不同。CCD感光单元实现光电转换后，以电荷的方式存贮并以电荷转移的方式顺序输出，需要专用的工艺制程实现；CIS图像感光单元为光电二极管，可在通用CMOS集成电路工艺制程中实现，除此之外还可将图像处理电路集成，实现更高的集成度和更低的功耗。 目前CCD几乎被日系厂商垄断，只有少数几个厂商例如索尼、夏普、松下、富士、东芝等掌握这种技术。CIS是90年代兴起的新技术，掌握该技术的公司较多，美国有OmniVision，Aptina；欧洲有ST；韩国的三星，SiliconFile，Hynix等；日本的SONY，东芝等；中国台湾的晶像；大陆地区的比亚迪，格科微等公司。由于CCD技术出现早，相对成熟，前期占据了绝大部分的高端市场。早期CIS与CCD相比，仅功耗与成本优势明显，因此多用于手机，PC Camera等便携产品。随着CIS技术的不断进步，性能不断提升；而CCD技术提升空间有限，进步缓慢。目前CIS不仅占据几乎全部的便携设备市场，部分高端DSC（Digital Still Camera）市场，更是向CCD传统优势市场——监控市场发起冲击。下面就监控专用CIS与传统CCD进行综合对比。 一、灵敏度（Responsivity） 作为图像传感器最重要的技术指标之一，灵敏度是衡量图像传感器对于光线的敏感程度。监控专用CIS的灵敏度高达10V/Lux-sec以上，高过大部分的CCD传感器（Sharp RJ2311C灵敏度为3.2V/ Lux-sec）。灵敏度指标主要体现在画质的亮度和低光效果上，灵敏度越高画面越清晰。虽然CIS的最小感光度（Minimum Detectable Light）指标低于CCD，但可以满足绝大部分监控应用场合。 二、动态范围（Dynamic Range） 动态范围是衡量图像传感器对于明暗光线差别较大的场景下的表现。在实际应用中，体现在图像传感器是否可以在一幅图像中既可以清晰显示较暗的场景，又可以清晰显示光线充足的场景。尤其是当Camera对准窗口时，既要能看到窗内的景象，又要能看到窗外的场景，而不出现“过曝”现象。动态范围越高，表明在明暗差别较大的场景下，图像传感器表现越好。目前高端CIS可实现高达100dB以上的动态范围，而常见CCD的动态范围基本在60dB左右。从动态范围上讲，CIS略胜一筹。 三、集成度（Integration） 由于CIS在标准CMOS工艺制程下制造，可将读出电路（包含相关双采样CDS，自动增益放大器AGC等），模数转换电路（ADC），图像信号处理（ISP），电视信号编码电路（TV-Encoder）等全部集成于单芯片中。而CCD由于制造工艺特殊且复杂，处理电路需单独存在，配套使用，因此在应用上有“CCD套片”的叫法。“CCD套片”包含CCD图像传感器，V-Driver（时序控制/CCD多路电源，逐步被集成与CDS/AGC电路中），CDS/AGC（对应于CIS的读出电路），DSP（对应于CIS的ISP）四部分。如果采用CIS设计CCTV Camera方案，只需要一颗芯片，一颗LDO和少量阻容元件，全部设计可在一块两面SMD 32mm*32mm的PCB板上完成；如果采用CCD套片，则最少需要一块两面SMD 38mm*38mm的PCB板才能容纳所有器件。通常采用两块PCB板，以避免由PCB板元件过密带来的噪声问题。显而易见，基于CIS的Camera方案提供了更高的集成度，无论是PCB板设计难度，还是功耗/成本都大大下降。 四、画质（Picture Quality） 除受图像传感器本身的物理特性影响外，图像信号处理技术从某种程度上决定了图像质量。之所以人们认为CIS效果不如CCD，一方面是由于长期以来形成的思维定势，更主要是因为CCD拥有独立的DSP，具有强大的图像处理功能，实际上图像传感物理部分已无差别。随着CIS内置ISP算法的不断进步，CIS画质已大幅提升。正常光线下，CIS与CCD画质已无差别，甚至已超越中低端CCD画质。但CIS的ISP集成在芯片内部，其性能与独立的DSP尚有差距，也造就了短期内CIS尚无法达到高端CCD的效果。 五、工作温度（Operating Temperature） 目前CIS已被广泛应用于汽车监控（含可视倒车等），由于汽车电子的苛刻要求，用于汽车监控的CIS产品要求在-40℃-105℃正常工作。而CCD由于传感器部件对热敏感，高于60℃将无法正常工作（低于-20℃也无法正常工作），因此高端摄像机都需内置散热系统。相对而言，基于CIS的Camera设计将更加简单，稳定。 六、接口（Interface） 由于CIS集成度优势，使得CIS相比于CCD拥有更丰富的接口种类。目前监控用CIS不仅能够输出RGB，YUV，CCIR656等数字信号，而且可以输出PAL/NTSC制式的模拟电视信号，既满足传统的CCTV应用，也能满足诸如IP Camera等数字应用。此外CIS还提供I2C控制接口，便于外部MCU对CIS的控制。CCD图像传感器本身只能输出模拟电信号，如果要增加各种接口，就需要“套片”配合使用。 比亚迪监控专用CIS产品在现有接口基础上，创新性提供了Master I2C接口和模拟差分电视信号接口。Master I2C接口使客户将调试最佳图像效果参数存于I2C 接口EEROM中，等CIS上电则读取EEROM中的参数并自行配置到最佳效果。针对越来越多的客户采用非屏蔽双绞线传输模拟视频信号，比亚迪CIS提供了差分输出接口，无须外接Balun。 七、低功耗，低成本（Low Power Consumption，Low Cost） 低功耗与低成本是CIS天生的优势。得益于CIS的高集成度，即使CIS性能大幅提升，其功耗仍处于较低的水平，通常低于350mW（比亚迪CIS更是低至180mW）；而CCD图像传感器本身功耗都高于200mW，CCD套片的功耗更高达2W以上，10倍于CIS。因此，CIS被广泛应用于对功耗敏感的场合，如便携设备，Wireless IP Camera，Baby Monitor，视频对讲等。 CCD制造工艺复杂而且成品率较低，CCD图像传感器本身的价格已经高于CIS单芯片价格，何况加上辅助的套片价格。对于常见的CCTV Camera方案，采用CIS方案成本不足低端CCD套片的价格的50%。 以上可见，与CCD相比，CIS不仅拥有突出的性价比优势，其低功耗优势更是CCD所无法比拟的，可以完全替换中低端CCD产品。由于CIS相关技术仍处于发展阶段，现阶段CIS主要可用于IP Camera，常规视频监控，楼宇可视对讲，视频会议系统，汽车监控，传统的CCTV监控等领域。 注释：由于技术要求较高，目前全球只有美国OmniVision和Aptina能够提供满足监控应用的CIS产品，比亚迪BF3003是国内首款也是目前唯一一款国产监控专用CMOS图像传感器。(end)

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