2024年9月17日发(作者：秦正平)

CMOS与CCD图像传感器比较

—— 机制班 张 波

摘要：本文简要介绍了CMOS和CCD图像传感器的工作原理，并对二者进行了性能比较，

综述了两种传感器在未来的发展趋势。

1．引言

CMOS与CCD图像传感器相比具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处

理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点 但其图像质量( 特别是低

亮度环境下 ) 与系统灵活性与CCD的相比相对较低

[1]

。

CCD与CMOS图像传感器相比具较好的图像质量和灵活性仍然保持高端的

摄像技术应用如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、高性能工

业摄像、大部分科学与医学摄像等应，CCD器件的灵活性体现为与采用CMOS

器件相比，用户可构建更多不同的摄像系统。

2．基本原理

图1所示为CMOS图像传感器工作原理框图。光子转换为电子后直接在每

个像元中完成电子电荷-电压转换。这种信号转换与读出技术的不同对两种图像

传感器的结构、性能及其性能的限制产生明显的影响。相机的大部分功能集成在

图像传感器芯片上。这使传感器的功能应用弹性较小，但由于集成度高、结构紧

密，CMOS相机可应用于小尺寸摄像，可适应恶劣的环境，具有更高的可靠性

[2]

。

图1 CMOS图像传感器工作原

图2所示为CCD图像传感器工作原理框图，器件完成曝光后光子通过像元

转换为电子电荷包，电荷包顺序转移到共同的输出端，通过输出放大器将大小不

同的电荷包（对应不同强弱的光信号）转换为电压信号，缓冲并输出到芯片外的

信号处理电路。

图2 CCD图像传感器工作原理

3．性能比较

[3]

CMOS图像传感器与CCD图像传感器相比， 具有功耗低、 摄像系统尺寸

小、可将信号处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点。但其图像

质量 （特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCD相 比相对较低。表1列出

CCD与CMOS图像传感器的特点，从表中可见CMOS与CCD图像传感器各有

特点，二者互为补充， 不会出现谁消灭谁的结局) ，在可预见的未来将并存发展，

共同繁荣图像传感器市场。

表1 CCD与CMOS图像传感器的特点

（1）灵敏度

灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力，CCD图像传

感器灵敏度较CMOS图像传感器高30%~ 50%。

（2）分辨率

CMOS图像传感器上集成有放大器、定时器和ADC 等电路，每个像素都比

CCD 复杂，因而电路所占像素的面积也大，所以相同尺寸的传感器，CCD 可以

做得更密。通常CCD图像传感器的分辨率会优于CMOS图像传感器。

（3）噪声

[4]

由于CMOS 图像传感器每个像元都需搭配一个放大器，与只有一个放大器

放在芯片边缘的CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器的噪声就会增加很多，

这将会影响到图像品质。

（4）响应均匀性

由于硅圆片工艺的微小变化、硅片及工艺加工引入缺陷、放大器变化等导致

图像传感器光响应不均匀。CMOS图像传感器的响应均匀性较CCD有较大差距。

（5）动态范围

动态范围表示器件的饱和信号电压与最低信号阈值电压的比值。在可比较的

环境下CCD动态范围约较CMOS的高2倍。

（6）暗电流

标准CMOS图像传感器具有较高的暗电流，暗电流密度为

经过工艺最佳化后可降低到

为

（7）速度

通常的CCD图像传感器的信号读出速率不超过 70 Mpixels/s，CMOS 图

像传感器信号读出速率可达1000 Mpixels/s。

（8）集成性

目前，绝大部分CCD的驱动电路及模拟、数字处理电路尚未集成在同一芯

片上。而CMOS图像传感器同VLSI之间具有良好的兼容性，可以把驱动与控

制系统（CDS）、ADC 和信号处理等电路集成在一块芯片上。

（9）功耗

[5]

CCD 需要外部控制信号和时钟信号来获得满意的电荷转移效率，还需要多

个电源和电压调节器，因此功耗大。而CMOS 图像传感器使用单一工作电压，

功耗低，仅相当于 CCD 功耗的 1/ 8。

（10）成本

由于 CMOS 图像传感器采用标准的半导体制造工艺，可以轻易地将周边电

路（如 AGC，CDS，时钟和DSP 等）集成到传感器芯片中，因此可以节省外

围芯片的成本，与 CCD 相比，CMOS 图像传感器在制造成本上具有优势。

（11）可靠性

CMOS 图像传感器和 CCD 在商用及工业应用领域具有等价的可靠性。在

极端恶劣的应用环境中,由于 CMOS 图像传感器将大部分相机电路集成在一个

芯片上，焊点与接头大大减少，其可靠性要优于 CCD图像传感器。

。

量级,

量级,而精心制作的CCD的暗电流密度

4．发展趋势

世界图像传感器2007年的出货量为10.95亿个，比上年增长19%，预期

2013年将增长到20亿个，年均增长率找过10%。世界图像传感器的应用情况

如表2所示

[6]

。

表2 世界图像传感器应用情况

2007~2011年间CCD传感器出货量从1. 7亿个下降到1.4亿个，而同期

CMOS传感器从9.3亿个快速上升到15.7亿个，年增长率达14%。同期出货值

前者从24.4亿美元下降到10.9亿美元，跌幅过半；后者从30.5亿美元增加到

35.8亿美元，年增长率不过4%。CMOS与CCD相比，价格便宜，因此在整个

图像传感器电子消费应用方面，具有很大的竞争优势。

5．参考文献

［1］熊平. CCD与 CMOS图像传感器特点比较［J］.

半导体光电，2004, 25（1）：1～4

［2］丁昊杰，刘敬彪，盛庆华. 基于 CMOS图像传感器的视频采集系统设计［J］.

现代电子技术，2012,

35(14):178～180

［3］李继军，杜云刚，张丽华，刘全龙，陈建芮. CMOS图像传感器的研究进展［J］.

光学制造，2009

［4］杨涛，吴孙桃，郭东辉.

CMOS图像传感器电路噪声分析［J］.厦门大学学报，2012, 51（3）：321～

325

［5］赵士彬，姚素英，徐江涛.

基于压缩感知的低功耗高效率 CMOS图像传感器设计［J］.传感器技术

学

报，2011,24（8）:1151～1157

［6］王旭东，叶玉堂.

CMOS与CCD图像传感器的比较研究和发展趋势［J］.

电子设计工程，2010,18

（11）：

178～181

2024年9月17日发(作者：秦正平)

CMOS与CCD图像传感器比较

—— 机制班 张 波

摘要：本文简要介绍了CMOS和CCD图像传感器的工作原理，并对二者进行了性能比较，

综述了两种传感器在未来的发展趋势。

1．引言

CMOS与CCD图像传感器相比具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处

理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点 但其图像质量( 特别是低

亮度环境下 ) 与系统灵活性与CCD的相比相对较低

[1]

。

CCD与CMOS图像传感器相比具较好的图像质量和灵活性仍然保持高端的

摄像技术应用如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、高性能工

业摄像、大部分科学与医学摄像等应，CCD器件的灵活性体现为与采用CMOS

器件相比，用户可构建更多不同的摄像系统。

2．基本原理

图1所示为CMOS图像传感器工作原理框图。光子转换为电子后直接在每

个像元中完成电子电荷-电压转换。这种信号转换与读出技术的不同对两种图像

传感器的结构、性能及其性能的限制产生明显的影响。相机的大部分功能集成在

图像传感器芯片上。这使传感器的功能应用弹性较小，但由于集成度高、结构紧

密，CMOS相机可应用于小尺寸摄像，可适应恶劣的环境，具有更高的可靠性

[2]

。

图1 CMOS图像传感器工作原

图2所示为CCD图像传感器工作原理框图，器件完成曝光后光子通过像元

转换为电子电荷包，电荷包顺序转移到共同的输出端，通过输出放大器将大小不

同的电荷包（对应不同强弱的光信号）转换为电压信号，缓冲并输出到芯片外的

信号处理电路。

图2 CCD图像传感器工作原理

3．性能比较

[3]

CMOS图像传感器与CCD图像传感器相比， 具有功耗低、 摄像系统尺寸

小、可将信号处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点。但其图像

质量 （特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCD相 比相对较低。表1列出

CCD与CMOS图像传感器的特点，从表中可见CMOS与CCD图像传感器各有

特点，二者互为补充， 不会出现谁消灭谁的结局) ，在可预见的未来将并存发展，

共同繁荣图像传感器市场。

表1 CCD与CMOS图像传感器的特点

（1）灵敏度

灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力，CCD图像传

感器灵敏度较CMOS图像传感器高30%~ 50%。

（2）分辨率

CMOS图像传感器上集成有放大器、定时器和ADC 等电路，每个像素都比

CCD 复杂，因而电路所占像素的面积也大，所以相同尺寸的传感器，CCD 可以

做得更密。通常CCD图像传感器的分辨率会优于CMOS图像传感器。

（3）噪声

[4]

由于CMOS 图像传感器每个像元都需搭配一个放大器，与只有一个放大器

放在芯片边缘的CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器的噪声就会增加很多，

这将会影响到图像品质。

（4）响应均匀性

由于硅圆片工艺的微小变化、硅片及工艺加工引入缺陷、放大器变化等导致

图像传感器光响应不均匀。CMOS图像传感器的响应均匀性较CCD有较大差距。

（5）动态范围

动态范围表示器件的饱和信号电压与最低信号阈值电压的比值。在可比较的

环境下CCD动态范围约较CMOS的高2倍。

（6）暗电流

标准CMOS图像传感器具有较高的暗电流，暗电流密度为

经过工艺最佳化后可降低到

为

（7）速度

通常的CCD图像传感器的信号读出速率不超过 70 Mpixels/s，CMOS 图

像传感器信号读出速率可达1000 Mpixels/s。

（8）集成性

目前，绝大部分CCD的驱动电路及模拟、数字处理电路尚未集成在同一芯

片上。而CMOS图像传感器同VLSI之间具有良好的兼容性，可以把驱动与控

制系统（CDS）、ADC 和信号处理等电路集成在一块芯片上。

（9）功耗

[5]

CCD 需要外部控制信号和时钟信号来获得满意的电荷转移效率，还需要多

个电源和电压调节器，因此功耗大。而CMOS 图像传感器使用单一工作电压，

功耗低，仅相当于 CCD 功耗的 1/ 8。

（10）成本

由于 CMOS 图像传感器采用标准的半导体制造工艺，可以轻易地将周边电

路（如 AGC，CDS，时钟和DSP 等）集成到传感器芯片中，因此可以节省外

围芯片的成本，与 CCD 相比，CMOS 图像传感器在制造成本上具有优势。

（11）可靠性

CMOS 图像传感器和 CCD 在商用及工业应用领域具有等价的可靠性。在

极端恶劣的应用环境中,由于 CMOS 图像传感器将大部分相机电路集成在一个

芯片上，焊点与接头大大减少，其可靠性要优于 CCD图像传感器。

。

量级,

量级,而精心制作的CCD的暗电流密度

4．发展趋势

世界图像传感器2007年的出货量为10.95亿个，比上年增长19%，预期

2013年将增长到20亿个，年均增长率找过10%。世界图像传感器的应用情况

如表2所示

[6]

。

表2 世界图像传感器应用情况

2007~2011年间CCD传感器出货量从1. 7亿个下降到1.4亿个，而同期

CMOS传感器从9.3亿个快速上升到15.7亿个，年增长率达14%。同期出货值

前者从24.4亿美元下降到10.9亿美元，跌幅过半；后者从30.5亿美元增加到

35.8亿美元，年增长率不过4%。CMOS与CCD相比，价格便宜，因此在整个

图像传感器电子消费应用方面，具有很大的竞争优势。

5．参考文献

［1］熊平. CCD与 CMOS图像传感器特点比较［J］.

半导体光电，2004, 25（1）：1～4

［2］丁昊杰，刘敬彪，盛庆华. 基于 CMOS图像传感器的视频采集系统设计［J］.

现代电子技术，2012,

35(14):178～180

［3］李继军，杜云刚，张丽华，刘全龙，陈建芮. CMOS图像传感器的研究进展［J］.

光学制造，2009

［4］杨涛，吴孙桃，郭东辉.

CMOS图像传感器电路噪声分析［J］.厦门大学学报，2012, 51（3）：321～

325

［5］赵士彬，姚素英，徐江涛.

基于压缩感知的低功耗高效率 CMOS图像传感器设计［J］.传感器技术

学

报，2011,24（8）:1151～1157

［6］王旭东，叶玉堂.

CMOS与CCD图像传感器的比较研究和发展趋势［J］.

电子设计工程，2010,18

（11）：

178～181