《電子技術應用》
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CCD還是CMOS? 高清攝像機的成本博弈
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摘要: CCD在數據傳送時不會失真,因此各個象素的數據可匯聚至邊緣再進行放大處理;而CMOS工藝的數據在傳送距離較長時會產生噪聲,因此,必須先放大,再整合各個象素的數據。也正由于其數據傳輸方式不同,CCD與CMOS傳感器在效能與應用上也有諸多差異。
Abstract:
Key words :

    眾所周知,攝像機的核心組成部分有三塊:鏡頭、圖像傳感器以及壓縮處理芯片。其中,圖像傳感器是圖像采集處理部分的核心。而目前,CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器,兩者都是利用感光二極管(photodiode)進行光電轉換,將圖像轉換為數字數據,而其主要差異是數字數據傳送的方式不同。CCD在數據傳送時不會失真,因此各個象素的數據可匯聚至邊緣再進行放大處理;而CMOS工藝的數據在傳送距離較長時會產生噪聲,因此,必須先放大,再整合各個象素的數據。也正由于其數據傳輸方式不同,CCD與CMOS傳感器在效能與應用上也有諸多差異。

  1. 靈敏度差異:由于CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構成(含放大器與A/D轉換電路),使得每個象素的感光區域遠小于象素本身的表面積,因此在象素尺寸相同的情況下,CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。

  2. 成本差異: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,因此可以節省外圍芯片的成本;除此之外,由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數據,只要其中有一個象素不能運行,就會導致一整排的數據不能傳送,因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多,即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內突破 50%的水平,因此,CCD傳感器的成本會高于CMOS傳感器。

  3. 分辨率差異:如上所述,CMOS傳感器的每個象素都比CCD傳感器復雜,其象素尺寸很難達到CCD傳感器的水平,因此,當我們比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時,CCD傳感器的分辨率通常會優于CMOS傳感器的水平。

  4. 噪聲差異:由于CMOS傳感器的每個感光二極管都需搭配一個放大器,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傳感器的噪聲就會增加很多,影響圖像品質。

  5. 功耗差異:CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式,感光二極管所產生的電荷會直接由晶體管放大輸出,但CCD傳感器為被動式采集,需外加電壓讓每個象素中的電荷移動,而此外加電壓通常需要達到12~18V;因此,CCD傳感器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外(需外加 power IC),高驅動電壓更使其功耗遠高于CMOS傳感器的水平。

  綜上所述,CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優于CMOS傳感器,而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。在標清監控時代,無論是模擬攝像機還是標清網絡攝像機,攝像機普遍采用最CCD傳感器。而在高清監控時代,,由于高清監控對成本非常敏感,CMOS傳感器盡管圖像品質總體上還不如CCD,但它在成本上的優勢對CCD還是造成了非常大的威脅。

  從目前的趨勢來看,CMOS勝出的機會明顯更大。一方面,隨著技術的發展,CMOS的靈敏度正在得到快速改善,據悉目前市場上致力于CMOS研究的廠商已經研發出靈敏度性能與CCD接近的720p與1080p專用CMOS器件。另一方面,盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優于CMOS傳感器,但如果不考慮尺寸限制,CMOS在量率上的優勢可以有效克服大尺寸感光原件制造的困難,這樣CMOS在更高分辨率下將更有優勢。另外,CMOS響應速度比CCD快,因此更適合高清監控的大數據量特點。

  因此,盡管CCD與CMOS在不同的應用場景下各有優勢,但隨著CMOS工藝和技術的不斷提升,以及高端CMOS價格的不斷下降,未來高清網絡攝像機將更多的選擇CMOS。


 
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