本书尽量地叙述CMOS图像传感器集成电路芯片的原理、结构、应用、设计方法和流程。第1章讲述有关技术背景和发展历程、CMOS图像传感器的特点和应用。第2章讲述CMOS图像传感器集成电路的基本结构和主要技术指标，简述CMOS工艺技术和VLSI设计方法和流程。第3章描述有源像素传感器APS。第4章讲述CMOS图像传感器的像素阵列结构和原理，以及阵列的各种曝光操作模式。第5、6两章讲述像素阵列的读出、曝光控制、图像信号的高速模数转换和图像数据传输的子系统方案和电路原理。第7章讲述CMOS图像传感器版图设计的一些特点，以及一个全芯片版图布局案例。结束语叙述图像传感器芯片的超大规模集成及其发展前景。
第1章 概述
1.1 图像传感器的一般概念
1.2 图像传感器技术的发展历程
1.2.1 电子管时代和图像扫描技术
1.2.2 CCD图像传感器和像素概念
1.2.3 CMOS图像传感器
1.3 CMOS图像传感器的特点
1.3.1 有源像素传感器
1.3.2 CMOS图像传感器的集成
1.3.3 CMOS系统集成和数字图像革命
1.4 CMOS图像传感器的应用
1.4.1 数字电视和视频摄像
1.4.2 静止图像数码照相机
1.4.3 移动通信和便携设备的摄像功能
1.4.4 高清晰度数字电影摄像技术
第2章 CMOS图像传感器系统
2.1 CMOS图像传感器的基本结构
2.1.1 CMOS图像传感器的框图
2.1.2 CMOS图像传感器芯片的封装
2.2 CMOS图像传感器的性能
2.2.1 光电转换的原理和性能
2.2.2 图像清晰度
2.2.3 图像刷新速率和高速摄影
2.2.4 图像数据的字长
2.3 CMOS超大规模集成简述
2.3.1 CMOS器件的基本结构和原理
2.3.2 CMOS工艺和版图
2.3.3 CMOS超大规模集成的设计方法学
第3章 有源像素传感器
3.1 基本有源像素传感器
3.1.1 3T-APS电路原理
3.1.2 3T-APS版图
3.1.3 像素的填充系数
3.2 4T-APS像素
3.2.1 埋入型光电二极管
3.2.2 3T-APS的输出电压问题
3.2.3 4T-APS原理
3.2.4 4T-APS电路和版图
3.3 5T-APS像素
3.4 像素的光学结构
3.4.1 光遮蔽和滤光层
3.4.2 微透镜
3.4.3 背光微像素结构
第4章 像素阵列和电子快门
4.1 像素阵列结构
4.1.1 像素排列和图像分辨率
4.1.2 阵列中像素的互连
4.2 阵列的电子快门曝光
4.2.1 滚动快门曝光
4.2.2 全局快门曝光
4.3 图像阵列信号的读出
4.3.1 像素阵列的列读出
4.3.2 像素和阵列读出速率
4.3.3 并行列读出
4.4 阵列的选择曝光读出
4.5 彩色图像的获得
4.5.1 拜尔彩色阵列
4.5.2 弗翁彩色图像传感器
第5章 像素阵列曝光读出电路
5.1 像素阵列读出电路
5.1.1 固定图案噪声
5.1.2 相关双取样原理
5.1.3 CDS读出电路原理
5.1.4 4T-APS像素阵列的CDS读出电路
5.2 像素阵列曝光读出控制
5.2.1 像素阵列曝光读出时序
5.2.2 译码型扫描电路
第6章 图像信号的模数转换和数据传输
6.1 图像信号的高速模数转换
6.1.1 逐次逼近数模转换电路原理
6.1.2 直接比较高速模数转换电路
6.1.3 高速逐次逼近模数转换电路
6.1.4 图像高速模数转换电路的系统设计
6.2 图像数据的高速传输
6.2.1 高速图像数据传输的系统设计
6.2.2 高速图像数据差分传输
第7章 CMOS图像传感器芯片版图设计
7.1 混合CMOS芯片版图
7.2 隔离
7.2.1 PN结隔离
7.2.2 深阱隔离
7.3 集成电容器
7.3.1 MOS电容器
7.3.2 MiM电容器
7.4 CMOS图像传感器芯片版图布局
结束语
附录A 术语索引
参考文献
前 言
在当今的图像技术领域中，先进的CMOS图像传感器已经毫无疑义地成为数字图像信息采集的主流技术。其中的原因不仅仅是其的直接物理性能—灵敏度、光谱、分辨率和动态范围等，更重要的是因为它们是用CMOS工艺集成制造的。正是由于这个原因，CMOS图像传感器才能与各种相关的模拟-数字电路和功能集成在一个单硅片上，从引脚上直接输出数字图像信息；可以直接利用飞速发展的CMOS工艺超大规模集成技术成果，实现高清晰度成像和高速图像刷新；可以在众多的晶元厂商试制和生产；还可以利用的CMOS超大规模集成电路设计自动化工具和模型，快速和低成本地不断设计出新产品。
正是由于CMOS图像传感器的各项特点，数以亿计无处不在的"智能"通信设备才能以拍照和摄像作为必备的功能；而当今世界上凡是重要的事件场合、浮华绚丽的景观或者景色优美的自然风光胜地，到处都充斥着DSLR数码相机的闪光和快门咔嚓声。也许在许多数字影院里，被高清画面所震撼的观众中，并没有几个人留意到片尾显示的高清晰度数字电影技术的标志，而那些"震撼"正是采用CMOS图像传感器技术带来的结果。你甚至都不会留意到，从什么时候起你的牙医在用X光检查你的牙齿时，不再给你覆盖沉重的铅防护马甲，然后等待牙医助理处理完X光胶片—可能还需要重拍；而是直接在计算机屏幕上显示和讨论你的牙齿问题和治疗方案，等等。更不用说在尖端的空间、武器和科研领域，近十年来人类的视觉能力正在迅速地向更高清晰度和更宽广的视域延伸着。
大多数CMOS图像传感器集成电路芯片，都是一个单硅片系统(System on a Chip，SoC)，而且是模拟-数字混合设计和工艺的范例。从系统、电路到版图设计，直到工艺完成后的硅片，都是电子科学、工程和艺术的结合。每一个功能正确、性能的成品芯片，都是一件精美的艺术品。CMOS图像传感器的设计，牵涉许多类型的电子电路，从低噪声的、宽带的到高速的，从模拟的、数字的到传感器的，都涉及很宽的电子电路知识领域。从系统设计、电路设计到CMOS半导体工艺，需要设计团队、晶元厂商密切合作和设计工具软件的支持。CMOS图像传感器集成电路芯片的设计过程，是现代电子设计的典范。
因为CMOS图像传感器可以设计成超大规模的系统集成，所以整机和系统的设计师可以考虑在系统中集成图像传感器功能，使其成为与系统紧密结合的一部分，提高系统的电性能、减小体积-重量和获得独立的知识产权。因此CMOS图像传感器的工作原理和设计方法不仅仅是集成电路芯片设计师所应学习和探讨的，而且也应该引起有潜在数字摄像功能的项目、系统和整机产品的领导者和系统设计师的关注和兴趣。以便他们在设计新的产品时，从项目和系统的规划伊始，就考虑加入集成CMOS图像传感器的元素，使新设计占据更高的起点。
本书是一本电子电路和系统专业的工程技术专著，试图包含2010年以前作者所了解的CMOS图像传感器工程技术成果，希望能对有关的电子工程技术人员有所帮助。有关半导体物理和图像科学的原理知识，请阅读2004年由奥利雅迪-派克特和拉尔夫艾蒂安-卡明斯编著的《CMOS成像器：从光电导到图像处理》 (CMOS Imagers: From Phototransduction to Image Processing，Orly Yadid-Pecht and Ralph Etienne-Cummings，2004)一书，那是一本CMOS图像传感器技术在及时个十年的论文汇编，是这个领域的经典著作。
