深入解析KAI - 2020：高性能图像传感器的卓越之选

在电子科技飞速发展的今天，图像传感器作为关键组件，广泛应用于医疗、科学和机器视觉等众多领域。ON Semiconductor推出的KAI - 2020图像传感器，凭借其出色的性能和丰富的功能，成为了众多工程师的理想之选。本文将深入剖析KAI - 2020的各项特性，为电子工程师在设计中提供全面的参考。

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一、KAI - 2020概述

KAI - 2020是一款高性能的200万像素传感器，专为医疗、科学和机器视觉等应用而设计。其7.4μm的方形像素搭配微透镜，具备高灵敏度，大满阱容量则带来了高动态范围。此外，该传感器还拥有多种特性，如可选择单输出或双输出模式，提供不同的帧率，具备快速行转储功能以实现更高帧率的子采样，垂直溢出排水结构提供抗晕光保护和电子快门功能，以及低暗电流、可忽略的拖影和低 smear 等优点。

1. 主要规格参数

参数	典型值
架构	行间转移 CCD，逐行扫描
总像素数	1640 (H) x 1214 (V)
有效像素数	1608 (H) x 1208 (V)
有源像素数	1600 (H) x 1200 (V)
像素尺寸	7.4 μm (H) × 7.4 μm (V)
有源图像尺寸	11.84 mm(H) x 8.88 mm(V)，14.80 mm (对角线)
宽高比	4:3
输出数量	1 或 2
饱和信号（40 MHz）	20,000 e -
饱和信号（20 MHz）	40,000 e -
输出灵敏度	30 μV/e -
量子效率（不同波段）	多种数值，如 - ABA (460 nm) 为 55% 等
读出噪声（40 MHz）	20 电子
读出噪声（20 MHz）	16 电子
动态范围（40 MHz）	60 dB
动态范围（20 MHz）	68 dB
暗电流	< 0.5 nA/cm²
最大像素时钟速度	40 MHz
最大帧率（双输出）	35 fps
最大帧率（单输出）	18 fps
封装类型	32 引脚陶瓷双列直插封装（CerDIP）
封装尺寸	0.790" [20.07 mm] 宽，1.300" [33.02 mm] 长
封装引脚间距	0.070"
覆盖玻璃	AR 涂层（双面）或透明玻璃

二、架构与工作原理

1. 传感器架构

KAI - 2020的传感器架构包含2行遮光行、1208行光敏行和4行遮光行。在单输出模式下，所有像素从传感器左下角的Video L输出；在双输出模式下，水平CCD的右半部分时钟反转，图像的左半部分从Video L输出，右半部分从Video R输出。

2. 像素架构

当入射光子落在传感器平面上时，会在单个硅光电二极管内产生电子 - 空穴对，形成图像的电子表示。这些光电子在每个像素点通过形成势阱进行局部收集。在光电二极管饱和之前，每个像素收集的光电子数量与光照水平和曝光时间呈线性关系，与波长呈非线性关系。当光电二极管达到电荷容量时，多余的电子会排放到基板中以防止晕光。

3. 垂直到水平转移

当V1和V2定时输入脉冲时，VCCD中每个像素的电荷会向HCCD移动一行，最后一行会移入HCCD。在VCCD移动时，HCCD的定时信号必须停止，H1保持高电平，H2保持低电平。HCCD时钟可在V1和V2脉冲下降沿THD s后开始。如果在垂直到水平转移期间，快速行转储保持高电平（FDH），则整行电荷将被移除，不会转移到水平寄存器。

4. 水平寄存器到浮动扩散架构

HCCD共有1648个像素，1640个垂直移位寄存器（列）会移入HCCD的中心1640个像素中。HCCD两端各有4个像素不接收垂直移位寄存器的电荷。HCCD的前4个时钟周期为空像素，接下来的16个时钟周期包含VCCD和光电二极管中暗电流产生的电子，中间的1608个时钟周期包含光电子（图像数据），最后16个时钟周期同样包含暗电流产生的电子。在确定零信号电平时，应使用16列暗参考中的中间14列。

5. 水平寄存器分割

• 单输出操作：在单输出模式下，图像传感器的所有像素从Video L输出（引脚31）。为节省功率和降低热量产生，可将Video R的输出放大器关闭，将VDDR（引脚24）和VOUTR（引脚24）连接到地（零伏）。
• 双输出操作：在双输出模式下，H1BR和H2BR引脚的连接与单输出模式相反，以改变右侧水平移位寄存器的电荷转移方向。VDDL和VDDR（引脚25、24）应连接到15 V。

三、输出特性

1. 输出架构

水平寄存器中的电荷包逐个像素地倾倒到浮动扩散（FD）输出节点，其电位与每个电荷包中的电荷量呈线性变化。通过三级源极跟随放大器将信号电压缓冲到芯片外，增益略小于1。输出灵敏度或电荷到电压转换以微伏每电子（μV / e -）量化了从电荷域到电压域的转换。信号采样后，复位时钟（R）将电荷从浮动扩散中移除，并将其电位重置为复位漏极电压（RD）。

2. 输出放大器性能

在合并或求和隔行模式下，输出信号中的电子数可能超过20,000 e -。该图像传感器的输出设计为30 μV/e -的电荷到电压转换，意味着20,000电子的满信号将在输出放大器上产生600 mV的变化。输出放大器设计为在40 MHz的像素速率下处理600 mV的输出摆幅。如果在合并或求和隔行模式下产生40,000电子的电荷包，输出放大器的输出将需要摆动1200 mV，但该放大器在40 MHz时没有足够的带宽（压摆率）来处理，因此如果需要40,000电子的全动态范围，像素速率必须降低到20 MHz。

输出放大器的电荷处理能力还由复位时钟电压电平决定。使用5 V幅度的复位时钟驱动电路非常简单，但5 V幅度将输出放大器的电荷容量限制为20,000电子。如果需要40,000电子的全动态范围，则复位时钟幅度必须增加到7 V。

3. 输出放大器操作总结

像素频率（MHz）	复位时钟幅度（V）	输出门（V）	饱和信号（mV）	饱和信号（Ke -）	动态范围（dB）	备注
40	5	-2.0	600	20	60
20	5	-2.0	600	20	62
20	7	-3	1200	40	68
20	7	-3	2400	80	74	80,000电子可在求和隔行或合并模式下实现

四、ESD保护

KAI - 2020的ESD保护采用双极晶体管实现。基板（VSUB）构成所有ESD保护晶体管的公共集电极，ESD引脚是所有ESD保护晶体管的公共基极。每个受保护的引脚连接到一个单独的发射极。当基极 - 发射极结电压超过17 V时，ESD电路开启。在操作图像传感器时，特别是在电源开启序列期间，必须注意不要使基极 - 发射极或基极 - 集电极结正向偏置。如果相机电源开启序列可能使这些结正向偏置，则应添加二极管D1和D2来保护图像传感器。

五、物理描述

1. 引脚描述

KAI - 2020采用32引脚陶瓷双列直插封装，引脚间距为0.07”。各引脚具有不同的功能，如复位门、时钟信号、输出门、复位漏极等。

2. 封装尺寸

封装尺寸为0.790" [20.07 mm] 宽，1.300" [33.02 mm] 长。

六、成像性能

1. 典型操作条件

成像性能规格通常在特定条件下测量，如帧时间为237 ms，水平时钟频率为10 MHz，光源为连续红、绿、蓝LED（中心波长分别为450、530和650 nm），采用标称工作电压和定时。

2. 性能规格

包括全局均匀性、PRNU、最大输出增益差异、垂直CCD电荷容量、光电二极管电荷容量、量子效率、暗电流、图像拖影、动态范围等多项性能指标。不同配置（如KAI - 2020 - ABA、KAI - 2020 - FBA、KAI - 2020 - CBA）的量子效率在不同波长下有所不同。

七、典型性能曲线

1. 量子效率

包括单色带微透镜、单色不带微透镜、彩色（Bayer RGB）带微透镜等不同情况下的量子效率曲线。

2. 角量子效率

分别展示了水平和垂直方向上的角量子效率曲线。

3. 暗电流与温度关系

显示了暗电流随温度的变化曲线。

4. 功率估计

给出了功率估计曲线。

5. 帧率

展示了帧率相关曲线。

八、缺陷定义与测试

1. 缺陷定义

包括主要暗场缺陷像素、主要亮场缺陷像素、次要暗场缺陷像素、死像素、饱和像素、簇缺陷和列缺陷等的定义和最大允许数量。

2. 测试定义

• 测试感兴趣区域：包括有源区域ROI（像素 (1, 1) 到像素 (1600, 1200)）和中心100×100 ROI（像素 (750, 550) 到像素 (849, 649)）。
• 测试项目：包括暗场中心非均匀性、暗场全局均匀性、全局均匀性、全局峰 - 峰非均匀性、中心均匀性、暗场缺陷测试和亮场缺陷测试等。

九、操作条件

1. 绝对最大额定值

包括温度（-50°C 至 70°C）、湿度（5% 至 90%）、输出偏置电流（0.0 至 10 mA）和片外负载（10 pF）等限制。

2. 引脚间最大电压额定值

不同引脚之间的电压范围有明确规定。

3. DC偏置操作条件

针对不同的电子数要求，给出了输出门、复位漏极、输出放大器电源、接地、基板、ESD保护和输出放大器返回等的电压范围。

4. AC操作条件

规定了垂直CCD时钟、水平CCD时钟、复位时钟、电子快门电压和快速转储等的时钟电平。

十、时序

1. 时序要求和特性

包括HCCD延迟、VCCD转移时间、光电二极管转移时间、VCCD基座时间、VCCD延迟、复位脉冲时间、快门脉冲时间、快门脉冲延迟、HCCD时钟周期、VCCD上升/下降时间、快速转储门延迟和垂直时钟边缘对齐等参数。

2. 时序模式

• 逐行扫描：图像传感器中的每个像素同时读出，每个电荷包同时从光电二极管转移到相邻的垂直CCD移位寄存器。最大有用信号输出受光电二极管电荷容量限制为40,000电子。
• 帧时序：包括无合并的逐行扫描帧时序、垂直合并2倍的逐行扫描帧时序等。
• 行时序：包括单输出逐行扫描行时序、双输出逐行扫描行时序、垂直合并2倍的逐行扫描行时序等。
• 像素时序：展示了像素时序和像素时序细节。
• 快速行转储时序：说明了快速行转储的时序。
• 电子快门：电子快门通过对基板电压进行短脉冲操作，实现精确控制图像曝光时间的功能。当SUB电压为8 V时，光电二极管达到最大电荷容量；当SUB电压高于8 V时，电荷容量减小；当SUB电压达到48 V时，电荷容量为零。因此，一个峰值幅度大于48 V的短脉冲可以清空所有光电二极管，实现电子快门功能。

十一、存储和处理

1. 存储条件

存储温度范围为 -55°C 至 80°C，湿度范围为 5% 至 90%。长期暴露在高温下会加速彩色滤光片的降解，过高的湿度会降低平均无故障时间（MTTF）。

2. 相关信息获取

可从ON Semiconductor网站下载关于ESD和覆盖玻璃护理、环境暴露、焊接建议、质量和可靠性、设备编号和订购代码以及销售条款和条件等方面的应用笔记和手册。

十二、机械图纸

提供了KAI - 2020的完成组件（包括有和无覆盖玻璃）、覆盖玻璃的图纸，以及玻璃的透射率曲线。

KAI - 2020图像传感器以其卓越的性能和丰富的功能，为电子工程师在设计医疗、科学和机器视觉等应用时提供了强大的支持。在实际设计中，工程师需要根据具体需求，合理选择工作模式和参数，以充分发挥该传感器的优势。你在使用KAI - 2020的过程中，是否遇到过一些独特的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。