互补金属氧化物半导体图像传感器双转换增益

1. 基本概念与需求起源

   • 在弱光或高对比度场景下，图像传感器需要同时捕捉暗部的细节和亮部不过曝的信息，这对单个像素的电荷存储容量（满阱容量）和弱光信噪比提出了矛盾要求。
   • 传统单增益像素在提高满阱容量（高转换增益）时会牺牲弱光下的电压信号幅度，导致噪声更明显；而优化弱光性能（高转换增益）又会限制满阱容量，容易在亮部过曝。
   • 双转换增益 技术通过在单个像素内集成两套不同的电荷-电压转换电路（即两种不同的增益），允许像素根据入射光线的强弱，动态选择最适合的增益模式进行信号读出，从而同时扩展动态范围和提升弱光性能。

2. 像素结构与工作原理

   • 一个典型的DCG像素在光电二极管和浮动扩散节点之外，增加了一个高电容节点 和一个由晶体管开关控制的连接路径。
   • 高转换增益模式：当开关断开时，电荷从光电二极管转移到浮动扩散节点。该节点寄生电容小，单位电荷产生的电压变化大，因此转换增益高。此模式对弱光信号敏感，读出噪声低，适合捕捉暗部细节。
   • 低转换增益模式：当开关导通时，浮动扩散节点与增加的高电容节点并联。总电容增大，单位电荷产生的电压变化减小，即转换增益降低。这使得像素能容纳更多电荷而不饱和，满阱容量大幅提升，适合捕捉亮部信息而不过曝。

3. 工作流程与控制时序

   • 在一次曝光后，读出过程通常分两步：
     • 第一次读出（复位后或信号后）：可能先以高增益模式快速读出一个参考值或初步信号。
     • 增益切换与最终读出：电路根据第一次读出的信号电平或预设逻辑，自动判断像素是否可能饱和。对于可能饱和的像素，控制晶体管开关导通，切换到低增益模式进行最终信号读出；对于未饱和的像素，则保持高增益模式读出。这种判断可以基于像素级、行级或全局进行。

4. 技术优势与性能提升

   • 扩展动态范围：核心优势。通过让同一场景中暗部像素使用高增益、亮部像素使用低增益，实现了远超单一增益模式的原生动态范围（不依赖多帧合成）。
   • 提升弱光信噪比：高增益模式放大了弱光产生的微小信号，使其更易于被后续电路检测，从而改善了低照度下的信噪比。
   • 实现高动态范围成像：DCG是实现单次曝光HDR的关键技术之一。结合片上逻辑，可以直接输出具有宽动态范围的图像数据流。

5. 技术变体与高级应用

   • 双增益像素变体：除了浮动扩散电容切换型，还有采用双浮动扩散节点或双源跟随器等不同电路架构来实现双增益。
   • 与片上ADC的集成：DCG常与列并行模数转换器紧密协同。ADC的量程可以与像素增益模式匹配，例如为低增益信号分配更多的数字码值，以精细量化高亮度信息。
   • 面向移动与专业应用：该技术广泛用于智能手机摄像头，以在复杂光线下获得更自然的照片；同时也应用于高端数码相机、科学成像和汽车传感器，满足其对宽动态范围的苛刻需求。