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CMOS是什么(me) CMOS图像传感器基本原理(li) BIOS与CMOS的区(qu)别 KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-04-03 

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引言

20世(shi)纪70年代,CCD图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感器(qi)(qi)和CMOS图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感器(qi)(qi)同时起步。CCD图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感器(qi)(qi)由(you)于灵敏度(du)高、噪声低,逐步成为图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感器(qi)(qi)的(de)主流。但由(you)于工艺上的(de)原因,敏感元(yuan)件和信(xin)号(hao)处理电(dian)路不(bu)能集成在同一芯片(pian)上,造成由(you)CCD图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感器(qi)(qi)组装的(de)摄像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)机体积大(da)、功耗大(da)。CMOS图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感器(qi)(qi)以(yi)其体积小、功耗低在图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感器(qi)(qi)市场上独树一帜。但最(zui)初市场上的(de)CMOS图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感器(qi)(qi),一直没有摆脱(tuo)光照(zhao)灵敏度(du)低和图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分辨率低的(de)缺点,图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)质量(liang)还无法与CCD图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感器(qi)(qi)相比。


如(ru)果(guo)把CMOS图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传(chuan)(chuan)感器(qi)的光照灵(ling)敏度再提(ti)高(gao)5倍~10倍,把噪(zao)声进一步(bu)降(jiang)低(di),CMOS图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传(chuan)(chuan)感器(qi)的图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)质量(liang)就(jiu)可以达到或略微超过CCD图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传(chuan)(chuan)感器(qi)的水平,同时能(neng)保持(chi)体积(ji)小(xiao)、重量(liang)轻(qing)、功(gong)耗(hao)低(di)、集(ji)成度高(gao)、价位低(di)等优点,如(ru)此,CMOS图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传(chuan)(chuan)感器(qi)取代CCD图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传(chuan)(chuan)感器(qi)就(jiu)会成为(wei)事(shi)实。


由于CMOS图(tu)像(xiang)传(chuan)感(gan)器的(de)应用,新(xin)(xin)一代图(tu)像(xiang)系统的(de)开(kai)发研制得到了(le)极(ji)大的(de)发展,并且随着(zhe)经济规模的(de)形成,其生(sheng)产(chan)成本也(ye)得到降低。现在(zai),CMOS图(tu)像(xiang)传(chuan)感(gan)器的(de)画面质量也(ye)能(neng)与CCD图(tu)像(xiang)传(chuan)感(gan)器相媲美,这(zhei)主要归功于图(tu)像(xiang)传(chuan)感(gan)器芯(xin)片设计(ji)的(de)改进,以(yi)及亚(ya)(ya)微(wei)米(mi)(mi)和深亚(ya)(ya)微(wei)米(mi)(mi)级(ji)设计(ji)增加了(le)像(xiang)素内部的(de)新(xin)(xin)功能(neng)。


实(shi)际上,更确切地说,CMOS图(tu)(tu)像(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)应当是(shi)一(yi)(yi)个(ge)图(tu)(tu)像(xiang)系(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)。一(yi)(yi)个(ge)典型的(de)(de)CMOS图(tu)(tu)像(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)通(tong)常包(bao)含:一(yi)(yi)个(ge)图(tu)(tu)像(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)核心(是(shi)将离散信号(hao)电平(ping)多路传(chuan)输(shu)到一(yi)(yi)个(ge)单(dan)一(yi)(yi)的(de)(de)输(shu)出,这与(yu)CCD图(tu)(tu)像(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)很相似),所有的(de)(de)时序逻辑(ji)、单(dan)一(yi)(yi)时钟(zhong)及芯片(pian)内的(de)(de)可(ke)编程功(gong)能,比如(ru)增益调节、积分时间、窗口(kou)和(he)模数转(zhuan)换器(qi)(qi)(qi)。事实(shi)上,当一(yi)(yi)位设计者购(gou)买(mai)了(le)CMOS图(tu)(tu)像(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)后(hou),他得到的(de)(de)是(shi)一(yi)(yi)个(ge)包(bao)括图(tu)(tu)像(xiang)阵列逻辑(ji)寄存器(qi)(qi)(qi)、存储器(qi)(qi)(qi)、定时脉冲发生器(qi)(qi)(qi)和(he)转(zhuan)换器(qi)(qi)(qi)在内的(de)(de)全部系(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)。与(yu)传(chuan)统(tong)(tong)的(de)(de)CCD图(tu)(tu)像(xiang)系(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)相比,把整个(ge)图(tu)(tu)像(xiang)系(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)集成在一(yi)(yi)块芯片(pian)上不仅降低(di)了(le)功(gong)耗,而且(qie)具有重量较轻,占用空(kong)间减少(shao)以及总(zong)体价格更低(di)的(de)(de)优(you)点(dian)。


一、CMOS基本原理

从(cong)某一方面来(lai)说,CMOS图(tu)像(xiang)传(chuan)感器(qi)在(zai)每(mei)个像(xiang)素位置内都(dou)有一个放(fang)大器(qi),这就(jiu)使其能在(zai)很(hen)低的(de)带宽(kuan)情况(kuang)下(xia)把离散(san)的(de)电荷信号包(bao)转(zhuan)换成电压(ya)输出,而且也仅需(xu)要在(zai)帧速率下(xia)进(jin)行重置。CMOS图(tu)像(xiang)传(chuan)感器(qi)的(de)优点之一就(jiu)是(shi)它具有低的(de)带宽(kuan),并增加了信噪比。由于制(zhi)造工艺(yi)的(de)限制(zhi),早先的(de)CMOS图(tu)像(xiang)传(chuan)感器(qi)无法将放(fang)大器(qi)放(fang)在(zai)像(xiang)素位置以(yi)内。这种被称为(wei)PPS的(de)技(ji)术,噪声性能很(hen)不理(li)想(xiang),而且还(hai)引(yin)来(lai)对CMOS图(tu)像(xiang)传(chuan)感器(qi)的(de)种种干(gan)扰。


随(sui)着(zhe)制作工艺的(de)(de)提高,使(shi)在(zai)(zai)像(xiang)(xiang)素内(nei)部(bu)增加(jia)(jia)复杂功能(neng)的(de)(de)想(xiang)法(fa)成为(wei)可能(neng)。现在(zai)(zai),在(zai)(zai)像(xiang)(xiang)素位置(zhi)以(yi)内(nei)已经能(neng)增加(jia)(jia)诸如电子开关(guan)、互阻抗(kang)放大(da)器和用(yong)(yong)来(lai)降低固定(ding)图形噪声的(de)(de)相关(guan)双(shuang)采样保持电路以(yi)及消除噪声等多(duo)种附加(jia)(jia)功能(neng)。实际上(shang)(shang),在(zai)(zai)Conexant公司(si)(前Rockwell半导体公司(si))的(de)(de)一台(tai)先进(jin)的(de)(de)CMOS摄像(xiang)(xiang)机所用(yong)(yong)的(de)(de)CMOS图传感(gan)器上(shang)(shang),每(mei)一个像(xiang)(xiang)素中都(dou)设计(ji)并(bing)使(shi)用(yong)(yong)了6个晶(jing)体管,测试(shi)到的(de)(de)读出噪声只有1均(jun)方根电子。不过,随(sui)着(zhe)像(xiang)(xiang)素内(nei)电路数(shu)(shu)量(liang)的(de)(de)不断增加(jia)(jia),留给(ji)感(gan)光(guang)二极管的(de)(de)空(kong)间逐渐减少(shao),为(wei)了避(bi)免这(zhei)个比例(又(you)称占(zhan)空(kong)因数(shu)(shu)或填充系数(shu)(shu))的(de)(de)下降,一般(ban)都(dou)使(shi)用(yong)(yong)微(wei)透镜(jing),这(zhei)是因为(wei)每(mei)个像(xiang)(xiang)素位置(zhi)上(shang)(shang)的(de)(de)微(wei)小透镜(jing)都(dou)能(neng)改变入(ru)射光(guang)线的(de)(de)方向,使(shi)得本来(lai)会落到连接点或晶(jing)体管上(shang)(shang)的(de)(de)光(guang)线重回(hui)到对光(guang)敏(min)感(gan)的(de)(de)二极管区(qu)域(yu)。


因(yin)(yin)为(wei)电荷被(bei)限(xian)制(zhi)在(zai)像素(su)以(yi)内,所以(yi)CMOS图(tu)像传感(gan)器的(de)(de)(de)另一个(ge)固有(you)的(de)(de)(de)优点就(jiu)是(shi)它的(de)(de)(de)防光(guang)晕特性。在(zai)像素(su)位置内产(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)电压先是(shi)被(bei)切换到一个(ge)纵列的(de)(de)(de)缓冲区内,然后再(zai)被(bei)传输(shu)(shu)到输(shu)(shu)出放大器中(zhong),因(yin)(yin)此不会发生(sheng)传输(shu)(shu)过(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)电荷损耗以(yi)及(ji)随后产(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)光(guang)晕现(xian)象。它的(de)(de)(de)不利因(yin)(yin)素(su)是(shi)每个(ge)像素(su)中(zhong)放大器的(de)(de)(de)阈值电压都有(you)细小的(de)(de)(de)差别(bie),这(zhei)种(zhong)不均匀性就(jiu)会引起(qi)固定(ding)图(tu)像噪(zao)声。然而(er),随着CMOS图(tu)像传感(gan)器的(de)(de)(de)结(jie)构设计和制(zhi)造(zao)工(gong)艺的(de)(de)(de)不断改(gai)进,这(zhei)种(zhong)效应已经(jing)得到显(xian)著弱(ruo)化。


这种多(duo)功能的(de)集(ji)成化,使得许多(duo)以前无法(fa)应用图像(xiang)技术的(de)地方现在(zai)(zai)也(ye)变得可(ke)行了,如孩子(zi)的(de)玩具(ju),更加分(fen)散的(de)保安摄(she)像(xiang)机(ji)、嵌入在(zai)(zai)显示器(qi)和膝上型计(ji)算(suan)机(ji)显示器(qi)中(zhong)的(de)摄(she)像(xiang)机(ji)、带(dai)相机(ji)的(de)移动电路、指纹识别系(xi)统、甚至于(yu)医(yi)学图像(xiang)上所使用的(de)一次性照相机(ji)等,这些(xie)都(dou)已在(zai)(zai)某些(xie)设计(ji)者(zhe)的(de)考虑之中(zhong)。


然而(er),这个行业还(hai)有一(yi)个受(shou)到普遍关(guan)注(zhu)的(de)(de)(de)问题(ti),那就是(shi)(shi)测量(liang)方法,具体指标、阵(zhen)列(lie)大小和特性等方面(mian)还(hai)缺乏统一(yi)的(de)(de)(de)标准。每(mei)一(yi)位工程(cheng)师(shi)在(zai)比(bi)较(jiao)各种资(zi)料(liao)(liao)一(yi)览表(biao)时,可能会发现在(zai)一(yi)张表(biao)上(shang)列(lie)出(chu)的(de)(de)(de)是(shi)(shi)关(guan)于(yu)读(du)出(chu)噪声(sheng)或(huo)信噪比(bi)的(de)(de)(de)资(zi)料(liao)(liao),而(er)在(zai)另一(yi)张表(biao)上(shang)可能只(zhi)是(shi)(shi)强调(diao)关(guan)于(yu)动(dong)态(tai)范围或(huo)最大势阱容量(liang)的(de)(de)(de)资(zi)料(liao)(liao)。因此,这就要(yao)求设(she)计(ji)者们(men)能够(gou)判断(duan)哪一(yi)个参数对他们(men)最重要(yao),并且尽可能充分利用多产(chan)品的(de)(de)(de)CMOS图(tu)像传感(gan)器家族。


一(yi)(yi)些关键的(de)(de)性能参数(shu)是任何一(yi)(yi)种(zhong)图像传感器都(dou)需要(yao)(yao)关注的(de)(de),包括信噪(zao)比(bi)(bi)、动态范(fan)围(wei)、噪(zao)声(固定(ding)图形(xing)噪(zao)声和读(du)出(chu)噪(zao)声)、光学尺寸(cun)以及(ji)电(dian)压的(de)(de)要(yao)(yao)求。应当知道并用(yong)来对(dui)比(bi)(bi)的(de)(de)重(zhong)要(yao)(yao)参数(shu)有:最大势阱容量、各(ge)种(zhong)工作状态下的(de)(de)读(du)出(chu)噪(zao)声、量子效率以及(ji)暗电(dian)流,至(zhi)于(yu)信噪(zao)比(bi)(bi)之类的(de)(de)其它参数(shu)都(dou)是由那(nei)些基本(ben)量度推导出(chu)来的(de)(de)。


对(dui)于像(xiang)保安摄像(xiang)机一(yi)类(lei)的(de)低照(zhao)度级的(de)应用(yong),读(du)出噪声和量子效应最(zui)重(zhong)要。然而对(dui)于象户外摄影一(yi)类(lei)的(de)中、高(gao)照(zhao)度级的(de)应用(yong),比较大(da)的(de)最(zui)大(da)势阱容量就(jiu)显得更为重(zhong)要。


动态范围和信(xin)噪比是(shi)最(zui)容易(yi)被误(wu)解和误(wu)用的参数(shu)。动态范围是(shi)最(zui)大(da)势阱容量与(yu)最(zui)低读出噪声(sheng)(sheng)的比值,它之所以引起误(wu)解,是(shi)因为读出噪声(sheng)(sheng)经常不(bu)是(shi)在典型的运行速度下(xia)(xia)测得的,而且暗电流(liu)散粒噪声(sheng)(sheng)也常常没有被计(ji)算在内。信(xin)噪比主要(yao)决定于(yu)入射光的亮(liang)度级(事实上,在亮(liang)度很低的情况(kuang)下(xia)(xia),噪声(sheng)(sheng)可(ke)能比信(xin)号还(hai)要(yao)大(da))。


所以,信噪(zao)(zao)比应该将所有(you)(you)的(de)噪(zao)(zao)声(sheng)(sheng)源(yuan)都考(kao)虑在内,有(you)(you)些资(zi)料一览(lan)表(biao)中(zhong)常(chang)常(chang)忽略散粒噪(zao)(zao)声(sheng)(sheng),而它恰恰是中(zhong)、高信号(hao)电(dian)平的(de)主要噪(zao)(zao)声(sheng)(sheng)来源(yuan)。而SNRDARK得到(dao)说明(ming),实际上与动(dong)态(tai)范(fan)(fan)围(wei)没有(you)(you)什么两样(yang)。数(shu)字信噪(zao)(zao)比或数(shu)字动(dong)态(tai)范(fan)(fan)围(wei)是另一个(ge)容易引起混淆的(de)概念,它表(biao)明(ming)的(de)只是模(mo)(mo)拟/数(shu)字(A/D)转换器(qi)的(de)一个(ge)特性。虽然这可(ke)能很重要,但(dan)它并不能精确(que)地(di)描述图像(xiang)(xiang)的(de)质量(liang)。同(tong)时(shi)(shi)我们也应清楚地(di)认识到(dao),当图像(xiang)(xiang)传感器(qi)具有(you)(you)多个(ge)可(ke)调模(mo)(mo)拟增(zeng)益设(she)置时(shi)(shi),模(mo)(mo)拟/数(shu)字转换器(qi)的(de)分辨率不会对图像(xiang)(xiang)传感器(qi)的(de)动(dong)态(tai)范(fan)(fan)围(wei)产生限(xian)制(zhi)。


光学(xue)尺(chi)寸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)概念(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)模糊(hu),是(shi)(shi)由于传(chuan)统观念(nian)而(er)致。使用(yong)(yong)光导摄(she)像管只能在部分范(fan)围(wei)内产生有用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)图(tu)(tu)(tu)(tu)像。它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)计算(suan)包(bao)括度量单(dan)(dan)(dan)位(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)转换和向(xiang)上舍入的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法。采用(yong)(yong)向(xiang)上舍入的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法,先(xian)以毫米为单(dan)(dan)(dan)位(wei)测量图(tu)(tu)(tu)(tu)像传(chuan)感器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)对角线除(chu)以16,就能得到以英寸为单(dan)(dan)(dan)位(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光学(xue)尺(chi)寸。例(li)如0.97cm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸是(shi)(shi)1.27cm而(er)不是(shi)(shi)0.85cm。假如你(ni)选择了(le)一(yi)个光学(xue)尺(chi)寸为0.85cm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)图(tu)(tu)(tu)(tu)像传(chuan)感器(qi),很可能出现图(tu)(tu)(tu)(tu)像的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)四周角落上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)映影(阴影)现象。这(zhei)是(shi)(shi)因为有些(xie)资料一(yi)览表欺骗(pian)性(xing)(xing)地使用(yong)(yong)了(le)向(xiang)下(xia)舍入的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法。例(li)如,将0.97cm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸称(cheng)为0.85cm,理由很简单(dan)(dan)(dan):0.85cm光学(xue)尺(chi)寸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)图(tu)(tu)(tu)(tu)像传(chuan)感器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)价格要比1.27cm光学(xue)尺(chi)寸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)图(tu)(tu)(tu)(tu)像传(chuan)感器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)价格低得多,但(dan)是(shi)(shi)这(zhei)对系(xi)统工作(zuo)性(xing)(xing)能产生不利(li)影响。所以,设计者应该(gai)通(tong)过计算(suan)试用(yong)(yong)各种不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)图(tu)(tu)(tu)(tu)像传(chuan)感器(qi)来得到想要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能。


CMOS图像传感器的(de)一个很大的(de)优点就是它(ta)只(zhi)要(yao)求(qiu)一个单电(dian)压(ya)来驱(qu)动整个装置(zhi)(zhi)。不过设(she)计者仍应(ying)谨慎地(di)布置(zhi)(zhi)电(dian)路(lu)板驱(qu)动芯片。根据(ju)实(shi)际(ji)要(yao)求(qiu),数字电(dian)压(ya)和模拟电(dian)压(ya)之(zhi)间尽可能地(di)分离开以防(fang)止串扰。因此良好的(de)电(dian)路(lu)板设(she)计,接地(di)和屏蔽就显(xian)得(de)非常重要(yao)。尽管(guan)这种图像传感器是一个CMOS装置(zhi)(zhi)并具有标准的(de)输入(ru)/输出(I/O)电(dian)压(ya),但它(ta)实(shi)际(ji)的(de)输入(ru)信号相当小,而且对(dui)噪声也很敏感。


到目前为(wei)止,已设(she)计出高集成度单(dan)芯(xin)片(pian)CMOS图像传感器。设(she)计者(zhe)力求使有(you)(you)(you)关(guan)图像的(de)(de)应用更容(rong)易实现多功能(neng),包括自(zi)动(dong)增益控(kong)制(zhi)(AGC)、自(zi)动(dong)曝(pu)光(guang)控(kong)制(zhi)(AEC)、自(zi)动(dong)平衡(AMB)、伽玛样正、背景(jing)补偿和自(zi)动(dong)黑电平校正。所(suo)有(you)(you)(you)的(de)(de)彩色矩阵处(chu)理功能(neng)都集成在芯(xin)片(pian)中(zhong)。CMOS图像传感器允许片(pian)上的(de)(de)寄存器通过I2C总线(xian)对(dui)摄像机编程,具(ju)有(you)(you)(you)动(dong)态范围宽(kuan)、抗浮散且几(ji)乎没有(you)(you)(you)拖影的(de)(de)优(you)点。


二、CMOS APS的潜在优点和设计方法

1、CMOS APS胜过(guo)CCD图(tu)像传感器的潜在优点

CMOSAPS胜过CCD图像传(chuan)感器的潜在优点(dian)包(bao)括[1]~[5]:

1)消除了电荷反复(fu)转移的(de)麻烦,免除了在辐射条件下(xia)电荷转移效率(lv)(CTE)的(de)退化和(he)下(xia)降。

2)工(gong)作(zuo)电流很小,可以防止单一振动(dong)和信号(hao)闭锁。

3)在集成电(dian)路(lu)芯片中(zhong)可(ke)进行信号(hao)处(chu)理,因(yin)此可(ke)提(ti)供芯迹线(xian),模/数转(zhuan)换的(de)自调(diao)节,也(ye)能提(ti)供由电(dian)压(ya)漂移引起的(de)辐射调(diao)节。

与硅探测(ce)器有关,需要解决的难(nan)题(ti)和(he)争论点(dian)包(bao)括[1]~[2]:

1)在体材料(liao)界面由于辐射损伤而产生的暗电流

的增加问题。

2)包括动态范围损失的阈值漂移问题。

3)在(zai)模/数转换电路中,定时和(he)控制中的信号(hao)闭锁和(he)单一扰动(dong)问题。


2、CMOS APS的设计方法

CMOS APS的(de)设计方法包括:

1)为了降低暗(an)电(dian)流而进行(xing)研(yan)制创(chuang)新的像素(su)结构(gou)。

2)使用耐(nai)辐射(she)的铸造方法,再研制和开(kai)发中等尺(chi)寸(cun)“dumb”(哑)成像仪(通过反复地开(kai)发最佳像素结构)。

3)研(yan)制在芯片(pian)上(shang)进行信(xin)号处理(li)的(de)器件,以(yi)适应自动调节本身电压Vt的(de)漂移和(he)动态范围的(de)损(sun)失。

4)研制和(he)开发耐(nai)辐射(单一扰动环境)的定(ding)时和(he)控制装置。

5)研制和(he)加固(gu)耐辐(fu)射的模/数转换器。

6)寻找低温(wen)工(gong)作条(tiao)件,以便在承受最(zui)大(da)幅射强(qiang)度(du)时,找到并证实(shi)最(zui)佳的工(gong)作温(wen)度(du)。

7)研制和开发大尺寸、全数字化(hua)、耐辐射的CMOS APS,以(yi)便生产。

8)测试(shi)、评(ping)价和(he)鉴(jian)定(ding)该器件的性能。

9)引入当代最高(gao)水平的组(zu)合式光学通信/成像

系统(tong)测试(shi)台。


三、像素电路结构设计

目前,已(yi)设计的(de)CMOS图像传感(gan)器(qi)像素(su)结(jie)构(gou)(gou)有:空隙积累二(er)极(ji)管(guan)(HAD)型(xing)(xing)(xing)结(jie)构(gou)(gou)、光电二(er)极(ji)管(guan)型(xing)(xing)(xing)无源像素(su)结(jie)构(gou)(gou)、光电二(er)极(ji)管(guan)型(xing)(xing)(xing)有源像素(su)结(jie)构(gou)(gou)、对(dui)数变换积分电路型(xing)(xing)(xing)结(jie)构(gou)(gou)、掩埋电荷积累和(he)敏感(gan)晶体管(guan)阵列(BCAST)型(xing)(xing)(xing)结(jie)构(gou)(gou)、低压驱(qu)动掩埋光电二(er)极(ji)管(guan)(LV-BPD)型(xing)(xing)(xing)结(jie)构(gou)(gou)、深P阱光电二(er)极(ji)管(guan)型(xing)(xing)(xing)结(jie)构(gou)(gou)、针型(xing)(xing)(xing)光电二(er)极(ji)管(guan)(PPD)结(jie)构(gou)(gou)和(he)光栅型(xing)(xing)(xing)有源像素(su)结(jie)构(gou)(gou)等(deng)。


1、CMOS PPS像(xiang)素结构(gou)设(she)计

光电二(er)极管型(xing)CMOS无源像素(su)传感器(CMOS PPS)的结构(gou)自从1967年Weckler首(shou)次(ci)提出以(yi)来实质上一直(zhi)没有变化,其结构(gou)如图1所示。它由一个反向偏置的光敏二(er)极(ji)管和(he)一个开关(guan)管构(gou)成。当开关(guan)管开启时,光敏二(er)极(ji)管与垂(chui)直(zhi)的列(lie)线(xian)连(lian)通。位(wei)于列(lie)线(xian)末端的电荷(he)(he)积分放大器读出电路保持(chi)列(lie)线(xian)电压(ya)为一常数,并(bing)减小KTC噪声。当光敏二(er)极(ji)管存贮的信号电荷(he)(he)被读出时,其电压(ya)被复(fu)位(wei)到(dao)列(lie)线(xian)电压(ya)水平,与此(ci)同时,与光信号成正比的电荷(he)(he)由电荷(he)(he)积分放大器转换为电荷(he)(he)输出。

cmos

单管的(de)(de)(de)PD CMOS PPS允(yun)许在给(ji)定(ding)的(de)(de)(de)像素(su)尺(chi)寸下(xia)有最(zui)高(gao)的(de)(de)(de)设计(ji)填(tian)充(chong)(chong)系(xi)数,或者在给(ji)定(ding)的(de)(de)(de)设计(ji)填(tian)充(chong)(chong)系(xi)数下(xia),可以(yi)设计(ji)出最(zui)小(xiao)的(de)(de)(de)像素(su)尺(chi)寸。另外一(yi)个(ge)开(kai)关管也可以(yi)采用,以(yi)实现二维(wei)的(de)(de)(de)X Y寻址。由于填(tian)充(chong)(chong)系(xi)数高(gao)且(qie)没有许多CCD中多晶硅(gui)叠层(ceng),CMOS PPS像素(su)结构的(de)(de)(de)量子效率较高(gao)。但是(shi),由于传(chuan)输线电容较大,CMOS PPS读(du)出噪声较高(gao),典型值为250个(ge)均(jun)方(fang)根电子,这是(shi)致(zhi)命的(de)(de)(de)弱点。


2、CMOS APS的像素结构设计

几乎在CMOS PPS像(xiang)(xiang)素(su)(su)结构(gou)发明的(de)(de)(de)同时(shi),科学家很(hen)快认(ren)识到(dao)在像(xiang)(xiang)素(su)(su)内(nei)引入缓冲器(qi)或放(fang)大器(qi)可以改善像(xiang)(xiang)素(su)(su)的(de)(de)(de)性能(neng)。虽然CMOS图(tu)像(xiang)(xiang)传感器(qi)的(de)(de)(de)成像(xiang)(xiang)装置将光子(zi)转换为(wei)电(dian)(dian)子(zi)的(de)(de)(de)方(fang)法与(yu)CCD相(xiang)同,但它不是时(shi)钟驱动,而是由晶体三极(ji)管作为(wei)电(dian)(dian)荷(he)感应(ying)放(fang)大器(qi)。在一些CMOS图(tu)像(xiang)(xiang)传感器(qi)中(zhong),每组像(xiang)(xiang)素(su)(su)的(de)(de)(de)顶端有(you)一个放(fang)大器(qi),每个像(xiang)(xiang)素(su)(su)只(zhi)有(you)一个作为(wei)阈值电(dian)(dian)流(liu)值开关的(de)(de)(de)三极(ji)管。开关像(xiang)(xiang)素(su)(su)中(zhong)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)荷(he)为(wei)放(fang)大器(qi)充(chong)电(dian)(dian),其(qi)过程(cheng)类似DRAM中(zhong)的(de)(de)(de)读取电(dian)(dian)路,这种传感器(qi)被称为(wei)PPS。PPS的(de)(de)(de)结构(gou)很(hen)简单,它具有(you)高填充(chong)系数。各像(xiang)(xiang)元没有(you)很(hen)多(duo)的(de)(de)(de)多(duo)晶硅层(ceng)覆盖,其(qi)量子(zi)效率很(hen)高,但是PPS的(de)(de)(de)读取干(gan)扰很(hen)高,只(zhi)适应(ying)于小(xiao)阵(zhen)列(lie)传感器(qi)。


在CMOS APS中每一(yi)像(xiang)素(su)内(nei)都有(you)自己的(de)(de)放(fang)大(da)器。CMOS APS的(de)(de)填充系(xi)数比CMOS PPS的(de)(de)小,集成在表(biao)面的(de)(de)放(fang)大(da)晶体管(guan)减少(shao)了像(xiang)素(su)元件(jian)的(de)(de)有(you)效表(biao)面积,降低(di)了“封装密度”,使(shi)40%~50%的(de)(de)入射光被(bei)反射。这种传(chuan)感器的(de)(de)另一(yi)个(ge)问题是,如何(he)使(shi)传(chuan)感器的(de)(de)多通(tong)(tong)道(dao)放(fang)大(da)器之间(jian)有(you)较好的(de)(de)匹(pi)配(pei),这可以通(tong)(tong)过降低(di)残余水平的(de)(de)固定图(tu)形噪声较好地实现。由于CMOS APS像(xiang)素(su)内(nei)的(de)(de)每个(ge)放(fang)大(da)器仅(jin)在此(ci)读出期间(jian)被(bei)激发,所以CMOS APS的(de)(de)功耗比CCD图(tu)像(xiang)传(chuan)感器的(de)(de)还(hai)小。与CMOS PPS相比,CMOS-APS的(de)(de)填充系(xi)数较小,其(qi)设计填充系(xi)数典(dian)型值为20%~30%,接(jie)近(jin)内(nei)线转换(huan)CCD的(de)(de)值。


2.1光敏二极管CMOS APS(PD CMOS APS)的像素结构

1968年,Noble描述了PD CMOS APS。后来,这(zhei)种(zhong)像(xiang)素结构有(you)所(suo)改进(jin)。PD CMOS APS的像(xiang)素结构如(ru)图(tu)2所(suo)示。

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高(gao)性能CMOS APS由美(mei)国(guo)哥(ge)伦比亚大学电子工(gong)程系和(he)(he)喷气推(tui)进实验室(JPL)在1994年(nian)首次研制(zhi)成功(gong),像(xiang)素数为(wei)(wei)(wei)(wei)128×128,像(xiang)素尺寸为(wei)(wei)(wei)(wei)40μm×40μm,管(guan)芯尺寸为(wei)(wei)(wei)(wei)6.8mm×6.8mm,采用(yong)1.2μmCMOSn阱工(gong)艺试制(zhi),动态范围为(wei)(wei)(wei)(wei)72dB,固(gu)定(ding)图形噪声(sheng)小于0.15%饱和(he)(he)信(xin)(xin)号(hao)水(shui)平(ping)。固(gu)定(ding)图形噪声(sheng)小于0.15%饱和(he)(he)信(xin)(xin)号(hao)水(shui)平(ping)。1997年(nian)***东芝公(gong)司研制(zhi)成功(gong)了640×480像(xiang)素光敏二(er)极管(guan)型CMOS APS,其(qi)像(xiang)素尺寸为(wei)(wei)(wei)(wei)5.6μm×5.6μm,具(ju)有彩色滤色膜和(he)(he)微透(tou)镜(jing)阵列。2000年(nian)美(mei)国(guo)Foveon公(gong)司与美(mei)国(guo)国(guo)家半导体(ti)公(gong)司采用(yong)0.18μmCMOS工(gong)艺研制(zhi)成功(gong)4096×4096像(xiang)素CMOS APS[10],像(xiang)素尺寸为(wei)(wei)(wei)(wei)5μm×5μm,管(guan)芯尺寸为(wei)(wei)(wei)(wei)22mm×22mm,这是迄今为(wei)(wei)(wei)(wei)止世界上集成度最(zui)高(gao)、分(fen)辨率最(zui)高(gao)的(de)CMOS固(gu)体(ti)摄像(xiang)器件(jian)。有关CMOS APS的(de)工(gong)作(zuo)原理、发展现状及其(qi)应用(yong),笔者已作(zuo)过详细介绍。


因为光敏面(mian)没有多(duo)晶硅(gui)叠层,PD CMOS APS的(de)量子(zi)效率(lv)较高,它(ta)的(de)读出噪声由复位(wei)噪声限制,典型值(zhi)为75均(jun)方根(gen)电子~100均(jun)方根(gen)电子。PD CMOS APS的(de)每个像(xiang)(xiang)素(su)采用3个晶(jing)体管,典(dian)型(xing)的(de)像(xiang)(xiang)元间距为15μm。PD CMOS APS适宜(yi)于大多(duo)数低性能应用。


2.2光栅型CMOS APS(PG CMOS APS)的像素结构

1993年由JPL最(zui)早研(yan)制(zhi)成功PG CMOS APS并用于高性能科(ke)学成像的(de)低(di)光照明成像。PG CMOS APS结(jie)合了CCD和X Y寻址的(de)优点,其结(jie)构如图3所(suo)示。

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光(guang)栅(zha)信(xin)号(hao)(hao)电(dian)荷(he)积分(fen)在光(guang)栅(zha)(PG)下,浮置(zhi)扩散点(A)复位(wei)(电(dian)压(ya)为(wei)VDD),然后改变(bian)光(guang)栅(zha)脉冲,收集在光(guang)栅(zha)下的信(xin)号(hao)(hao)电(dian)荷(he)转移到扩散点,复位(wei)电(dian)压(ya)水(shui)平(ping)与(yu)信(xin)号(hao)(hao)电(dian)压(ya)水(shui)平(ping)之(zhi)差(cha)就是传感器(qi)的输出信(xin)号(hao)(hao)。


当采(cai)用双层多晶硅工艺(yi)时,PG与转移栅(TX)之间要恰当交叠。在光(guang)栅与转移栅之间插入(ru)扩散桥,可(ke)以采(cai)用单层多晶硅工艺(yi),这种扩散桥要引起大约100个电子(zi)的拖影。


光栅型CMOS APS每个(ge)像素(su)采用5个(ge)晶体(ti)管,典(dian)型的像素(su)间距为20μm(最小特征(zheng)尺寸)。采用0.25μmCMOS工艺将允许达到5μm的像素(su)间距。浮置(zhi)扩散电(dian)(dian)容的典(dian)型值为10-14F量级,产生20μV/e的增益,读(du)出噪声(sheng)一(yi)般为10均(jun)方根(gen)电(dian)(dian)子~20均(jun)方根(gen)电(dian)(dian)子,已有读(du)出噪声(sheng)为5均(jun)方根(gen)电(dian)(dian)子的报道。


CMOS图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)设(she)(she)(she)计(ji)(ji)分(fen)(fen)为(wei)(wei)(wei)两(liang)大(da)部分(fen)(fen),即电路(lu)(lu)设(she)(she)(she)计(ji)(ji)和工(gong)艺(yi)设(she)(she)(she)计(ji)(ji),CMOS图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)性能好坏,不仅与材(cai)料(liao)、工(gong)艺(yi)有关(guan),更重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)取决(jue)于电路(lu)(lu)设(she)(she)(she)计(ji)(ji)和工(gong)艺(yi)流(liu)程以及工(gong)艺(yi)参数设(she)(she)(she)计(ji)(ji)。这(zhei)对设(she)(she)(she)计(ji)(ji)人(ren)员提(ti)出更高的(de)(de)(de)(de)(de)要(yao)(yao)求,设(she)(she)(she)计(ji)(ji)人(ren)员面(mian)要(yao)(yao)宽,在设(she)(she)(she)计(ji)(ji)中,不但(dan)(dan)要(yao)(yao)懂电路(lu)(lu)、工(gong)艺(yi)、系统(tong)方面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)知识,还(hai)要(yao)(yao)有较深的(de)(de)(de)(de)(de)理论(lun)知识。这(zhei)个时(shi)代(dai)对设(she)(she)(she)计(ji)(ji)者(zhe)来说(shuo)是(shi)一个令(ling)人(ren)兴奋(fen)和充满挑战(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)时(shi)代(dai)。计(ji)(ji)算机辅助设(she)(she)(she)计(ji)(ji)技术为(wei)(wei)(wei)设(she)(she)(she)计(ji)(ji)者(zhe)提(ti)供了极大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)方便(bian),但(dan)(dan)图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)系统(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)用(yong)途以及目(mu)标用(yong)户的(de)(de)(de)(de)(de)范围由制造商决(jue)定(ding)。如(ru)果(guo)用(yong)户装(zhuang)有Windows95的(de)(de)(de)(de)(de)系统(tong),那(nei)么就要(yao)(yao)确定(ding)图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)系统(tong)不是(shi)Windows98的(de)(de)(de)(de)(de)。如(ru)果(guo)你只(zhi)是(shi)为(wei)(wei)(wei)了获取并存(cun)储(chu)(chu)大(da)量的(de)(de)(de)(de)(de)低分(fen)(fen)辨(bian)率图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang),那(nei)就不要(yao)(yao)选(xuan)择一个能够提(ti)供优质(zhi)图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)但(dan)(dan)同时(shi)会产(chan)生更多(duo)数据以致(zhi)于无法存(cun)储(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)高分(fen)(fen)辨(bian)率图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)器(qi)。现(xian)在还(hai)存(cun)在许多(duo)非(fei)标准(zhun)的(de)(de)(de)(de)(de)接口系统(tong)。现(xian)在仅供数字相机所使用(yong)可(ke)装(zhuang)卸存(cun)储(chu)(chu)介质(zhi)就包括PCMCIA卡、东(dong)芝(Toshiba)的(de)(de)(de)(de)(de)速闪存(cun)储(chu)(chu)器(qi)及软磁盘。重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi),要(yao)(yao)根据产(chan)品(pin)未来所在的(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)作环境,对样品(pin)进行细致(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)性能评估。


三、3CCD和CMOS系统的设计

CCD图像(xiang)(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)和(he)(he)(he)CMOS图像(xiang)(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)在设(she)计上各不相(xiang)同,对于(yu)(yu)CCD图像(xiang)(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi),不能在同一芯片(pian)(pian)上集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)所需(xu)的(de)功(gong)能电(dian)(dian)路(lu)。因此,在设(she)计时(shi),除设(she)计光(guang)(guang)敏(min)感(gan)(gan)(gan)部分(fen)(即(ji)CCD图像(xiang)(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi))外(wai),还要(yao)考(kao)虑设(she)计提供信号和(he)(he)(he)图像(xiang)(xiang)处(chu)理的(de)功(gong)能电(dian)(dian)路(lu),即(ji)信号读出和(he)(he)(he)处(chu)理电(dian)(dian)路(lu),这些电(dian)(dian)路(lu)需(xu)要(yao)在另外(wai)的(de)基片(pian)(pian)上制(zhi)备(bei)(bei)好后才能组装在CCD图像(xiang)(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)的(de)外(wai)围;而CMOS图像(xiang)(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)则不同,特别是CMOS APS可(ke)以(yi)将所有(you)的(de)功(gong)能电(dian)(dian)路(lu)与光(guang)(guang)敏(min)感(gan)(gan)(gan)部分(fen)(光(guang)(guang)电(dian)(dian)二极管)同时(shi)集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)在同一基片(pian)(pian)上,制(zhi)作成(cheng)(cheng)高(gao)度集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)化(hua)的(de)单(dan)芯片(pian)(pian)摄像(xiang)(xiang)系统(tong)。与前(qian)者(zhe)相(xiang)比(bi),成(cheng)(cheng)本低、制(zhi)备(bei)(bei)容易、体积小、微(wei)型化(hua)、功(gong)耗低,虽然(ran)开始有(you)人认为光(guang)(guang)照灵敏(min)度不如CCD图像(xiang)(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)的(de)高(gao),并且暗电(dian)(dian)流和(he)(he)(he)噪声比(bi)较(jiao)大,近(jin)来(lai)由(you)于(yu)(yu)改进(jin)(jin)了电(dian)(dian)路(lu)设(she)计,采用亚(ya)微(wei)米和(he)(he)(he)深亚(ya)微(wei)米光(guang)(guang)刻技术(shu),使CMOS图像(xiang)(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)的(de)性能得到(dao)改善。已经具备(bei)(bei)与CCD图像(xiang)(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)进(jin)(jin)行竞争的(de)条件,21世纪,CMOS摄像(xiang)(xiang)器(qi)件将成(cheng)(cheng)为信息获取与处(chu)理领域的(de)佼佼者(zhe)。到(dao)那时(shi),单(dan)芯片(pian)(pian)摄像(xiang)(xiang)机(ji)(ji)和(he)(he)(he)单(dan)芯片(pian)(pian)数码相(xiang)机(ji)(ji)将进(jin)(jin)入千家万户。这些都得益于(yu)(yu)CMOS APS为人们提供了高(gao)度集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)化(hua)的(de)系统(tong),如图4

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所示。图5示出CMOS数码相机(ji)的(de)框图,从中可(ke)见数码相机(ji)设计的(de)复杂性。

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6结语

CMOS图像传(chuan)(chuan)感器的(de)前途(tu)是光明的(de),随着多(duo)媒体、数字电视(shi)(shi)、可视(shi)(shi)通讯等(deng)市场的(de)增加,CMOS图像传(chuan)(chuan)感器的(de)应用前景更加广阔。


CMOS APS为(wei)MIS/CCD图像(xiang)传(chuan)感(gan)器设计提(ti)供了另一选择方(fang)案,它把(ba)电荷(he)转(zhuan)换成(cheng)(cheng)电压所需(xu)的晶(jing)体管(guan)装在(zai)每个像(xiang)素内(nei)(nei)。在(zai)这种器件内(nei)(nei)均不必进行电荷(he)转(zhuan)移,因为(wei)数据读取是在(zai)单(dan)个像(xiang)素内(nei)(nei)完成(cheng)(cheng)的。与CCD图像(xiang)传(chuan)感(gan)器相比,这种器件有很成(cheng)(cheng)熟的CMOS集成(cheng)(cheng)电路工(gong)艺(yi),在(zai)降(jiang)低成(cheng)(cheng)本方(fang)面有潜力(li)。预期(qi)CMOS APS在(zai)许(xu)多非科学应用领域内(nei)(nei)将最终替(ti)代CCD图像(xiang)传(chuan)感(gan)器。


CMOS是(shi)Complementary Metal Oxide Semiconductor(互补(bu)金属氧化物(wu)半导(dao)体)的缩写。它是(shi)指制造(zao)(zao)大规模集成电(dian)路(lu)芯(xin)(xin)片(pian)用(yong)(yong)的一种技(ji)(ji)术(shu)或用(yong)(yong)这种技(ji)(ji)术(shu)制造(zao)(zao)出来的芯(xin)(xin)片(pian),是(shi)电(dian)脑主板(ban)上的一块可读(du)写的RAM芯(xin)(xin)片(pian)。因(yin)为可读(du)写的特性(xing),所以在电(dian)脑主板(ban)上用(yong)(yong)来保存BIOS设置完电(dian)脑硬件(jian)参数后(hou)的数据(ju),这个(ge)芯(xin)(xin)片(pian)仅(jin)仅(jin)是(shi)用(yong)(yong)来存放数据(ju)的。


而对BIOS中各(ge)项(xiang)参数的设定要通过(guo)专(zhuan)门的程序。BIOS设置程序一(yi)般都被厂商整合在芯片中,在开(kai)机时(shi)通过(guo)特定的按(an)键(jian)就可进入(ru)BIOS设置程序,方便地对系统进行设置。因此(ci)BIOS设置有时(shi)也被叫(jiao)做(zuo)CMOS设置。


一、CMOS是什么?

CMOS(本(ben)意是(shi)指互(hu)补金(jin)属氧化(hua)物半导体存储嚣,是(shi)一种(zhong)大规模应(ying)用(yong)于(yu)集成电(dian)路芯片(pian)制造的(de)原料)是(shi)微机(ji)主板上的(de)一块(kuai)可读写的(de)RAM芯片(pian),主要用(yong)来保存当前系统(tong)的(de)硬件配(pei)置和操作人员对某(mou)些参(can)数的(de)设定。CMOS RAM芯片(pian)由系统(tong)通过(guo)一块(kuai)后备电(dian)池(chi)供电(dian),因此无论是(shi)在(zai)关机(ji)状(zhuang)态中,还是(shi)遇到(dao)系统(tong)掉电(dian)情(qing)况,CMOS信(xin)息都不会(hui)丢失(shi)。


由于(yu)CMOS RAM芯片本身只(zhi)(zhi)是(shi)一块存(cun)储器(qi),只(zhi)(zhi)具有保存(cun)数据(ju)的(de)功(gong)能,所以对CMOS中各项参数的(de)设(she)定要通过(guo)(guo)专(zhuan)门的(de)程(cheng)(cheng)序(xu)。早期的(de)CMOS设(she)置(zhi)(zhi)程(cheng)(cheng)序(xu)驻(zhu)留在软盘上的(de)(如IBM的(de)PC/AT机型),使用很不方便。现在多数厂家将CMOS设(she)置(zhi)(zhi)程(cheng)(cheng)序(xu)做到了(le) BIOS芯片中,在开机时通过(guo)(guo)按(an)下某个特定键就可进入CMOS设(she)置(zhi)(zhi)程(cheng)(cheng)序(xu)而非常(chang)方便地(di)对系统进行设(she)置(zhi)(zhi),因此这种CMOS设(she)置(zhi)(zhi)又通常(chang)被叫做BIOS设(she)置(zhi)(zhi)。


二、CMOS是躯体、是硬件?

BIOS就(jiu)是(shi)(shi)(shi)(Basic Input/: (BIOS是(shi)(shi)(shi)灵魂,其实指的都是(shi)(shi)(shi)同一(yi)回事,但(dan)BIOS与CMOS却(que)是(shi)(shi)(shi)两(liang)个完全不(bu)同的概念,切勿混淆,所(suo)以在(zai)实际使用过(guo)程中造(zao)成(cheng)了BIOS设(she)(she)置(zhi)和CMOS设(she)(she)置(zhi)的说法:BIOS中的系(xi)(xi)统设(she)(she)置(zhi)程序是(shi)(shi)(shi)完成(cheng)CMOS参(can)数设(she)(she)置(zhi)的手段;CMOS RAM既是(shi)(shi)(shi)BIOS设(she)(she)定系(xi)(xi)统参(can)数的存放(fang)场(chang)所(suo),又(you)是(shi)(shi)(shi) BIOS设(she)(she)定系(xi)(xi)统参(can)数的结(jie)果,负责解(jie)决硬件的即时需(xu)求(qiu)。CMOS RAM芯片由(you)系(xi)(xi)统通过(guo)一(yi)块后备(bei)电池供电!


实际上我们(men)是(shi)通过BIOS这个程(cheng)序。而CMOS即:Complementary Metal Oxide Semiconductor——互补(bu)金属氧化物半导(dao)体,是(shi)主(zhu)板上的(de)一(yi)块(kuai)可(ke)读写的(de)RAM芯片,还(hai)是(shi)遇到(dao)系统掉电情况(kuang),CMOS信息(xi)都不会(hui)丢(diu)失。


BIOS和(he)CMOS的(de)(de)(de)(de)区别与(yu)(yu)联(lian)系(xi)(xi)。准确地说,BIOS是(shi)(shi)硬(ying)件与(yu)(yu)软(ruan)件程(cheng)序(xu)之间的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)个(ge)接口或者说是(shi)(shi)转换(huan)器(qi),是(shi)(shi)一(yi)(yi)(yi)种大规模应(ying)用(yong)于集(ji)成电路芯片制造的(de)(de)(de)(de)原料)。因此,完整的(de)(de)(de)(de)说法(fa)应(ying)该是(shi)(shi)“通过BIOS设(she)置程(cheng)序(xu)对CMOS参数进行设(she)置”。由于 BIOS和(he)CMOS都跟系(xi)(xi)统设(she)置密初相关,基本输(shu)入/输(shu)出系(xi)(xi)统的(de)(de)(de)(de)缩写(xie)(xie))在电脑中(zhong)起(qi)到(dao)了(le)最基础(chu)的(de)(de)(de)(de)而(er)又最重要的(de)(de)(de)(de)作用(yong)。是(shi)(shi)电脑中(zhong)最基础(chu)的(de)(de)(de)(de)而(er)又最重要的(de)(de)(de)(de)程(cheng)序(xu),是(shi)(shi)微机主(zhu)板上的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)块可读写(xie)(xie)的(de)(de)(de)(de)RAM芯片,主(zhu)要用(yong)来保存当前系(xi)(xi)统的(de)(de)(de)(de)硬(ying)件配(pei)置和(he)操作人员对某些参数的(de)(de)(de)(de)设(she)定。把(ba)这一(yi)(yi)(yi)段程(cheng)序(xu)放在一(yi)(yi)(yi)个(ge)不需要供电的(de)(de)(de)(de)记忆体(芯片)中(zhong),这就是(shi)(shi)平时所(suo)说的(de)(de)(de)(de)BIOS?


CMOS正确的解(jie)释(应该(gai)是(shi),它们(men)是(shi)灵(ling)魂与躯体(ti)的关系)


BIOS是(shi)一组设置(zhi)硬件(jian)的(de)(de)(de)电(dian)脑(nao)程(cheng)序(xu),保存在主板上(shang)的(de)(de)(de)一块EPROM或EEPROM芯片(pian)中,里面装有系统(tong)的(de)(de)(de)重(zhong)要信息(xi)和设置(zhi)系统(tong)参(can)数(shu)(shu)的(de)(de)(de)设置(zhi)程(cheng)序(xu)——BIOS Setup程(cheng)序(xu),集(ji)成在主板上(shang),里面保存着重(zhong)要的(de)(de)(de)开机(ji)参(can)数(shu)(shu),我们必须通(tong)过程(cheng)序(xu)把设置(zhi)好的(de)(de)(de)参(can)数(shu)(shu)写入CMOS,并按软件(jian)对硬件(jian)的(de)(de)(de)操(cao)作要求具体(ti)执行。电(dian)脑(nao)使用(yong)者在使用(yong)计算(suan)(suan)机(ji)的(de)(de)(de)过程(cheng)中,都会接触(chu)到BIOS,它在计算(suan)(suan)机(ji)系统(tong)中起着非常重(zhong)要的(de)(de)(de)作用(yong)。


CMOS为(wei)何物,因(yin)此无论是在关机状(zhuang)态中(zhong):

BIOS是(shi)软(ruan)件、是(shi)程序!


BIOS是(shi)一组设(she)(she)置硬(ying)件的(de)(de)(de)电脑程(cheng)(cheng)序,保(bao)存在主(zhu)板(ban)上的(de)(de)(de)一块EPROM或EEPROM芯(xin)(xin)片中,里面装有系(xi)(xi)统(tong)(tong)的(de)(de)(de)重要信息和设(she)(she)置系(xi)(xi)统(tong)(tong)参数(shu)的(de)(de)(de)设(she)(she)置程(cheng)(cheng)序——BIOS Setup程(cheng)(cheng)序。而(er)CMOS即(ji):Complementary Metal Oxide Semiconductor——互(hu)补(bu)金属(shu)氧化物(wu)半(ban)导体,是(shi)主(zhu)板(ban)上的(de)(de)(de)一块可读(du)写的(de)(de)(de)RAM芯(xin)(xin)片,用(yong)(yong)来保(bao)存当前系(xi)(xi)统(tong)(tong)的(de)(de)(de)硬(ying)件配(pei)置和用(yong)(yong)户(hu)对参数(shu)的(de)(de)(de)设(she)(she)定(ding),其内容可通(tong)过(guo)设(she)(she)置程(cheng)(cheng)序进行读(du)写。CMOS芯(xin)(xin)片由主(zhu)板(ban)上的(de)(de)(de)钮扣(kou)电池供(gong)电,即(ji)使系(xi)(xi)统(tong)(tong)断电,参数(shu)也不会丢失。CMOS芯(xin)(xin)片只有保(bao)存数(shu)据的(de)(de)(de)功(gong)能,而(er)对CMOS中各项参数(shu)的(de)(de)(de)修改要通(tong)过(guo)BIOS的(de)(de)(de)设(she)(she)定(ding)程(cheng)(cheng)序来实(shi)现(xian)。


BIOS与(yu)CMOS既相关(guan)又不(bu)同(tong):BIOS中的(de)(de)系统(tong)设(she)置(zhi)(zhi)(zhi)程(cheng)序(xu)是(shi)完(wan)成CMOS参数(shu)设(she)置(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)手段;CMOS RAM既是(shi)BIOS设(she)定系统(tong)参数(shu)的(de)(de)存放场所,又是(shi) BIOS设(she)定系统(tong)参数(shu)的(de)(de)结果。因此,完(wan)整的(de)(de)说法应该是(shi)“通过(guo)BIOS设(she)置(zhi)(zhi)(zhi)程(cheng)序(xu)对CMOS参数(shu)进行设(she)置(zhi)(zhi)(zhi)”。由于 BIOS和CMOS都跟系统(tong)设(she)置(zhi)(zhi)(zhi)密(mi)初相关(guan),所以在实际使(shi)用过(guo)程(cheng)中造成了BIOS设(she)置(zhi)(zhi)(zhi)和CMOS设(she)置(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)说法,其实指(zhi)的(de)(de)都是(shi)同(tong)一(yi)回(hui)事,但BIOS与(yu)CMOS却是(shi)两个完(wan)全不(bu)同(tong)的(de)(de)概念,切勿混(hun)淆。


一般(ban)都是在开机自检时,不停的(de)按“Delete”键就能进入!

某些主(zhu)板也有其它键(jian),最好看主(zhu)板说明(ming)书(shu)。


三、什么是CMOS电路的锁定效应

COMS电路由于输入太大的电流(liu),内(nei)部的电流(liu)急剧增大,除非(fei)切断电源,电流(liu)一直在增大 。这种(zhong)效(xiao)(xiao)(xiao)应(ying)(ying)就是锁(suo)定(ding)效(xiao)(xiao)(xiao)应(ying)(ying)。当(dang)产(chan)生锁(suo)定(ding)效(xiao)(xiao)(xiao)应(ying)(ying)时,COMS的内(nei)部电流(liu)能(neng)达(da)到40mA以上(shang),很容(rong)易烧毁(hui)芯(xin)片。


防御(yu)措施:

1)在(zai)输(shu)(shu)入端和输(shu)(shu)出(chu)端加钳位电(dian)路,使输(shu)(shu)入和输(shu)(shu)出(chu)不(bu)超过不(bu)超过规定电(dian)压。

2)芯片的电源输入端加去耦电路,防止VDD端出现瞬间的高(gao)压。

3)在(zai)VDD和外电源之间加线流电阻,即(ji)使(shi)有(you)大(da)的电流也不(bu)让它进去(qu)。

4)当系(xi)统由几个电(dian)(dian)源(yuan)分别供电(dian)(dian)时(shi),开(kai)关要按下列(lie)顺序:开(kai)启时(shi),先(xian)(xian)开(kai)启COMS电(dian)(dian)路得电(dian)(dian)源(yuan),再(zai)开(kai)启输入信(xin)号和(he)负载的电(dian)(dian)源(yuan);关闭时(shi),先(xian)(xian)关闭输入信(xin)号和(he)负载的电(dian)(dian)源(yuan),再(zai)关闭COMS电(dian)(dian)路的电(dian)(dian)源(yuan)。


四、CMOS集成电路的性能及特点

(1)功(gong)(gong)耗(hao)(hao)低(di)CMOS集成(cheng)电路采用场效应管,且都是(shi)互(hu)补结(jie)构(gou),工作时两个(ge)串联的(de)场效应管总是(shi)处于(yu)一(yi)个(ge)管导(dao)通,另(ling)一(yi)个(ge)管截止(zhi)的(de)状态,电路静态功(gong)(gong)耗(hao)(hao)理论上(shang)为零。实际上(shang),由于(yu)存在(zai)漏电流,CMOS电路尚(shang)有微量静态功(gong)(gong)耗(hao)(hao)。单个(ge)门电路的(de)功(gong)(gong)耗(hao)(hao)典型值仅为20mW,动(dong)态功(gong)(gong)耗(hao)(hao)(在(zai)1MHz工作频率时)也仅为几mW。


(2)工(gong)作(zuo)(zuo)电(dian)(dian)压(ya)范(fan)围(wei)宽CMOS集(ji)成电(dian)(dian)路(lu)供电(dian)(dian)简单,供电(dian)(dian)电(dian)(dian)源体(ti)积小,基本上不需稳压(ya)。国(guo)产CC4000系列的集(ji)成电(dian)(dian)路(lu),可在3~18V电(dian)(dian)压(ya)下正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)(zuo)。


(3)逻辑(ji)(ji)摆幅大(da)CMOS集(ji)成电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)的逻辑(ji)(ji)高(gao)(gao)电(dian)(dian)(dian)(dian)平“1”、逻辑(ji)(ji)低(di)电(dian)(dian)(dian)(dian)平“0”分别(bie)接近于电(dian)(dian)(dian)(dian)源高(gao)(gao)电(dian)(dian)(dian)(dian)位VDD及(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)影低(di)电(dian)(dian)(dian)(dian)位VSS。当VDD=15V,VSS=0V时,输出逻辑(ji)(ji)摆幅近似15V。因此,CMOS集(ji)成电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)的电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)利用系数在各类集(ji)成电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)中指(zhi)标是较(jiao)高(gao)(gao)的。


(4)抗干扰能力强(qiang)CMOS集(ji)成电(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)压噪(zao)声容(rong)限的(de)(de)(de)典型值为(wei)电(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)压的(de)(de)(de)45%,保证(zheng)值为(wei)电(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)压的(de)(de)(de)30%。随着电(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)压的(de)(de)(de)增加,噪(zao)声容(rong)限电(dian)(dian)压的(de)(de)(de)绝对值将(jiang)成比例增加。对于VDD=15V的(de)(de)(de)供电(dian)(dian)电(dian)(dian)压(当VSS=0V时),电(dian)(dian)路(lu)将(jiang)有7V左右的(de)(de)(de)噪(zao)声容(rong)限。


(5)输(shu)(shu)入(ru)阻(zu)(zu)抗(kang)高(gao)CMOS集(ji)成电(dian)(dian)路(lu)的(de)输(shu)(shu)入(ru)端一般都是由保护二(er)(er)极(ji)管(guan)(guan)和串联(lian)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)构成的(de)保护网络,故(gu)比一般场效应管(guan)(guan)的(de)输(shu)(shu)入(ru)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)稍小(xiao),但在(zai)正常工作(zuo)电(dian)(dian)压范围(wei)内,这(zhei)些(xie)保护二(er)(er)极(ji)管(guan)(guan)均处于(yu)反向(xiang)偏置(zhi)状态(tai),直(zhi)流输(shu)(shu)入(ru)阻(zu)(zu)抗(kang)取决(jue)于(yu)这(zhei)些(xie)二(er)(er)极(ji)管(guan)(guan)的(de)泄露电(dian)(dian)流,通常情(qing)况(kuang)下,等效输(shu)(shu)入(ru)阻(zu)(zu)抗(kang)高(gao)达103~1011Ω,因此(ci)CMOS集(ji)成电(dian)(dian)路(lu)几乎不消耗(hao)驱动(dong)电(dian)(dian)路(lu)的(de)功率(lv)。


(6)温度(du)稳定性能(neng)好由于CMOS集(ji)成电(dian)(dian)路的(de)功耗很低,内部发热量(liang)少,而且,CMOS电(dian)(dian)路线路结(jie)构和电(dian)(dian)气参数都具有(you)对称(cheng)性,在温度(du)环境发生变化时,某些参数能(neng)起到(dao)自(zi)动补(bu)偿作(zuo)用,因而CMOS集(ji)成电(dian)(dian)路的(de)温度(du)特性非常(chang)好。一(yi)般陶瓷(ci)金(jin)属封(feng)装的(de)电(dian)(dian)路,工作(zuo)温度(du)为-55~+125℃;塑(su)料封(feng)装的(de)电(dian)(dian)路工作(zuo)温度(du)范(fan)围为 -45~+85℃。


(7)扇出(chu)能(neng)力强扇出(chu)能(neng)力是(shi)用电(dian)路(lu)输(shu)出(chu)端(duan)所(suo)能(neng)带动(dong)的(de)输(shu)入(ru)端(duan)数来(lai)表示的(de)。由于CMOS集(ji)成(cheng)电(dian)路(lu)的(de)输(shu)入(ru)阻抗极(ji)高,因此电(dian)路(lu)的(de)输(shu)出(chu)能(neng)力受输(shu)入(ru)电(dian)容的(de)限(xian)制,但是(shi),当CMOS集(ji)成(cheng)电(dian)路(lu)用来(lai)驱(qu)动(dong)同(tong)类型,如不考虑(lv)速度,一(yi)般可以(yi)驱(qu)动(dong)50个以(yi)上的(de)输(shu)入(ru)端(duan)。


五、CMOS使用注意事项

(1)COMS电(dian)路时电(dian)压控制器件,它的(de)(de)输入总抗很(hen)大,对干扰信号的(de)(de)捕捉能力很(hen)强。所以,不用的(de)(de)管脚不要(yao)悬空,要(yao)接上拉电(dian)阻或者下(xia)拉电(dian)阻,给它一个恒(heng)定的(de)(de)电(dian)平。

(2)输(shu)入(ru)端接(jie)低内(nei)(nei)组的信(xin)(xin)号源时,要在(zai)输(shu)入(ru)端和信(xin)(xin)号源之间要串联限流电(dian)阻,使输(shu)入(ru)的电(dian)流限制在(zai)1mA之内(nei)(nei)。

(3)当接长信(xin)号(hao)传输(shu)线时,在COMS电路端接匹配电阻(zu)。

(4)当输(shu)入(ru)端接大电(dian)容时(shi),应该在输(shu)入(ru)端和电(dian)容间接保护电(dian)阻。电(dian)阻值为R=V0/1mA.V0是外界电(dian)容上的电(dian)压。

(5)COMS的输(shu)入电流超过1mA,就有(you)可能(neng)烧坏COMS。

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