CMOS图像传感器的像素结构目前主要有无源像素图像传感器(Passive Pixel Sensor，PPS)和有源像素图像传感器(Active Pixel Sensor，APS)两种，如图1所示。由于PPS信噪比低、成像质量差，所以目前绝大多数CMOS图像传感器采用的是APS结构。APS结构的像素内部包含一个有源器件。由于该放大器在像素内部具有放大和缓冲功能，具有良好的消噪功能，且电荷不需要像CCD器件那样经过远距离移位到达输出放大器，因此避免了所有与电荷转移有关的CCD器件的缺陷。

图1 CMOS的两种像素结构

由于每个放大器仅在读出期间被激发，所以将经光电转换后的信号在像素内放大，然后用X-Y地址方式读出，提高了固体图像传感器的灵敏度。APS像素单元有放大器，它不受电荷转移效率的限制，速度快，图像质量较PPS得到了明显地改善。但是与PPS相比，APS的像素尺寸较大、填充系数小，所设计的填充系数典型值为0.2～0.3。

一个典型的CMOS图像传感器的总体结构如图2所示。在同一芯片上集成有模拟信号处理电路、I(2)C控制接口、曝光/白平衡控制、视频时序产生电路、数字转换电路、行选择、列选择及放大和光敏单元阵列。芯片上的模拟信号处理电路主要执行相关双采样(CorrelatedDouble Sampling，CDS)功能。芯片上的A/D转换器可以分为像素级、列级和芯片级几种情况，即每一个像素有一个A/D转换器，每一个列像素有一个A/D转换器，或者每一个感光阵列有一个A/D转换器。由于受芯片尺寸的限制，所以像素级的A/D转换器不易实现。CMOS片内部提供了一系列控制寄存器，通过总线编程(如Pc总线)来对自增益、自动曝光、白色平衡、/校正等功能进行控制，编程简单、控制灵活。直接输出的数字图像信号可以很方便地与后续处理电路接口，供数字信号处理器对其进行处理。

图2 CMOS芯片组成方框图