CCD与CMOS感光芯片的比较

大家知道，CCD和CMOS是目前数字相机上常用的两种感光芯片。这两者之间有什么差别，到底哪一种更好呢？最近一位朋友点评CCD和CMOS的话题激起了我的好奇心，于是我在网上Google了一番，编辑成文，与各位朋友分享。

先来看一张照片，这是Olympus E1 CCD感光套件，包含超声波除尘器。

无论CCD 或CMOS，两者基本上都是利用矽感光二极体（photodiode）进行光与电的转换。这种转换的原理与太阳能电池效应相近，光线越强电力越强；反之，光线越弱电力也越弱。于是光影被像转换为相应的电子数字信号。

比较 CCD 和 CMOS 的结构，放大器的位置和数量是最大的不同。简单的说，CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至CCD 旁的放大器进行放大，再串联放大器的输出；相对地，CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着放大器（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号。

两者优缺点的比较：

	CCD	CMOS
设计	单一感光器	感光器连接放大器
灵敏度	同样面积下较高	感光开口小，灵敏度低
成本	线路品质影响程度高，成本高	整合集成，成本低
解析度	连接复杂度低，解析度高	传统技术低，新技术高
噪点比	单一放大，噪点低	百万放大，噪点高
功耗比	需外加电压，功耗高	直接放大，功耗低

两者结构的比较：

CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。

整体来说，CCD与CMOS两种设计的应用反应在成像效果上，形成包括ISO感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等不同类型的差异：

ISO 感光度差异：由于CMOS每个像素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此相同像素下同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。

成本差异：CMOS应用半导体工业常用的MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本和良率的损失；相对地CCD采用电荷传递的方式输出资讯，必须另辟传输通道，如果通道中有一个像素故障（Fail），就会导致一整排的讯号壅塞无法传递，因此CCD 的良率比CMOS低，加上另辟传输通道和外加放大器等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。

解析度差异：在第一点“感光度差异”中，由于CMOS每个像素的结构比CCD复杂，其感光开口不及CCD大， 相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万像素/全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅24mm-by-36mm 这样的大小。

噪点差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪点就比较多。 　　

耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式，必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此CCD还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使CCD的电量远高于CMOS。

尽管CCD在影像品质等各方面均优于CMOS，但不可否认的CMOS具有低成本低耗电以及高整合度的特性。由于数码影像的需求热烈，CMOS的低成本和稳定供货，成为厂商的最爱，也因此其制造技术不断地改良更新，使得CCD与CMOS两者的差异逐渐缩小。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入照相手机的行动通讯市场；CMOS系列则开始朝向大尺寸面积与高速影像处理晶片统合，藉由后续的影像处理修正噪点以及画质表现。

[文中内容引自以下两篇文章：]

CCD 和CMOS感光元件的区别

数码相机 CCD和CMOS的区别