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如下圖所示,CCD傳感器中每一行中每一個(gè)象素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)象素中,由最底端部分輸出,再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中,每個(gè)象素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路,用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。左圖為CCD傳感器的結(jié)構(gòu),右圖為CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)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(shí)不會(huì)失真,因此各個(gè)象素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲,因此,必須先放大,再整合各個(gè)象素的數(shù)據(jù)。

由于數(shù)據(jù)傳送方式不同,因此CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異,這些差異包括：

1、靈敏度差異：由于CMOS傳感器的每個(gè)象素由四個(gè)晶體管與一個(gè)感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路),使得每個(gè)象素的感光區(qū)域遠(yuǎn)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(dǎo)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；除此之外,由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù),只要其中有一個(gè)象素不能運(yùn)行,就會(huì)導(dǎo)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(yàn)的廠商也很難在產(chǎn)品問(wèn)世的半年內(nèi)突破 50%的水平,因此,CCD傳感器的成本會(huì)高于CMOS傳感器。

3、分辨率差異：如上所述,CMOS傳感器的每個(gè)象素都比CCD傳感器復(fù)雜,其象素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平,因此,當(dāng)我們比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時(shí),CCD傳感器的分辨率通常會(huì)優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如,目前市面上CMOS傳感器最高可達(dá)到210萬(wàn)象素的水平(OmniVision的 OV2610,2002年6月推出),其尺寸為1/2英寸,象素尺寸為4.25μm,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其尺寸與 OV2610相差不多(1/1.8英寸),但分辨率卻能高達(dá)513萬(wàn)象素,象素尺寸也只有2.78mm的水平。

4、噪聲差異：由于CMOS傳感器的每個(gè)感光二極管都需搭配一個(gè)放大器,而放大器屬于模擬電路,很難讓每個(gè)放大器所得到的結(jié)果保持一致,因此與只有一個(gè)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(huì)增加很多,影響圖像品質(zhì)。

5、功耗差異：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式,感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出,但CCD傳感器為被動(dòng)式采集,需外加電壓讓每個(gè)象素中的電荷移動(dòng),而此外加電壓通常需要達(dá)到12~18V；因此,CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外(需外加 power IC),高驅(qū)動(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。舉例來(lái)說(shuō),OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fPS的速度下運(yùn)行,功耗僅為40mW；而致力于低功耗CCD傳感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等級(jí)的產(chǎn)品,其功耗卻仍保持在90mW 以上,雖然該公司近期將推出35mW的新產(chǎn)品,但仍與CMOS傳感器存在差距,且仍處于樣品階段。

綜上所述,CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)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(diǎn)。不過(guò),隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步,兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢(shì),例如,CCD傳感器一直在功耗上作改進(jìn),以應(yīng)用于移動(dòng)通信市場(chǎng)(這方面的代表業(yè)者為Sanyo)；CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足,以應(yīng)用于更高端的圖像產(chǎn)品,我們可以從以下各主要廠商的產(chǎn)品規(guī)劃來(lái)看出一些端倪。

CMOS圖像傳感器利用上述原理形成CMOS開(kāi)關(guān)來(lái)控制光電二極管,將一個(gè)CMOS開(kāi)關(guān)和一個(gè)光電二極管組合成一個(gè)像元。當(dāng)入射光照射光敏面時(shí),每個(gè)像素內(nèi)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)大小的電荷,該行的電路根據(jù)需要導(dǎo)通某一行的CMOS開(kāi)關(guān),行像素內(nèi)的信號(hào)通過(guò)它所在列的傳輸線傳輸?shù)狡湫盘?hào)處理電路,處理過(guò)后的模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)并輸出,圖像的窗口提取功能可以通過(guò)行列選擇邏輯單元聯(lián)合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

CMOS 圖像傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)是讀出路徑中有幾個(gè)有源器件會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的噪聲。此外,制造不一致會(huì)導(dǎo)致不同像素的電荷-電壓放大器之間的不匹配。這會(huì)導(dǎo)致固定模式噪聲,即使它們暴露在均勻照明下,不同的像素也會(huì)產(chǎn)生不同的值。

對(duì)于許多 CMOS 圖像傳感器,不同像素行的曝光周期開(kāi)始時(shí)間略有不同。通常,行從上到下依次重置。在給定行的積分時(shí)間過(guò)去后,它的讀數(shù)應(yīng)該開(kāi)始。因此,光積分從上到下依次發(fā)生,就像復(fù)位過(guò)程一樣。在捕捉快速移動(dòng)的物體時(shí),這可能會(huì)導(dǎo)致一種稱為卷簾快門(mén)偽影的失真。這是因?yàn)樵诓蹲降剿�有像素時(shí),具有快速移動(dòng)對(duì)象的場(chǎng)景可能會(huì)發(fā)生變化。滾動(dòng)快門(mén)偽影表現(xiàn)為捕捉場(chǎng)景中的一些非剛性或彎曲。

現(xiàn)代 CMOS 傳感器具有更快的讀出速率,并且可以更輕松地避免這種非理想效應(yīng)。此外,還有帶全局快門(mén)的 CMOS 圖像傳感器,所有像素的復(fù)位和曝光周期同時(shí)發(fā)生。在積分時(shí)間結(jié)束時(shí),不同像素的累積電荷同時(shí)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)區(qū)域以進(jìn)行進(jìn)一步處理。由于所有像素的曝光周期是同時(shí)發(fā)生的,所以不會(huì)出現(xiàn)卷簾快門(mén)效應(yīng)。

反向偏置光電二極管產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成比例的電流分量。這些光電探測(cè)器的二維陣列可用于實(shí)現(xiàn) CMOS 圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器中的像素可能具有不同級(jí)別的復(fù)雜性。例如,CMOS 圖像傳感器的像素不僅可以包含光電二極管,還可以包含放大器。DPS（數(shù)字像素傳感器）設(shè)備使用更復(fù)雜的像素,其中每個(gè)像素都有自己的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和內(nèi)存塊。

CMOS 圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可以將傳感器與成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)字電路集成在一起�？赡軙�(huì)降低 CMOS 圖像傳感器性能的兩個(gè)噪聲源是不同像素組件之間的制造不匹配以及來(lái)自讀出路徑中的有源器件的噪聲。