摄像头CMOS sensor像素电路原理

摄像，是用光的艺术。

CMOS Sensor的原理基于光电转换。光是一种振动的电磁波，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而离开该物质的表面。持续光照就会产生电流（电子移动产生的），如下图所示：

而随着半导体的发展，光电二极管（photo diode）成为了一种实用的光电转换元件。

光电二极管的基础结构通常是一个PN结或者PIN结，常被设计为工作在反向偏置状态（反向偏置下，耗尽层才宽）。当一个具有充足能量的光子冲击到二极管上，它将激发一个自由电子 + 一个带正电的空穴。耗尽层（势垒区）的内电场使自由电子定向移动，光电流就产生了。

如同庞大数量的细胞组成生物体一样，CMOS Sensor同样有最小的单位，而这个单位称为像素，也称有源像素APS(Active Pixel Sensor)，而每个像素的感光元件就是上图中的光电二极管。

3T - APS

下图为3T-APS，即三个晶体管构成的电路。

工作过程如下：

1. Mrst管子开通，PD复位到Vrst-Vth(Mrs的阈值电压)；
2. Mrst关闭，PD进入电气浮动状态；
3. 光线入射，PD结电容聚集光生载流子；
4. 在积累一段时间后，Msf导通；
5. 打开晶体管Msel，该像素的输出信号在垂直输出线上被读出；
6. 关闭Msel，Mrst再次接通，重复上述过程。

光电转换二极管表面生产的电压就像水桶中提升的水位。

4T - APS

与3T-APS相比，4T-APS增加了一个用于SAH的管子，是sample and hold的缩写，作用是取样并保持。

该MOS可以将PD的信号传输到电容C上，该设计允许全局快门（Global shutter），与之相对比的是卷帘快门（Rolling shutter）。

如下图，Global shutter曝光，运动的风扇的扇叶没有畸变；而如果采用Rolling shutter曝光，运动的风扇扇叶有明显的畸变。技术的奇妙在此刻展现的淋漓尽致。