2.5 PPD共享结构

PPD结构有4个晶体管，有的设计甚至有5个，这大大降低了像素的填充因子（即感光区占整个像素面积的比值），这会影响传感器的光电转换效率，进而影响传感器的噪声表现。为了解决这个问题又出现了PPD共享结构，像素的感光区和读出电路由TX晶体管隔开，相邻像素之间可以共用读出电路，如下图所示。


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图中2x2像素共享一个读出电路，一共使用7个晶体管，平均一个像素1.75个晶体管。这样可以大大减少每个像素中读出电路占用的面积，提高填充因子。美中不足的是，由于这2x2个像素的结构不再一致，会导致固定模式噪声（FPN）的出现，需要在后续ISP处理中消除。


2.5 双相关采样（CDS）

双相关采样即Correlated Double Samping，其基本思想是进行两次采样，先采样一个参考信号用于评估背景噪声，延迟很短时间后再采集目标信号，从第二次采样中减去参考信号即得到去除了大部分背景噪声的目标信号，其原理模型如下图所示。


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CDS成立的条件是在两次采样间背景噪声的幅度变化不大，因此它对去除固定噪声（FPN）和低频噪声效果比较理想，如1/f噪声，kTC噪声等。


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下图以伪彩色的形式显示了CDS技术对像素低频噪声的过滤效果


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pixel noise variation (a) 无CDS (b) 有CDS




3 CMOS Sensor特性

CMOS sensor的本质是计量光电转换事件的线性传感器，在一定意义上可以说是光子计数器，sensor上每个像素的读值都反映了指定时间内该像素捕获光子的数量。一个理想的sensor 应该具备以下一些特性

  • 输出与输入恒成正比（无sensor噪声，只有信号本身的噪声）

  • 输入输出均可以无限大

  • 高灵敏度，小的输入激励大的输出

  • 高帧率

  • 高分辨率

  • 低功耗

  • 工艺简单

  • 低成本

理想 CMOS sensor 的响应特性下图所示


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理想sensor的响应特性


图中直线的斜率决定了单位输入能够激励的响应大小，这个斜率称为增益系数（gain）。sensor 会提供一组接口用于调节实际生效的增益值。


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而实际的sensor只能是在一段有限的区间内保持线性响应，对于幅度过小或者过大的输入信号会不能如实地表示。


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实际sensor的响应特性（简化模型）