图像传感器双增益放大器 图像传感器双增益放大器是一种用于扩展图像传感器动态范围的关键电路模块。我们先从核心概念讲起。 步骤1：理解动态范围的挑战 图像传感器的动态范围，定义为它能同时捕捉的最亮和最暗光信号之比。但在拍摄高对比度场景时，一个主要矛盾出现：为了清晰地捕捉暗部细节，需要高增益来放大微弱信号；但一旦增益设高，画面中稍微亮一点的区域就会因信号过强而溢出（过曝），变成一片死白。传统的单一增益放大器难以兼顾暗部细节和亮部层次。 步骤2：双增益放大器的基本工作模式 为解决这一矛盾，双增益放大器应运而生。它的核心思想是：在同一帧曝光时间内，为每个像素点提供 两条并行的信号通路 。 高增益通路 ：此通路增益设置较高（例如16倍），对微弱的光电信号（来自暗部）进行大幅放大，使其能清晰地在模拟-数字转换器（ADC）的量化范围内被分辨和数字化，从而完美保留暗部细节和纹理。 低增益通路 ：此通路增益设置较低（例如1倍），对强烈的光电信号（来自亮部）进行小幅放大或直接传输。这确保了即使光线很强，信号也不会过早地在ADC之前就达到饱和上限，从而保留了亮部的层次和细节。 步骤3：像素级实现与信号读出 在物理上，双增益放大器通常集成在像素阵列的列级读出电路中。具体流程如下： 曝光与积分 ：像素的光电二极管将光线转换为电荷并积累。 并行放大 ：积累的电荷被同时（或在极短时间内先后）送入两条独立的放大器电路——高增益放大器和低增益放大器。 分别转换 ：两条通路放大后的模拟电压信号，被 同一个或两个独立的ADC 转换为数字信号。 信号合成 ：后端处理电路（通常位于图像信号处理器ISP中）收到每个像素的两个数字值：一个来自高增益通路（暗部细节好但亮部已饱和），一个来自低增益通路（亮部细节好但暗部信噪比低）。处理器根据预设算法（例如，比较两个值，选择未饱和的那个；或对两个值进行加权融合）为每个像素合成 一个最终的、具有宽动态范围的像素值 。 步骤4：技术优势与效果 通过这种机制，双增益放大器有效实现了： 扩展动态范围 ：在不改变光电二极管满阱容量的情况下，通过电路方式显著提升了传感器可记录的光强范围。这可以视为在同一个曝光瞬间捕捉了“两幅”不同曝光的图像并合二为一。 提升信噪比 ：在暗光环境下，使用高增益通路提升了信号幅度，使其更显著地高于读出噪声，从而改善了暗部画面的信噪比和可用性。 实现高动态范围成像 ：它是实现单次曝光HDR成像的主流技术方案之一（另一种方案是多次曝光合成），能有效减少运动拖影，更适合拍摄动态场景。 步骤5：应用与演进 双增益放大器技术已广泛应用于现代智能手机、数码相机和工业相机的CMOS图像传感器中。其高级演进包括： 双转换增益像素 ：在电荷转移到浮动扩散节点之前就通过切换电容来改变转换增益，与后续的列级放大器配合，进一步优化噪声和动态范围性能。 交织HDR ：与多帧曝光技术结合，实现更极端的动态范围捕捉。