監控用CMOS與CCD圖像傳感器對比

CCD（Charge Coupled Device）圖像傳感器（以下簡稱CCD）和CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor以下簡稱CIS）的主要區別是由感光單元及讀出電路結構不同而導致制造工藝的不同。CCD感光單元實現光電轉換后，以電荷的方式存貯并以電荷轉移的方式順序輸出，需要專用的工藝制程實現；CIS圖像感光單元為光電二極管，可在通用CMOS集成電路工藝制程中實現，除此之外還可將圖像處理電路集成，實現更高的集成度和更低的功耗。

目前CCD幾乎被日系廠商壟斷，只有少數幾個廠商例如索尼、夏普、松下、富士、東芝等掌握這種技術。CIS是90年代興起的新技術，掌握該技術的公司較多，美國有OmniVision，Aptina；歐洲有ST；韓國的三星，SiliconFile，Hynix等；日本的SONY，東芝等；中國***的晶像；大陸地區的比亞迪，格科微等公司。由于CCD技術出現早，相對成熟，前期占據了絕大部分的高端市場。早期CIS與CCD相比，僅功耗與成本優勢明顯，因此多用于手機，PC Camera等便攜產品。隨著CIS技術的不斷進步，性能不斷提升；而CCD技術提升空間有限，進步緩慢。目前CIS不僅占據幾乎全部的便攜設備市場，部分高端DSC（Digital Still Camera）市場，更是向CCD傳統優勢市場——監控市場發起沖擊。下面就監控專用CIS與傳統CCD進行綜合對比。

一、靈敏度（Responsivity）

作為圖像傳感器最重要的技術指標之一，靈敏度是衡量圖像傳感器對于光線的敏感程度。監控專用CIS的靈敏度高達10V/Lux-sec以上，高過大部分的CCD傳感器（Sharp RJ2311C靈敏度為3.2V/ Lux-sec）。靈敏度指標主要體現在畫質的亮度和低光效果上，靈敏度越高畫面越清晰。雖然CIS的最小感光度（Minimum Detectable Light）指標低于CCD，但可以滿足絕大部分監控應用場合。

二、動態范圍（Dynamic Range）

動態范圍是衡量圖像傳感器對于明暗光線差別較大的場景下的表現。在實際應用中，體現在圖像傳感器是否可以在一幅圖像中既可以清晰顯示較暗的場景，又可以清晰顯示光線充足的場景。尤其是當Camera對準窗口時，既要能看到窗內的景象，又要能看到窗外的場景，而不出現“過曝”現象。動態范圍越高，表明在明暗差別較大的場景下，圖像傳感器表現越好。目前高端CIS可實現高達100dB以上的動態范圍，而常見CCD的動態范圍基本在60dB左右。從動態范圍上講，CIS略勝一籌。

三、集成度（Integration）

由于CIS在標準CMOS工藝制程下制造，可將讀出電路（包含相關雙采樣CDS，自動增益放大器AGC等），模數轉換電路（ADC），圖像信號處理（ISP），電視信號編碼電路（TV-Encoder）等全部集成于單芯片中。而CCD由于制造工藝特殊且復雜，處理電路需單獨存在，配套使用，因此在應用上有“CCD套片”的叫法。“CCD套片”包含CCD圖像傳感器，V-Driver（時序控制/CCD多路電源，逐步被集成與CDS/AGC電路中），CDS/AGC（對應于CIS的讀出電路），DSP（對應于CIS的ISP）四部分。如果采用CIS設計CCTV Camera方案，只需要一顆芯片，一顆LDO和少量阻容元件，全部設計可在一塊兩面SMD 32mm*32mm的PCB板上完成；如果采用CCD套片，則最少需要一塊兩面SMD 38mm*38mm的PCB板才能容納所有器件。通常采用兩塊PCB板，以避免由PCB板元件過密帶來的噪聲問題。顯而易見，基于CIS的Camera方案提供了更高的集成度，無論是PCB板設計難度，還是功耗/成本都大大下降。

四、畫質（Picture Quality）

除受圖像傳感器本身的物理特性影響外，圖像信號處理技術從某種程度上決定了圖像質量。之所以人們認為CIS效果不如CCD，一方面是由于長期以來形成的思維定勢，更主要是因為CCD擁有獨立的DSP，具有強大的圖像處理功能，實際上圖像傳感物理部分已無差別。隨著CIS內置ISP算法的不斷進步，CIS畫質已大幅提升。正常光線下，CIS與CCD畫質已無差別，甚至已超越中低端CCD畫質。但CIS的ISP集成在芯片內部，其性能與獨立的DSP尚有差距，也造就了短期內CIS尚無法達到高端CCD的效果。

五、工作溫度（Operating Temperature）

目前CIS已被廣泛應用于汽車監控（含可視倒車等），由于汽車電子的苛刻要求，用于汽車監控的CIS產品要求在-40℃-105℃正常工作。而CCD由于傳感器部件對熱敏感，高于60℃將無法正常工作（低于-20℃也無法正常工作），因此高端攝像機都需內置散熱系統。相對而言，基于CIS的Camera設計將更加簡單，穩定。

六、接口（Interface）

由于CIS集成度優勢，使得CIS相比于CCD擁有更豐富的接口種類。目前監控用CIS不僅能夠輸出RGB，YUV，CCIR656等數字信號，而且可以輸出PAL/NTSC制式的模擬電視信號，既滿足傳統的CCTV應用，也能滿足諸如IP Camera等數字應用。此外CIS還提供I2C控制接口，便于外部MCU對CIS的控制。CCD圖像傳感器本身只能輸出模擬電信號，如果要增加各種接口，就需要“套片”配合使用。

比亞迪監控專用CIS產品在現有接口基礎上，創新性提供了Master I2C接口和模擬差分電視信號接口。Master I2C接口使客戶將調試最佳圖像效果參數存于I2C 接口EEROM中，等CIS上電則讀取EEROM中的參數并自行配置到最佳效果。針對越來越多的客戶采用非屏蔽雙絞線傳輸模擬視頻信號，比亞迪CIS提供了差分輸出接口，無須外接Balun。

七、低功耗，低成本（Low Power Consumption，Low Cost）

低功耗與低成本是CIS天生的優勢。得益于CIS的高集成度，即使CIS性能大幅提升，其功耗仍處于較低的水平，通常低于350mW（比亞迪CIS更是低至180mW）；而CCD圖像傳感器本身功耗都高于200mW，CCD套片的功耗更高達2W以上，10倍于CIS。因此，CIS被廣泛應用于對功耗敏感的場合，如便攜設備，Wireless IP Camera，Baby Monitor，視頻對講等。

CCD制造工藝復雜而且成品率較低，CCD圖像傳感器本身的價格已經高于CIS單芯片價格，何況加上輔助的套片價格。對于常見的CCTV Camera方案，采用CIS方案成本不足低端CCD套片的價格的50%。

以上可見，與CCD相比，CIS不僅擁有突出的性價比優勢，其低功耗優勢更是CCD所無法比擬的，可以完全替換中低端CCD產品。由于CIS相關技術仍處于發展階段，現階段CIS主要可用于IP Camera，常規視頻監控，樓宇可視對講，視頻會議系統，汽車監控，傳統的CCTV監控等領域。

注釋：由于技術要求較高，目前全球只有美國OmniVision和Aptina能夠提供滿足監控應用的CIS產品，比亞迪BF3003是國內首款也是目前唯一一款國產監控專用CMOS圖像傳感器。

<附錄：比亞迪BF3003參數>

附錄：比亞迪監控專用CMOS圖像傳感器BF3003參數

圖1：比亞迪監控專用CMOS圖像傳感器BF3003參數