CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動器、列驅(qū)動器、時序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成,這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過程一般可分為復位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。

首先，外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選擇邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出。

其中的行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號處理單元的主要功能是對信號進行放大處理，并且提高信噪比。

另外，為了獲得質(zhì)量合格的實用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。

由于該放大器在像素內(nèi)部具有放大和緩沖功能，具有良好的消噪功能，且電荷不需要像CCD器件那樣經(jīng)過遠距離移位到達輸出放大器，因此避免了所有與電荷轉(zhuǎn)移有關(guān)的CCD器件的缺陷。

CMOS的兩種像素結(jié)構(gòu)

由于每個放大器僅在讀出期間被激發(fā)，所以將經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的信號在像素內(nèi)放大，然后用X－Y地址方式讀出，提高了固體圖像傳感器的靈敏度。APS像素單元有放大器，它不受電荷轉(zhuǎn)移效率的限制，速度快，圖像質(zhì)量較PPS得到了明顯地改善。但是與PPS相比，APS的像素尺寸較大、填充系數(shù)小，所設(shè)計的填充系數(shù)典型值為0.2～0.3。

光敏二極管型無源像素結(jié)構(gòu)圖

在同一芯片上集成有模擬信號處理電路、I(2)C控制接口、曝光／白平衡控制、視頻時序產(chǎn)生電路、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、行選擇、列選擇及放大和光敏單元陣列。芯片上的模擬信號處理電路主要執(zhí)行相關(guān)雙采樣（CorrelatedDouble Sampling，CDS）功能。

芯片上的A／D轉(zhuǎn)換器可以分為像素級、列級和芯片級幾種情況，即每一個像素有一個A／D轉(zhuǎn)換器，每一個列像素有一個A／D轉(zhuǎn)換器，或者每一個感光陣列有一個A／D轉(zhuǎn)換器。由于受芯片尺寸的限制，所以像素級的A／D轉(zhuǎn)換器不易實現(xiàn)。

CMOS芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CMOS芯片內(nèi)部提供了一系列控制寄存器，通過總線編程（如Pc總線）來對自增益、自動曝光、白色平衡、／校正等功能進行控制，編程簡單、控制靈活。直接輸出的數(shù)字圖像信號可以很方便地與后續(xù)處理電路接口，供數(shù)字信號處理器對其進行處理。