互补金属氧化物半导体图像传感器相关双采样 第一步：认识CMOS图像传感器中的噪声来源 在CMOS图像传感器的每个像素中，主要存在两种固有的电学噪声： 复位噪声（KTC噪声） ：这是最主要的噪声来源。当像素内的感光二极管（光电二极管）或浮动扩散节点（用于收集和转换电荷的电容节点）在每次曝光前被复位到一个参考电压（如电源电压VDD）时，由于复位开关的热噪声，每次复位后该节点的实际电压会在一个期望值附近随机波动。这种噪声的功率与节点的电容（C）和绝对温度（T）成正比，因此得名KTC噪声。 固定模式噪声（FPN） ：由于制造工艺的微小差异，不同像素的晶体管（如源极跟随器）的阈值电压、增益等参数会有微小偏差，导致即使接收相同的光照，不同像素输出的基线信号也不一致，形成固定的空间图案噪声。 第二步：理解信号输出的基本过程 一个典型的CMOS图像传感器像素在读取信号时，会经历两个关键阶段： 复位阶段读取 ：首先，对感光节点（浮动扩散节点）进行复位，然后立即读取并输出一个电压值。这个值（V_ reset）包含了节点的复位电压以及叠加在上面的复位噪声和该像素特有的FPN偏移。 信号阶段读取 ：接着，允许像素感光一段时间（曝光）。光子在光电二极管中产生电子，并转移到浮动扩散节点，导致节点电压下降。曝光结束后，再次读取节点电压。这个值（V_ signal）包含了复位电压、复位噪声、FPN偏移以及因光照产生的信号电压（负向变化）。 第三步：相关双采样的核心操作 相关双采样技术的核心思想，就是对同一个像素节点，在极短的时间间隔内进行两次采样，并利用这两次采样值的差异来消除共同的噪声分量。具体步骤如下： 第一次采样（复位采样） ：在像素复位操作之后、曝光开始之前（或曝光结束后、信号电荷转移之前，具体取决于像素设计），立即采样并保持浮动扩散节点的输出电压，得到 复位电平 （V_ reset）。该电平 = 复位参考电压 + 复位噪声 + 像素FPN偏移。 第二次采样（信号采样） ：在像素完成曝光和信号电荷转移至浮动扩散节点之后，再次采样并保持该节点的输出电压，得到 信号电平 （V_ signal）。该电平 = 复位参考电压 + 复位噪声 + 像素FPN偏移 - 光信号电压（ΔV_ photo）。 差分运算 ：在片上的模拟信号链中（通常在列级电路），用一个模拟减法器或差分放大器，计算两次采样值的差： V_ out = V_ signal - V_ reset 。 将两个表达式代入：V_ out = (复位参考电压 + 复位噪声 + FPN偏移 - ΔV_ photo) - (复位参考电压 + 复位噪声 + FPN偏移) 结果简化为： V_ out = - ΔV_ photo 第四步：CDS的技术优势与效果 通过上述差分运算，产生了关键效果： 完全消除复位噪声 ：由于两次采样发生在电荷转移的同一周期内，节点电容上的复位噪声在两次采样间是高度“相关”（保持不变）的。相减后，这部分噪声被完美抵消。 消除像素级的固定模式噪声 ：同样，由像素内晶体管特性偏移引起的FPN，在两次采样间也是固定不变的，因此也被差分运算抵消。 提取纯净光信号 ：最终输出仅与光生电荷量（体现为ΔV_ photo）成比例的电压，极大地提高了信噪比，特别是改善了图像的低照度性能，获得了更干净、更均匀的画面。 第五步：CDS的物理实现与变体 在实际芯片中，CDS功能通常由列并行电路实现。每个像素列配备一个采样保持电路和一个差分放大器或双采样积分器。主要实现方式有： 模拟域CDS ：如上所述，在模拟电压域进行两次采样和差分，然后将差分后的模拟信号送交模数转换器（ADC）。这是最常见的方式。 数字域CDS ：分别对复位电平和信号电平进行模数转换，得到两个数字值，然后在数字域做减法。这种方式对ADC的动态范围要求更高。 在像素内CDS ：一些先进像素设计（如具有全局快门功能的像素）可能在像素内部集成简单的电容存储和差分机制，但复杂度和面积开销较大。 总结 ：互补金属氧化物半导体图像传感器相关双采样是一种通过在时间上紧密关联的两次采样并进行差分，来有效消除像素固有复位噪声和固定模式噪声的关键信号读出技术。它是实现CMOS图像传感器高画质、高均匀性的基石之一，其有效性依赖于噪声在两次采样期间的强相关性。