图像传感器模数转换器 图像传感器模数转换器是图像传感器中将每个像素的模拟光信号转换为数字信号的关键部件。 第一步：理解模拟信号与数字信号的基本区别 在图像传感器中，当光线通过微透镜和彩色滤光片阵列到达光电二极管时，会产生与光强成正比的电荷。这些电荷经过放大后形成的电压信号是模拟信号——其特点是幅度随时间连续变化，可以呈现无限多个可能的数值。然而，数字电路和计算机系统只能处理离散的二进制数字信号。因此，模数转换器（ADC）的作用就是将每个像素点的连续电压值，转换为一个有限位数的二进制数字代码，以便进行后续的数字信号处理和存储。 第二步：认识模数转换在图像捕捉流程中的位置 模数转换发生在像素信号链的特定环节。一个典型的信号流是：入射光 → 光电二极管产生电荷 → 电荷积分 → 复位噪声相关双采样 → 可编程增益放大器（PGA）→ 模数转换器（ADC）→ 数字信号处理。ADC是模拟域和数字域的分界点。在CMOS图像传感器中，ADC的集成位置主要有两种架构：一种是芯片级ADC，即整个传感器共享一个或少数几个高速ADC；另一种是列级ADC，即传感器阵列的每一列都拥有一个独立的ADC，可以并行工作，显著提高读取速度。 第三步：掌握模数转换的核心过程——量化和编码 模数转换包含两个核心操作：量化和编码。量化是将连续的模拟电压范围划分成有限数量的离散电平。这些电平的数量由ADC的位数决定。例如，一个10位ADC可以将模拟电压范围划分为 2¹⁰ = 1024 个不同的量化电平。编码则是为每一个量化电平分配一个唯一的二进制代码。转换完成后，原本连续的电压信号就被表示为一串离散的数字值，每个值对应一个像素的亮度信息。 第四步：了解模数转换器的主要类型及其在图像传感器中的应用 图像传感器中常用的ADC类型包括： 逐次逼近寄存器（SAR）ADC ：它采用二分搜索策略，从最高有效位（MSB）开始，逐步比较输入电压与内部数模转换器（DAC）产生的电压，逐位确定数字输出。SAR ADC在精度和功耗之间具有良好的平衡，是列级ADC的常见选择。 单斜率（Single-Slope）ADC ：它使用一个斜坡发生器产生一个线性上升的参考电压，并将其与像素输出电压进行比较。同时，一个计数器开始计数。当参考电压等于像素电压时，比较器翻转，计数器的值即为数字输出值。这种ADC结构简单，但转换速度相对较慢，通常需要通过多路复用等方式提高整体效率。 Δ-Σ（Delta-Sigma）ADC ：它采用过采样和噪声整形技术，能够实现高分辨率和优异的线性度，但转换速度较慢，通常用于对速度要求不高但追求极高图像质量的科学或医疗成像领域。 第五步：探究模数转换器性能参数对图像质量的影响 ADC的性能直接决定了最终数字图像的质量： 分辨率（位数） ：决定了图像能够表现的灰度层次。位数越高，动态范围越大，色彩和亮度过渡越平滑，图像细节越丰富。常见的图像传感器ADC位数为10位、12位甚至14位。 转换速度 ：决定了传感器能够达到的帧率。在列级ADC架构中，由于并行处理，即使单个ADC速度不高，整体读出速度也很快。 微分非线性（DNL）和积分非线性（INL） ：DNL表示ADC实际步进与理想步进之间的差异，严重的DNL会导致图像出现缺失的代码或亮度等级。INL表示ADC整体传输函数与理想直线的偏差，会影响图像的几何保真度和色彩准确性。 信噪比（SNR） ：ADC在转换过程中会引入量化噪声，其信噪比理论上限约为（6.02N + 1.76）dB，其中N为位数。高性能的ADC会尽可能接近这一理论值。