互补金属氧化物半导体图像传感器像素放大器 基本概念与作用 ：在互补金属氧化物半导体图像传感器中，每个像素的核心功能是将入射光信号转换为电信号。 像素放大器 是集成在每个像素内部或紧邻像素的一个微型晶体管电路。它的主要作用是 立即放大 由像素光电二极管产生的、通常极其微弱的信号电荷（或电压），然后再将此信号送出像素进行后续处理。这一步初始放大至关重要，因为它能提升信号强度，使其在后续读出和传输过程中更能抵抗电路噪声的干扰，从而提高图像的信噪比和整体质量。 结构与工作位置 ：像素放大器并非一个独立器件，而是由1个或多个MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）构成。在最常见的有源像素传感器结构中，它特指 源极跟随器 电路。这个电路通常包含一个作为放大管的驱动晶体管。它直接与光电二极管的电荷转换节点（浮动扩散区）相连接。其位置处于像素内部，介于光电转换节点和像素的选择开关（用于将信号输出到列总线）之间，构成了“光电二极管-电荷转电压-源极跟随器放大-选择输出”的关键信号路径。 工作原理（源极跟随器） ：当光电二极管积累的电荷被转移到浮动扩散区后，会在该节点产生一个电压变化。这个电压直接加在源极跟随器放大管的栅极上。源极跟随器的作用是 电压缓冲与放大 ：其源极的输出电压会紧密跟随栅极电压的变化，但电流驱动能力大大增强。虽然电压增益略小于1（通常为0.8-0.9），但它成功地将一个高阻抗、易受干扰的节点（浮动扩散区）的信号，转换成了一个低阻抗、驱动能力强的输出信号，有效隔离了后续读出电路对敏感信号节点的干扰，实现了功率增益。 关键性能参数 ： 转换增益 ：指单位信号电荷（通常以电子数e-计）在像素放大器输出端所产生的电压变化量（μV/e-）。它决定了信号放大的“灵敏度”。高转换增益有利于检测微弱信号，但会降低像素能容纳的最大信号量（满阱容量）。 噪声 ：像素放大器本身会引入噪声，主要是 热噪声 和 1/f噪声 。这些噪声会直接叠加在图像信号上，尤其是在低光照条件下，成为制约图像传感器灵敏度的主要因素之一。优化晶体管的尺寸和工艺是降低放大器噪声的关键。 线性度 ：指放大器输出电压与输入信号（电荷量）之间的比例关系是否理想。良好的线性度确保图像亮度的真实还原，避免出现信号失真。 技术演进与变体 ： 早期与基础形态 ：即上述的三晶体管（3T）或四晶体管（4T）有源像素传感器中的源极跟随器，是应用最广泛的结构。 增益可调像素放大器 ：为了扩展动态范围，一些设计采用更复杂的放大器电路，使其增益可以根据入射光强度进行切换。在弱光下使用高增益放大微弱信号，在强光下切换到低增益防止饱和。 数字像素传感器 ：这是最前沿的发展之一。在这种架构中，像素内部集成了模数转换器。此处的“像素放大器”概念被拓展或部分替代，可能包含一个 比较器 或 多位ADC电路 ，直接在像素内将模拟信号转换为数字信号，从而极大提升了读出速度并降低了列并行读出的噪声。