onsemi VITA 2000：2.3 MP 92 fps 全局快门 CMOS 图像传感器的技术解析

在图像传感器领域，onsemi 的 VITA 2000 是一款引人注目的产品。它凭借其出色的性能和丰富的功能，在机器视觉、运动监测、安全监控以及条形码扫描等众多应用场景中展现出巨大的潜力。下面，让我们深入了解一下这款传感器的详细信息。

文件下载：NOIV1SN2000A-D.PDF

一、产品概述

VITA 2000 是一款 2/3 英寸宽屏超扩展图形阵列（WUXGA）CMOS 图像传感器，可配置为 HD 格式（1920 x 1080）或 4:3 格式（1600 X 1200）。它采用了高灵敏度的 4.8μm x 4.8μm 像素，支持流水线和触发式全局快门读出模式，同时也能在低噪声滚动快门模式下工作。该传感器具备片上可编程增益放大器和 10 位 A/D 转换器，能够灵活调整积分时间和增益参数，且不会产生可见的图像伪影。此外，它还提供了自动曝光控制（AEC）功能，可动态控制这些参数。

二、关键特性

2.1 分辨率与帧率

• 高分辨率：拥有 WUXGA 分辨率（1920 (H) x 1200 (V)），能够提供清晰、细腻的图像。
• 高帧率：在全分辨率下，LVDS 接口版本可达 92 帧/秒，CMOS 接口版本可达 23 帧/秒，满足高速图像采集的需求。

2.2 像素与光学特性

• 像素尺寸：4.8μm x 4.8μm 的像素尺寸，保证了较高的灵敏度和图像质量。
• 光学格式：2/3 英寸光学格式，适用于多种光学系统。

2.3 输出模式与接口

• 输出模式：支持 8 位或 10 位输出模式，可根据实际需求进行选择。
• 接口类型：提供四种 LVDS 串行输出或并行 CMOS 输出，方便与不同的系统进行连接。

2.4 其他特性

• 可编程区域感兴趣（ROI）读出：支持随机可编程的 ROI 读出，可提高帧率和数据处理效率。
• 全局快门与滚动快门：具备流水线和触发式全局快门以及滚动快门模式，满足不同的应用场景。
• 片上固定模式噪声（FPN）校正：有效减少图像中的固定模式噪声，提高图像质量。
• 自动曝光控制（AEC）：自动调节曝光参数，确保图像的亮度均匀。
• 高动态范围（HDR）：能够在不同光照条件下捕捉到更多的细节。

三、技术规格

3.1 一般规格

参数	规格
像素类型	全局快门像素架构
快门类型	流水线和触发式全局快门，滚动快门
全分辨率帧率	V1 - SN/SE: 92 fps；V2 - SN/SE: 23 fps
主时钟	V1 - SN/SE: 使用 PLL 时为 62 MHz，不使用 PLL 时为 310 MHz (10 位) / 248 MHz (8 位)；V2 - SN/SE: 62 MHz
开窗功能	8 个随机可编程窗口，支持正常、子采样和合并读出模式
ADC 分辨率	10 位，8 位
LVDS 输出	V1 - SN/SE: 4 个数据 + 同步 + 时钟
CMOS 输出	V2 - SN/SE: 10 位并行输出，帧有效、行有效、时钟
数据速率	V1 - SN/SE: 4 x 620 Mbps (10 位)；4 x 496 Mbps (8 位)；V2 - SN/SE: 62 MHz
功耗	V1 - SN/SE 在 10 位模式下为 520 mW；V2 - SN/SE 为 385 mW
封装类型	52 引脚 LCC

3.2 光电规格

参数	规格
有效像素	全分辨率: 1920 (H) x 1200 (V)
像素尺寸	4.8μm x 4.8μm
光学格式	2/3 英寸
转换增益	0.072 LSB10/e-；85 μV/e-
暗噪声	全局快门模式下为 2.2 LSB10，30e-；滚动快门模式下为 0.9 LSB10，14e-
550 nm 处的响应度	24 LSB10/nJ/cm²，4.6V/lux.s
寄生光灵敏度（PLS）	<1/450
满阱电荷	13700 e-
量子效率	550 nm 处为 53%
像素 FPN	滚动快门模式下为 0.5 LSB10；全局快门模式下为 1.0 LSB10
PRNU	< 2% of signal
MTF	60% @ 630 nm - X 方向和 Y 方向
PSNL @ 25°C	100 LSB10/s，1360 e-/s
暗信号 @ 25°C	4.5 e-/s，0.33 LSB10/s
动态范围	滚动快门模式下为 60 dB；全局快门模式下为 53 dB
信噪比（SNR max）	41 dB

四、工作模式

4.1 全局快门模式

• 流水线全局快门：在这种模式下，积分和读出可以并行进行，实现连续的图像采集。它分为主模式和从模式，主模式下传感器可自主进行积分和读出，从模式则可通过外部引脚控制曝光时间。
• 触发式全局快门：需要手动干预来控制积分时间和读出开始。同样分为主模式和从模式，主模式通过同步引脚的上升沿触发积分和读出，从模式则由外部同步引脚控制积分开始。

4.2 滚动快门模式

滚动快门模式采用电子滚动快门机制，类似于视频流模式。传感器通过片上时序逻辑控制，每行依次进行复位和读出，曝光时间为复位和读出之间的时间间隔。在这种模式下，可通过相关双采样（CDS）技术校正像素固定模式噪声，降低时间噪声水平。

五、传感器操作

5.1 传感器状态

传感器具有六种不同的状态，按功耗从低到高依次为：关机、低功耗待机、待机（1）、待机（2）、空闲和运行。不同状态下，传感器的内部模块和时钟状态不同，可根据实际需求进行切换。

5.2 用户操作

• 上电序列：上电时，应先启动 vdd_18 电源，然后依次启动 vdd_33 和 vdd_pix 电源。待电源稳定后，启动时钟输入，稳定时钟频率后，释放复位信号。经过 10 μs 的等待时间，上电序列完成，可进行首次 SPI 上传。
• 时钟管理：包括启用时钟管理的两个部分，需要按照特定的顺序上传 SPI 寄存器，以配置时钟管理块和激活时钟生成与分配电路。
• 寄存器上传：需要上传一些必要的寄存器设置，以确保传感器正常工作。
• 软上电：通过一系列 SPI 上传，启用内部模块，准备开始处理图像数据流。
• 启用序列器：通过上传寄存器，启用帧抓取序列器，传感器开始在配置的操作模式下抓取图像。
• 断电序列：断电时，应确保传感器在时钟输入停止运行之前处于复位状态，然后按照 vdd_pix、vdd_33、vdd_18 的顺序降低电源电压，避免产生高峰值电流。

六、数据输出格式

6.1 V1 - SN/SE: LVDS 接口版本

• LVDS 输出通道：图像数据通过四个 LVDS 数据通道输出，同时提供一个同步 LVDS 通道和一个 LVDS 输出时钟信号，用于数据同步。
• 8 位/10 位模式：支持 8 位或 10 位模式，不同模式下数据字长度和输出数据速率不同。
• 帧格式：帧读取按行进行，同步通道发送帧同步代码，用于指示图像数据的相关信息。

6.2 V2 - SN/SE: CMOS 接口版本

• CMOS 输出信号：图像数据通过一个 10 位并行 CMOS 数据输出，同时提供 CMOS 时钟输出、帧有效和行有效信号，用于同步输出数据。
• 8 位/10 位模式：不支持 8 位模式。
• 帧格式：通过帧有效和行有效信号指示帧时序，数据通道在每行结束后发送计算得到的 CRC 代码。

七、寄存器映射

文档中详细列出了寄存器映射表，涵盖了芯片 ID、复位生成器、PLL、IO、时钟生成器等多个模块的寄存器信息，包括寄存器地址、位域、默认值和描述等。这些寄存器可用于配置传感器的各种参数和功能。

八、应用场景

VITA 2000 适用于多种应用场景，如机器视觉、运动监测、安全监控和条形码扫描（2D）等。其高分辨率、高帧率和丰富的功能能够满足这些应用对图像质量和采集速度的要求。

九、总结

onsemi 的 VITA 2000 图像传感器凭借其出色的性能、丰富的功能和灵活的配置选项，为电子工程师在图像采集和处理领域提供了一个强大的工具。在实际应用中，工程师可以根据具体需求选择合适的工作模式和配置参数，以实现最佳的图像采集效果。同时，需要注意传感器的上电和断电序列，以及寄存器的正确配置，以确保传感器的正常工作。你在使用 VITA 2000 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。