CMOS图像传感器的基本原理及设计方案 .docx

精品名师归纳总结CMOS 图像传感器的基本原理及设计摘 要：介绍CMOS图像传感器的基本原理、潜在优点、设计方法以及设计考虑。关键词：互补型金属氧化物半导体图像传感器。无源像素传感器。有源像素传感器1 引言20 世纪 70 岁月， CCD图像传感器和 CMOS图像传感器同时起步。 CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的缘由，敏捷元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由 CCD 图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的 CMOS 图像传感器，始终没有摆脱光照灵敏度低和图像辨论率低的缺点，图像质量仍无法与CCD 图像 传 感器 相 比。假如把 CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高 5 倍 10 倍，把噪声进一步降低， CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过 CCD 图像传感器的水平，同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点，如此， CMOS图像传感器取代 CCD图像传感器就会成为事实。由于 CMOS图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制得到了极大的进展，并且随着经济规模的形成，其生产成本也得到降低。现在，CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD 图像传感器相媲美，这主要归功于图像传感器芯片设计的改进，以及亚微M 和深亚微 M 级设计增加了像素内部的新功能。实际上，更精确的说， CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与 CCD 图像传感器很相像），全部的时序规律、单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调剂、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵列规律寄存器、储备器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD 图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗 ， 而 且 具 有 重 量 较 轻 ， 占 用 空 间 减 少 以 及 总 体 价 格 更 低 的 优 点 。2 基本原理从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情形下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。 CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的 CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结噪声性能很不理想，而且仍引来对CMOS图像传感器的种种干扰。然而今日，随着制作工艺的提高，使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在， 在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及排除噪声等多种附加功能。实际上，在Conexant公司（前 Rockwell 半导体公司）的一台先进的CMOS摄像机所用的CMOS图传感器上，每一个像素中都设计并 使用了 6 个晶体管，测试到的读出噪声只有1 均方根电子。不过，随着像素内电路数量的不断增加，留给感光二极管的空间逐步削减，为了防止这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降，一般都使用微透镜，这是由于每个像素位置上的微小透镜都能转变入射光线的方向，使得原先会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏捷的二极管区域。由于电荷被限制在像素以内，所以CMOS图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。它的不利因素 是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别，这种不均匀性就会引起固定图像噪声。 然而，随着CMOS图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到显著弱化。这种多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的的方现在也变得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型运算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等，这些都已在某些设计者的考虑之中。3 设计考虑然而，这个行业仍有一个受到普遍关注的问题，那就是测量方法，具体指标、阵列大小和特性等方面仍缺乏统一的标准。每一位工程师在比较各种资料一览表时，可能会发觉在一张表上列出的是关于读出噪声或信噪比的资料，而在另一张表上可能只是强调关于动态范畴或最大势阱容量的资料。因此，这就要求设计者们能够判定哪一个参数对他们最重要 ， 并 且 尽 可 能 充 分 利 用 多 产 品 的CMOS 图 像 传 感 器 家 族 。一些关键的性能参数是任何一种图像传感器都需要关注的，包括信噪比、动态范畴、噪声（固定图形噪声和读出噪声）、光学尺寸以及电压的要求。应当知道并用来对比的重要参数有：最大势阱容量、各种工作状态下的读出噪声、量子效率以及暗电流，至于信噪比之类的其它参数都是由那些基本量度推导出来的。对于像保安摄像机一类的低照度级的应用，读出噪声和量子效应最重要。然而对于象户外 摄 影 一 类 的 中 、 高 照 度 级 的 应 用 ， 比 较 大 的 最 大 势 阱 容 量 就 显 得 更 为 重 要 。动态范畴和信噪比是最简洁被误会和误用的参数。动态范畴是最大势阱容量与最低读出噪声的比值，它之所以引起误会，是由于读出噪声经常不是在典型的运行速度下测得的，而且暗电流散粒噪声也经常没有被运算在内。信噪比主要准备于入射光的亮度级（事实上 ， 在 亮 度 很 低 的 情 况 下 ， 噪 声 可 能 比 信 号 仍 要 大 ） 。所以，信噪比应当将全部的噪声源都考虑在内，有些资料一览表中经常忽视散粒噪声，而它恰恰是中、高信号电平的主要噪声来源。而SNRDARK得到说明，实际上与动态范畴没有什么两样。数字信噪比或数字动态范畴是另一个简洁引起混淆的概念，它说明的只是模可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结拟/ 数字（ A/D）转换器的一个特性。虽然这可能很重要，但它并不能精确的描述图像的质量。同时我们也应清楚的熟识到，当图像传感器具有多个可调模拟增益设置时，模拟/ 数字转换器的辨论率不会对图像传感器的动态范畴产生限制。光学尺寸的概念的模糊，是由于传统观念而致。使用光导摄像管只能在部分范畴内产生有用的图像。它的运算包括度量单位的转换和向上舍入的方法。接受向上舍入的方法，先以毫 M为单位测量图像传感器的对角线除以16，就能得到以英寸为单位的光学尺寸。例如0.97cm 的尺寸是 1.27cm 而不是 0.85cm 。假如你选择了一个光学尺寸为0.85cm 的图像传感器，很可能显现图像的四周角落上的映影（阴影）现象。这是由于有些资料一览表欺诈性的使用了向下舍入的方法。例如，将0.97cm 的尺寸称为 0.85cm, 理由很简洁： 0.85cm 光学尺寸的图像传感器的价格要比1.27cm 光学尺寸的图像传感器的价格低得多，但是这对系统工作性能产生不利影响。所以，设计者应当通过运算试用各种不同的图像传感器来得到想要的性能。CMOS图像传感器的一个很大的优点就是它只要求一个单电压来驱动整个装置。不过设计者仍应谨慎的布置电路板驱动芯片。依据实际要求，数字电压和模拟电压之间尽可能的分 离开以防止串扰。因此良好的电路板设计，接的和屏蔽就显得特殊重要。尽管这种图像传感器是一个CMOS装置并具有标准的输入 / 输出（ I/O ）电压，但它实际的输入信号相当小，而且对噪声也很敏感。到目前为止，已设计出高集成度单芯片CMOS图像传感器。设计者力求使有关图像的应用更简洁实现多功能，包括自动增益把握（ AGC）、自动曝光把握（ AEC）、自动平稳（ AMB）、伽玛样正、背景补偿和自动黑电平校正。全部的彩色矩阵处理功能都集成在芯片中。 CMOS图像传感器答应片上的寄存器通过I2C 总线对摄像机编程，具有动态范畴宽、抗浮散且几乎没有拖影的优点。4CMOS-APS 的 潜 在 优 点 和 设 计 方 法4 1CMOS-APS 胜 过 CCD 图 像 传 感 器 的 潜 在 优 点CMOS APS 胜 过 CCD 图 像 传 感 器 的 潜 在 优 点 包 括 1 5 ： 1）排除了电荷反复转移的麻烦，免除了在辐射条件下电荷转移效率（ CTE）的退化和下降。2） 工 作 电 流 很 小 ， 可 以 防 止 单 一 振 动 和 信 号 闭 锁 。3）在集成电路芯片中可进行信号处理，因此可供应芯迹线，模/ 数转换的自调剂，也能提供由电压漂移引起的辐射调节。与 硅 探 测 器 有 关 ， 需 要 解 决 的 难 题 和 争 论 点 包 括 1 2：1 ） 在 体 材 料 界 面 由 于 辐 射 损 伤 而 产 生 的 暗 电 流 的 增 加 问 题 。2）包括动态范围损失的阈值漂移问题。3 ） 在 模 / 数 转 换 电 路 中 ， 定 时 和 控 制 中 的 信 号 闭 锁 和 单 一 扰 动 问 题 。4 2CMOS-APS的设计方法CMOS-APS的设计方法包括：1）为了 降低暗电流而 进行研制创新的 像素结构 。2）使用耐辐射的铸造方法，再研制和开发中等尺寸“dumb”（哑）成像仪（通过反复的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结开发正确像素结构）。3）研制在芯片上进行信号处理的器件，以适应自动调剂本身电压Vt的漂移和动态范畴的损失。4 ） 研 制 和 开 发 耐 辐 射 （ 单 一 扰 动 环 境 ） 的 定 时 和 控 制 装 置 。5）研制和加固耐辐射的模/数转换器。6）查找低温工作条件，以便在承担最大幅射强度时，找到并证明正确的工作温度。7 ） 研 制 和 开 发 大 尺 寸 、 全 数 字 化 、 耐 辐 射 的 CMOS-APS， 以 便 生 产 。8）测试、评价和鉴定该器件的性能。9 ） 引 入 当 代 最 高 水 平 的 组 合 式 光 学 通 信 /成 像 系 统 测 试 台 。5像素电路结构设计目前，已设计的CMOS图像传感器像素结构有：间隙积存二极管（HAD）型结构、光电二极管型无源像素结构、光电二极管型有源像素结构、对数变换积分电路型结构、掩埋电荷积存和敏捷晶体管阵列（BCAST）型结构、低压驱动掩埋光电二极管（LV BPD）型结构、深 P 阱光电二极管型结构、针型光电二极管（PPD）结构和光栅型有源像素结构等。5 1CMOSPPS像素结构设计光电二极管型 CMOS无源像素传感器（CMOS-PP）S 的结构自从 1967 年 Weckler 首次提出以来实质上始终没有变化，其结构如图1 所示。它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数，并减小KTC 噪声。当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。单管的 PD-CMOS-PPS答应在给定的像素尺寸下有最高的设计填充系数，或者在给定的设计填充系数下，可以设计出最小的像素尺寸。另外一个开关管也可以接受，以实现二维的 XY 寻址。由于填充系数高且没有许多CCD中多晶硅叠层， CMOS-PPS像素结构的量子效率较高。但是，由于传输线电容较大，CMO-SPPS 读出噪声较高，典型值为250 个均方根电子，这是致命的弱点。5 2CMOS-APS的像素结构设计可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结几乎在 CMOS-PPS像素结构制造的同时，科学家很快熟识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能。虽然CMOS图像传感器的成像装置将光子转换为电子的方法与CCD相同，但它不是时钟驱动，而是由晶体三极管作为电荷感应放大器。在一些CMOS图像传感器中，每组像素的顶端有一个放大器，每个像素只有一个作为阈值电流值开关的三极管。开关像素中的电荷为放大器充电，其过程类似DRAM中的读取电路，这种传感器被称为PPS。PPS 的结构很简洁，它具有高填充系数。各像元没有许多的多晶硅层掩盖，其量子效率很高 ， 但 是PPS的 读 取 干 扰 很 高 ， 只 适 应 于 小 阵 列 传 感 器 。在 CMOS-APS中每一像素内都有自己的放大器。 CMOS-APS的填充系数比 CMOS-PPS的小，集成在表面的放大晶体管削减了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使40 50的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好的实现。由于 CMOS-APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发，所以 CMOS-APS的功耗比 CCD图像传感器的仍小。与CMOS-PPS相比， CMOS APS的填充系数较小，其设计填充系数典型值为20 30，接近内线转换CCD的值。5 2 1光 敏二极 管CMOS-APS（ PD-CMOS-APS） 的 像 素结 构1968 年， Noble 描述了 PD-CMOS-AP。S 后来，这种像素结构有所改进。PD-CMOS-APS的像素结构如图 2 所示。高性能 CMOSAPS 由美国哥伦比亚高校电子工程系和喷气推动试验室（JPL）在1994 年首次研制成功，像素数为128× 128，像素尺寸为40 m×40 m，管芯尺寸为 6.8mm× 6.8mm，接受 1.2 mCMOS阱n 工艺试制，动态范畴为72dB, 固定图形噪声小于0.15 饱和信号水平。固定图形噪声小于0.15 饱和信号水平。 1997 年日本东芝公司研制成功了640可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结× 480 像素光敏二极管型CMOSAPS，其像素尺寸为5.6 m× 5.6 m, 具有彩色滤色膜和微透镜阵列。 2000 年美国 Foveon 公司与美国国家半导体公司接受0.18 mCMOS工艺研制成功 4096× 4096 像素 CMOSAPS10 ，像素尺寸为5 m× 5 m，管芯尺寸为22mm× 22mm，这是迄今为止世界上集成度最高、辨论率最高的CMOS固体摄像器件。有关CMOS APS 的 工 作 原 理 、 发 展 现 状 及 其 应 用 ， 笔 者 已 作 过 详 细 介 绍 6 8。由于光敏面没有多晶硅叠层，PD-CMOS-APS的量子效率较高，它的读出噪声由复位噪声限制，典型值为75 均方根电子 100 均方根电子。 PD-CMOS-APS的每个像素接受 3 个晶体管 ， 典 型 的 像 元 间 距 为 15 m。 PD-CMOS-APS适 宜 于 大 多 数 低 性 能 应 用 。522光 栅型CMOSAPSPG-CMOS-APS 的像素 结构1993 年由 JPL 最早研制成功PG-CMOS-APS并用于高性能科学成像的低光照明成像。PG-CMOS-APS结合了 CCD和 XY 寻址的优点，其结构如图3 所示。光栅信号电荷积分在光栅（PG）下，浮置扩散点（A）复位（电压为VDD），然后转变光栅脉冲，收集在光栅下的信号电荷转移到扩散点，复位电压水平与信号电压水平之差就是传感器的输出信号。当接受双层多晶硅工艺时，PG 与转移栅（ TX）之间要恰当交叠。在光栅与转移栅之间插入扩散桥，可以接受单层多晶硅工艺，这种扩散桥要引起大约100 个电子的拖影。光栅型 CMOSAPS 每个像素接受 5 个晶体管，典型的像素间距为20 m（最小特点尺寸）。接受 0.25 mCMOS工艺将答应达到5 m 的像素间距。浮置扩散电容的典型值为 10 14F 量级，产生20V/e 的增益，读出噪声一般为10 均方根电子 20 均方根电子，已有读出噪声为5均方根电子的报道。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结CMOS图像传感器的设计分为两大部分，即电路设计和工艺设计， CMOS图像传感器的性能好坏，不仅与材料、工艺有关，更重要的是取决于电路设计和工艺流程以及工艺参数设计。这对设计人员提出更高的要求，设计人员面要宽，在设计中，不但要懂电路、工艺、系统方面的学问，仍要有较深的理论学问。这个时代对设计者来说是一个令人兴奋和布满挑战的时代。运算机帮忙设计技术为设计者供应了极大的便利，但图像系统的用途以及目标用户的范畴由制造商准备。假如用户装有 Windows95 的系统，那么就要确定图像系统不是 Windows98 的。假如你只是为了猎取并储备大量的低辨论率图像，那就不要选择一个能够供应优质图像但同时会产生更多数据以致于无法储备的高辨论率图像传感器。现在仍存在许多非标准的接口系统。现在仅供数字相机所使用可装卸储备介质就包括PCMCIA卡、东芝（ Toshiba ）的速闪储备器及软磁盘。重要的是，要依据产品将来所在的工作环境，对样品进行细致的性能评估。53CCD和CMOS系统的设计CCD图像传感器和 CMOS图像传感器在设计上各不相同，对于CCD图像传感器，不能在同一芯片上集成所需的功能电路。因此，在设计时，除设计光敏捷部分（即CCD图像传感器）外，仍要考虑设计供应信号和图像处理的功能电路，即信号读出和处理电路，这些电路需要在另外的基片上制备好后才能组装在CCD图像传感器的外围。而CMOS图像传感器就不同，特殊是 CMOSAPS可以将全部的功能电路与光敏捷部分（光电二极管）同时集成在同一基片上，制作成高度集成化的单芯片摄像系统。与前者相比，成本低、制备简洁、体积小、微型化、功耗低，虽然开头有人认为光照灵敏度不如CCD图像传感器的高，并且暗电流和噪声比较大，近来由于改进了电路设计，接受亚微 M和深亚微 M光刻技术，使 CMOS 图像传感器的性能得到改善。已经具备与 CCD图像传感器进行竞争的条件， 21 世纪， CMOS 摄像器件将成为信息猎取与处理领域的佼佼者。到那时，单芯片摄像机和单芯片数码相机将进入千家万户。这些都得益于 CMOS APS 为人们供应了高度集成化的系统，如图 4 所示。图 5 示出 CMOS数码相机的框图，从中可见数码相机设计的复杂性。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结霍尔器件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已进展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛的应用。本文简要介绍其工作原理、产品特性及其典型应用。图 39 霍尔电流传感器在逆变器中的应用（CS 为霍尔电流传感器）图 40 霍尔电流传感器在UPS 中的应用（ 1、2、3 均为霍尔电流传感器）可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 41 霍尔电流传感器在电子点焊机中的应用3.2.12.3 在逆变器中的应用在逆变器中，用霍尔电流传感器进行接的故障检测、直接侧和沟通侧的模拟量传感，以保 证 逆 变 器 能 安 全 工 作 。 应 用 线 路 如 图39所 示 。3.2.12.4 在不间断电源中的应用如图 40 所示，霍尔电流传感器1 发出信号并进行反馈，以把握晶闸管的触发角，电流传感器 2 发出的信号把握逆变器，传感器3 把握浮充电源。用霍尔电流传感器进行把握，保证 逆 变 电 源 正 常工 作 。 由 于 其 响应 速 度 快 ， 特殊 适 用 于 计 算 机中 的 不 间 断 电 源。3.2.12.5 在电子点焊机中的应用在电子点焊机电源中，霍尔电流传感器起测量和把握作用。它的快速响应能再现电流、电压波形，将它们反馈到可控整流器A 、 B，可把握其输出。用斩波器给直流迭加上一个沟通，可更精确的把握电流。用霍尔电流传感器进行电流检测，既可测量电流的真正瞬时值，又不致引入损耗，如图41所示。3.2.12.6 用于电车斩波器的控制可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结电车中的调速是由调整电压实现的。将霍尔电流传感器和其它元件协作使用，并将传感器的全部信号输入把握系统，可确保电车正常工作。其把握原理示图 42 霍尔电流传感器在电车斩波器中的应用图 43 在变频调速电机中的应用（I， R，S， T 均为霍尔电流传感器）图 44 用于电能治理的霍尔电流传感器可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 45 霍尔接的故障检测器的原理和结构于图 42。图中， SCR1 是主串联晶闸管，SCR2 为帮忙晶闸管， Lo 、Co 组成输入滤波器，Ls 是平滑扼流圈， M1 M5 是霍尔电流传感器。3.2.12.7 在沟通变频调速电机中的应用用变频器来对沟通电机实施调速，在世界各发达国家已普遍使用，且有取代直流调速的趋势。用变频器把握电机实现调速，可节省10以上的电能。在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是爱惜昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间短于1s，因此，显现过载短路时，在晶全管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到牢靠的保护，如图43所示。3.2.12.8 用于电能管理图 44 给出一种用于电能治理的电流传感器的示意图。图中，12 是通电导线， 11 是导磁材料带， 17 是霍尔元件， 19 是霍尔元件的输入、输出引线。由此构成的电流传感器，可安装到配电线路上进行负载治理。霍尔器件的输出和运算机连接起来，对用电情形进行监 控，如发觉过载，便准时使受控的线路断开，保证用电设备的安全。用这种装置，也可进行负载分配及电网的遥控、遥测和巡检等。3.2.12.9 在接的故障检测中的应用可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在配电和各种用电设备中，牢靠的接的是保证配电和用电设备安全的重要措施。接受霍尔电流传感器来进行接的故障的自动监测，可保证用电安全。图45 示出一种霍尔接的故障监测装置。3.2.12.10 在电网无功功率自动补偿中的应用电力系统无功功率的自动补偿，是指补偿容量随负荷和电压波动而变化，准时精确的投入和切除电容器，防止补偿过程中显现过补偿和欠补偿的不合理和不经济，使电网的功率因数始终保持正确。无功功率的自动采样如用霍尔电流、电压传感器来进行，在保证“准时、精确 ”上具有显著的优点。由于它们的响应速度快，且无相位差，如图46 所示。图 46 电网无功功率自动补偿把握器的原理框图3.2.12.14霍尔钳形电流表将磁芯做成张合结构，在磁芯开口处放置霍尔器件，将环形磁芯夹在被测电流流过的导线外，即可测出其中流过的电流。这种钳形表既可测沟通也可测直流。图48 示出一种数字钳形交流电流表的线路。用 钳 形 表 可 对 各 种 供 电 和 用 电 设 备 进 行 随 机 电 流 检 测 。3.2.13 电功率测量使负载电压变换，令其与霍尔器件的工作电流成比例，将负载电流通入磁芯绕组中，作可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结为霍尔电流传感器的被测电流，即可构成霍尔功率计。由霍尔器件输出的霍尔电压来指示功率，其工作原理如图49所示。3.2.12.11在电力工频谐波分析仪中的应用在电力系统中，电网的谐波含量用电力工频谐波仪来进行测试。为了将被测电压和电流变换成适合运算机A/D 采样的电压，将各种电力工频谐波分析仪的取样装置，如电流互感器、电压互感器、电阻取样与光隔离耦合电路等和霍尔电流传感取样测试对比，结果说明霍尔电流传感器最为适用。对比结果如表8 所示。表 8 电力工频谐波分析仪中使用的3 种接口部件的比较（ LEM 模块是一种霍尔零磁通电流传感器）电阻取样与光耦隔离电CT 和 PT路LEM 模块线性度<0.5<0.1 频率范畴较窄0 30kHz0 100kHz可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结对各次谐波幅度有否衰减及衰减一样性有 ， 不 一无无致可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结有 ， 不 一很 小 ， 可 以 忽对各次谐波有否相移及相移一样性很小，可以忽视所需电源致不需要二组略一组帮忙电路无恒温电路无体积大大小重量重轻轻安装是否便利不便不便便利调试难易程度简洁较难简洁接口部件性能、特点3.2.12.12 在开关电源中的应用近代显现的开关电源，是将电网的非稳固的沟通电压变换成稳固的直流电压输出的功率变换装置。无论是电压把握型仍是电流控可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结制型开关电源，均接受脉冲宽度调制，借助驱动脉冲宽度与输出电压幅值之间存在的某种比例关系来保护恒压输出。其中，宽度变化的脉冲电压或电流的采样、传感等均需用电 流、电压传感器来完成。霍尔电流、电压传感器以其频带宽、响应时间快以及安装简便而成为首选的电流、电压传感器。3.2.12.13在大电流检测中的应用在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理（例如可控核聚变）试验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和把握，既可满足测量精确的要求，又不引入插入损耗，仍免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置。图47 示出一种用于 D D 托卡马克中的霍尔电流传感器装置。接受这种霍尔电流传感器，可检测高达到300kA 的电流。图 47（a）为 G10 安装结构，中心为电流汇流排，b为电缆型多霍尔探头，c为霍尔电压放大电路。aG10 安装结构 b电缆型多霍尔探头 c 霍尔电压放大电路图47 多霍尔探头大电流传感器可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 48 霍尔钳形数字电流表线路示意图图 49 霍尔功率计原理图a霍尔控制电b 霍尔磁场电路图 50 霍尔三相功率变送器中的霍尔乘法器路图 51 霍尔电度表功能框图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 52 霍尔隔离放大器的功能框图3.2.13.1 霍尔三相功率变送器利用霍尔器件的乘法器功能，仍可构成三相功率变送器，用以检测三相平稳或不平稳负载电路的三相有功功率和无功功率。图50 示出霍尔三相功率变送器的乘法器。将其霍尔电压经滤波、放大和输出变换后，将三相功率量变成直流电压和电流。直流电压可供应远动装置、巡检装置等，直流电流可供应近距离测量及外表等。三相功率变送器是实现电网自动化不可缺少的一个环节。3.2.13.2 构成电度表在前述功率计后加上V/f变换及分频计数，即可构成电度表，加上磁卡读出装置，可构成磁卡电度表。图51示出霍尔磁卡电度表的功能框图。以霍尔器件为功率指示器，仍可构成各种各样的功能电表，在这些电表中加入一些功能电路可构成例如带绝缘缺陷检测的电度表，窃电检测电度表等。以霍尔器件的基本功能为基础，仍可能集成多功能家用电表，可同时显示电流、电压，用电度数及电费、功率因数 、 谐 波 电 压 等 等 。 霍 尔 电 度 表 可 能 成 为 最 佳 的 智 能 电 度 表 之 一 。3.2.14 霍尔隔离放大器霍尔隔离放大器的原理框图示于图52，是以霍尔元件为中心，构成一个自平稳弱电流比较仪，用以取代变压器耦合隔离放大器中的调制、解调系统，使线路简化。仔细调整电流比较仪的电路，将放大器的频带大大展宽，使之可达DC 2MHz ，而且保持了磁耦合隔离可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结放大器的增益精度和光耦合隔离放大器的线性度，是一种高精度宽频带的隔离放大器。隔离放大器在空间技术、运算机技术、医疗和仪器外表中有特殊重要的应用。南京中旭微电子有限公司已批量生产这种产品。3.2.15 用作电磁隔离耦合器用霍尔电流传感器的工作原理，可做成电磁耦合器。用初级线圈的电流把握霍尔器件的输出，用这个输出信号把握其它的电路，既收到隔离的成效，又达到耦合的目的。用这种电 路 可 做 成 霍 尔 继 电 器 、 过 载 保 护 器 、 通 信 线 路 的 保 护 开 关 等 等 。这 种 电 磁 耦 合 器 既 可 做 成 开 关 式 ， 也 可 做 成 模 拟 量 输 出 式 。此外，用霍尔器件仍可检测异步电机的转差率和转速。测量磁性材料的磁化强度、各向异性、旋转损耗和时间效应。测量直流电机的电磁力矩等等。仍可和热磁材料组合起来，构成热磁开关。霍尔器件已实现的各种应用如表9 所列。CMOS图像传感器的前途是光明的，随着多媒体、数字电视、可视通讯等市场的增加，CMOS 图像传感器的应用前景更加宽敞。PS 为 MIS/CCD 图像传感器设计供应了另一选择方案，它把电荷转换成电压所需的晶体管装在每个像素内。在这种器件内均不必进行电荷转移，由于数据读取是在单个像素内完成的。与CCD 图像传感器相比，这种器件有很成熟的 CMOS 集成电路工艺，在降低成本方面有潜力。预期在许多非科学应用领域内将最终替代CCD 图像传感器。可编辑资料 - - - 欢迎下载