監(jiān)控用CMOS與CCD圖像傳感器技術對比

　　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構不同而導致制造工藝的不同。CCD感光單元實現(xiàn)光電轉換后，以電荷的方式存貯并以電荷轉移的方式順序輸出，需要專用的工藝制程實現(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現(xiàn)，除此之外還可將圖像處理電路集成，實現(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。CIS是90年代興起的新技術，掌握該技術的公司較多，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，PC Camera等便攜產(chǎn)品。隨著CIS技術的不斷進步，性能不斷提升；而CCD技術提升空間有限，進步緩慢。目前CIS不僅占據(jù)幾乎全部的便攜設備市場，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進行綜合對比。

一、靈敏度（Responsivity）

　　作為圖像傳感器最重要的技術指標之一，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）指標低于CCD，但可以滿足絕大部分監(jiān)控應用場合。

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)。在實際應用中，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Camera對準窗口時，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可實現(xiàn)高達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在標準CMOS工藝制程下制造，可將讀出電路（包含相關雙采樣CDS，自動增益放大器AGC等），模數(shù)轉換電路（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雜，處理電路需單獨存在，配套使用，因此在應用上有“CCD套片”的叫法?！癈CD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（對應于CIS的讀出電路），DSP（對應于CIS的ISP）四部分。如果采用CIS設計CCTV Camera方案，只需要一顆芯片，一顆LDO和少量阻容元件，全部設計可在一塊兩面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板設計難度，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，圖像信號處理技術從某種程度上決定了圖像質(zhì)量。之所以人們認為CIS效果不如CCD，一方面是由于長期以來形成的思維定勢，更主要是因為CCD擁有獨立的DSP，具有強大的圖像處理功能，實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，其性能與獨立的DSP尚有差距，也造就了短期內(nèi)CIS尚無法達到高端CCD的效果。

五、工作溫度（Operating Temperature）

　　目前CIS已被廣泛應用于汽車監(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），因此高端攝像機都需內(nèi)置散熱系統(tǒng)。相對而言，基于CIS的Camera設計將更加簡單，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應用，也能滿足諸如IP Camera等數(shù)字應用。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。