從四大方面分析CCD傳感器與CMOS傳感器的優(yōu)劣

CCD傳感器與CMOS傳感器兩者在結構、性能和技術上均不盡相同，在此我將兩者作一個簡單的比較，使廣大讀者對CCD和CMOS能有一個比較初步的認識。

CCD和CMOS傳感器是目前最常見的數(shù)字圖像傳感器，廣泛應用于數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、照相手機和攝像頭等產(chǎn)品上。兩者在結構、性能和技術上均不盡相同，在此我將兩者作一個簡單的比較，使廣大讀者對CCD和CMOS能有一個比較初步的認識，在選購相關產(chǎn)品時也能做到心中有數(shù)。

CCD與CMOS傳感器的結構比較

CCD（Charge Coupled Device），即“電荷耦合器件”，是一種感光半導體芯片，用于捕捉圖形，但CCD沒有能力記錄圖形數(shù)據(jù)，也沒有能力永久保存，所有圖形數(shù)據(jù)都會不停留地送入一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個信號處理器以及一個存儲設備。1970美國貝爾實驗室發(fā)明了CCD。二十年后，人們利用這一技術制造了數(shù)碼相機，將影像處理行業(yè)推進到一個全新領域。 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），即“互補金屬氧化物半導體”。它是計算機系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導所需的大量資料。有人發(fā)現(xiàn)，將CMOS加工也可以作為數(shù)碼相機中的感光傳感器，其便于大規(guī)模生產(chǎn)和成本低廉的特性是商家們夢寐以求的。

CCD和CMOS在制造上的主要區(qū)別主要是CCD是集成在半導體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱為金屬氧化物的半導體材料上，工作原理沒有本質(zhì)的區(qū)別，都是利用感光二極管（photodiode）進行光電轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換的原理與太陽能電子計算機的太陽能電池效應相近，光線越強、電力越強；反之，光線越弱、電力也越弱。根據(jù)此原理將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式不同。

比較CCD和CMOS的結構，ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）的位置和數(shù)量是最大的不同。CCD每曝光一次，在快門關閉后進行像素轉(zhuǎn)移處理，將每一行中每一個像素的電荷信號依序傳入“緩沖器”中，由底端的線路引導輸出至CCD邊緣的放大器進行放大，再串聯(lián)ADC輸出；而CMOS的設計中每個像素旁邊都直接連著ADC，電荷信號直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。造成這種差異的原因在于CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時不會失真，因此各個像素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個像素的數(shù)據(jù)。

CCD與CMOS傳感器的技術比較

CCD存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜而且速度較慢。而CMOS傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單，還能同時處理各單元的圖像信息，速度也比CCD快很多。CCD制作技術起步早，技術成熟，采用PN結或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對CMOS有一定優(yōu)勢。由于CMOS集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS很長一段時間無法投入實用。近幾年，隨著CMOS電路消噪技術的不斷發(fā)展，CMOS的性能已經(jīng)與CCD相差無幾了。

CCD與CMOS傳感器的性能比較

ISO感光度：由于CMOS每個像素由四個晶體管與一個感光二極管構成，還包含了放大器與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，過多的額外設備縮小了單一像素感光區(qū)域的表面積，因此相同像素下，同樣的尺寸，CMOS的感光度會低于CCD。

分辨率：由于CMOS傳感器的每個像素都比CCD傳感器復雜，其像素尺寸很難達到CCD傳感器的水平，因此，當我們比較相同尺寸的CCD與CMOS時，CCD傳感器的分辨率通常會優(yōu)于CMOS傳感器。

噪點：由于CMOS每個感光二極管都需搭配一個放大器，如果以百萬像素計，那么就需要百萬個以上的放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結果保持一致，因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪點就會增加很多，影響圖像品質(zhì)。

耗電量：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；而CCD傳感器為被動式采集，必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12~18V，因此CCD還必須有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅(qū)動電壓使CCD的耗電量遠高于CMOS。CMOS的耗電量僅為CCD的1/8到1/10。

成本：由于CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路（如AGC、CDS、Timing generator或DSP等）集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；而CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個像素不能運行，就會導致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經(jīng)驗的廠商也很難在產(chǎn)品問世的半年內(nèi)突破50%的水平，因此，CCD傳感器的制造成本會高于CMOS傳感器。

CCD與CMOS傳感器的前景

CCD在影像品質(zhì)等方面均優(yōu)于CMOS，而CMOS則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術的進步，兩者的差異將逐漸減小，新一代的CCD傳感器一直在功耗上作改進，而CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足。相信不斷改進的CCD與CMOS傳感器將為我們帶來更加美好的數(shù)碼影像世界。