CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)目前主要有無(wú)源像素圖像傳感器(Passive Pixel Sensor，PPS)和有源像素圖像傳感器(Active Pixel Sensor，APS)兩種，如圖1所示。由于PPS信噪比低、成像質(zhì)量差，所以目前絕大多數(shù)CMOS圖像傳感器采用的是APS結(jié)構(gòu)。APS結(jié)構(gòu)的像素內(nèi)部包含一個(gè)有源器件。由于該放大器在像素內(nèi)部具有放大和緩沖功能，具有良好的消噪功能，且電荷不需要像CCD器件那樣經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離移位到達(dá)輸出放大器，因此避免了所有與電荷轉(zhuǎn)移有關(guān)的CCD器件的缺陷。

圖1 CMOS的兩種像素結(jié)構(gòu)

由于每個(gè)放大器僅在讀出期間被激發(fā)，所以將經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)在像素內(nèi)放大，然后用X-Y地址方式讀出，提高了固體圖像傳感器的靈敏度。APS像素單元有放大器，它不受電荷轉(zhuǎn)移效率的限制，速度快，圖像質(zhì)量較PPS得到了明顯地改善。但是與PPS相比，APS的像素尺寸較大、填充系數(shù)小，所設(shè)計(jì)的填充系數(shù)典型值為0.2～0.3。

一個(gè)典型的CMOS圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在同一芯片上集成有模擬信號(hào)處理電路、I(2)C控制接口、曝光/白平衡控制、視頻時(shí)序產(chǎn)生電路、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、行選擇、列選擇及放大和光敏單元陣列。芯片上的模擬信號(hào)處理電路主要執(zhí)行相關(guān)雙采樣(CorrelatedDouble Sampling，CDS)功能。芯片上的A/D轉(zhuǎn)換器可以分為像素級(jí)、列級(jí)和芯片級(jí)幾種情況，即每一個(gè)像素有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，每一個(gè)列像素有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，或者每一個(gè)感光陣列有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。由于受芯片尺寸的限制，所以像素級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器不易實(shí)現(xiàn)。CMOS片內(nèi)部提供了一系列控制寄存器，通過(guò)總線編程(如Pc總線)來(lái)對(duì)自增益、自動(dòng)曝光、白色平衡、/校正等功能進(jìn)行控制，編程簡(jiǎn)單、控制靈活。直接輸出的數(shù)字圖像信號(hào)可以很方便地與后續(xù)處理電路接口，供數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)其進(jìn)行處理。

圖2 CMOS芯片組成方框圖