CMOS與CCD圖像傳感器特性對比分析

CCD（Charge Coupled Device）圖像傳感器（以下簡稱CCD）和CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor以下簡稱CIS）的主要區(qū)別是由感光單元及讀出電路結(jié)構(gòu)不同而導(dǎo)致制造工藝的不同。CCD感光單元實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換后，以電荷的方式存貯并以電荷轉(zhuǎn)移的方式順序輸出，需要專用的工藝制程實(shí)現(xiàn)；CIS圖像感光單元為光電二極管，可在通用CMOS集成電路工藝制程中實(shí)現(xiàn)，除此之外還可將圖像處理電路集成，實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更低的功耗。

目前CCD幾乎被日系廠商壟斷，只有少數(shù)幾個廠商例如索尼、夏普、松下、富士、東芝等掌握這種技術(shù)。CIS是90年代興起的新技術(shù)，掌握該技術(shù)的公司較多，美國有OmniVision，Aptina；歐洲有ST；韓國的三星，SiliconFile，Hynix等；日本的SONY，東芝等；中國臺灣的晶像；大陸地區(qū)的比亞迪，格科微等公司。由于CCD技術(shù)出現(xiàn)早，相對成熟，前期占據(jù)了絕大部分的高端市場。早期CIS與CCD相比，僅功耗與成本優(yōu)勢明顯，因此多用于手機(jī)，PC Camera等便攜產(chǎn)品。隨著CIS技術(shù)的不斷進(jìn)步，性能不斷提升；而CCD技術(shù)提升空間有限，進(jìn)步緩慢。目前CIS不僅占據(jù)幾乎全部的便攜設(shè)備市場，部分高端DSC（Digital Still Camera）市場，更是向CCD傳統(tǒng)優(yōu)勢市場——監(jiān)控市場發(fā)起沖擊。下面就監(jiān)控專用CIS與傳統(tǒng)CCD進(jìn)行綜合對比。

一、靈敏度（Responsivity）

作為圖像傳感器最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，靈敏度是衡量圖像傳感器對于光線的敏感程度。監(jiān)控專用CIS的靈敏度高達(dá)10V/Lux-sec以上，高過大部分的CCD傳感器（Sharp RJ2311C靈敏度為3.2V/ Lux-sec）。靈敏度指標(biāo)主要體現(xiàn)在畫質(zhì)的亮度和低光效果上，靈敏度越高畫面越清晰。雖然CIS的最小感光度（Minimum Detectable Light）指標(biāo)低于CCD，但可以滿足絕大部分監(jiān)控應(yīng)用場合。

二、動態(tài)范圍（Dynamic Range）

動態(tài)范圍是衡量圖像傳感器對于明暗光線差別較大的場景下的表現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，體現(xiàn)在圖像傳感器是否可以在一幅圖像中既可以清晰顯示較暗的場景，又可以清晰顯示光線充足的場景。尤其是當(dāng)Camera對準(zhǔn)窗口時，既要能看到窗內(nèi)的景象，又要能看到窗外的場景，而不出現(xiàn)“過曝”現(xiàn)象。動態(tài)范圍越高，表明在明暗差別較大的場景下，圖像傳感器表現(xiàn)越好。目前高端CIS可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100dB以上的動態(tài)范圍，而常見CCD的動態(tài)范圍基本在60dB左右。從動態(tài)范圍上講，CIS略勝一籌。

三、集成度（Integration）

由于CIS在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制程下制造，可將讀出電路（包含相關(guān)雙采樣CDS，自動增益放大器AGC等），模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC），圖像信號處理（ISP），電視信號編碼電路（TV-Encoder）等全部集成于單芯片中。而CCD由于制造工藝特殊且復(fù)雜，處理電路需單獨(dú)存在，配套使用，因此在應(yīng)用上有“CCD套片”的叫法。“CCD套片”包含CCD圖像傳感器，V-Driver（時序控制/CCD多路電源，逐步被集成與CDS/AGC電路中），CDS/AGC（對應(yīng)于CIS的讀出電路），DSP（對應(yīng)于CIS的ISP）四部分。如果采用CIS設(shè)計(jì)CCTV Camera方案，只需要一顆芯片，一顆LDO和少量阻容元件，全部設(shè)計(jì)可在一塊兩面SMD 32mm*32mm的PCB板上完成；如果采用CCD套片，則最少需要一塊兩面SMD 38mm*38mm的PCB板才能容納所有器件。通常采用兩塊PCB板，以避免由PCB板元件過密帶來的噪聲問題。顯而易見，基于CIS的Camera方案提供了更高的集成度，無論是PCB板設(shè)計(jì)難度，還是功耗/成本都大大下降。

四、畫質(zhì)（Picture Quality）

除受圖像傳感器本身的物理特性影響外，圖像信號處理技術(shù)從某種程度上決定了圖像質(zhì)量。之所以人們認(rèn)為CIS效果不如CCD，一方面是由于長期以來形成的思維定勢，更主要是因?yàn)镃CD擁有獨(dú)立的DSP，具有強(qiáng)大的圖像處理功能，實(shí)際上圖像傳感物理部分已無差別。隨著CIS內(nèi)置ISP算法的不斷進(jìn)步，CIS畫質(zhì)已大幅提升。正常光線下，CIS與CCD畫質(zhì)已無差別，甚至已超越中低端CCD畫質(zhì)。但CIS的ISP集成在芯片內(nèi)部，其性能與獨(dú)立的DSP尚有差距，也造就了短期內(nèi)CIS尚無法達(dá)到高端CCD的效果。

五、工作溫度（Operating Temperature）

目前CIS已被廣泛應(yīng)用于汽車監(jiān)控（含可視倒車等），由于汽車電子的苛刻要求，用于汽車監(jiān)控的CIS產(chǎn)品要求在-40℃-105℃正常工作。而CCD由于傳感器部件對熱敏感，高于60℃將無法正常工作（低于-20℃也無法正常工作），因此高端攝像機(jī)都需內(nèi)置散熱系統(tǒng)。相對而言，基于CIS的Camera設(shè)計(jì)將更加簡單，穩(wěn)定。

六、接口（Interface）

由于CIS集成度優(yōu)勢，使得CIS相比于CCD擁有更豐富的接口種類。目前監(jiān)控用CIS不僅能夠輸出RGB，YUV，CCIR656等數(shù)字信號，而且可以輸出PAL/NTSC制式的模擬電視信號，既滿足傳統(tǒng)的CCTV應(yīng)用，也能滿足諸如IP Camera等數(shù)字應(yīng)用。此外CIS還提供I2C控制接口，便于外部MCU對CIS的控制。CCD圖像傳感器本身只能輸出模擬電信號，如果要增加各種接口，就需要“套片”配合使用。

比亞迪監(jiān)控專用CIS產(chǎn)品在現(xiàn)有接口基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提供了Master I2C接口和模擬差分電視信號接口。Master I2C接口使客戶將調(diào)試最佳圖像效果參數(shù)存于I2C 接口EEROM中，等CIS上電則讀取EEROM中的參數(shù)并自行配置到最佳效果。針對越來越多的客戶采用非屏蔽雙絞線傳輸模擬視頻信號，比亞迪CIS提供了差分輸出接口，無須外接Balun。

七、低功耗，低成本（Low Power Consumption，Low Cost）

低功耗與低成本是CIS天生的優(yōu)勢。得益于CIS的高集成度，即使CIS性能大幅提升，其功耗仍處于較低的水平，通常低于350mW（比亞迪CIS更是低至180mW）；而CCD圖像傳感器本身功耗都高于200mW，CCD套片的功耗更高達(dá)2W以上，10倍于CIS。因此，CIS被廣泛應(yīng)用于對功耗敏感的場合，如便攜設(shè)備，Wireless IP Camera，Baby Monitor，視頻對講等。

CCD制造工藝復(fù)雜而且成品率較低，CCD圖像傳感器本身的價格已經(jīng)高于CIS單芯片價格，何況加上輔助的套片價格。對于常見的CCTV Camera方案，采用CIS方案成本不足低端CCD套片的價格的50%。

以上可見，與CCD相比，CIS不僅擁有突出的性價比優(yōu)勢，其低功耗優(yōu)勢更是CCD所無法比擬的，可以完全替換中低端CCD產(chǎn)品。由于CIS相關(guān)技術(shù)仍處于發(fā)展階段，現(xiàn)階段CIS主要可用于IP Camera，常規(guī)視頻監(jiān)控，樓宇可視對講，視頻會議系統(tǒng)，汽車監(jiān)控，傳統(tǒng)的CCTV監(jiān)控等領(lǐng)域。