Dual Conversion Gain技术在HDR Imaging的应用_专栏

随着手机图像传感器的像素数越来越高，单像素尺寸变得越来越小，现在的亿像素sensor pixel pitch已经到了0.8um。Pixel size变小所带来的full well capacity 与SNR 性能的变差,也很大地影响了sensor的动态范围，所以手机sensor厂需要采用新的技术手段解决改善这个问题。

DCG（dual conversion gain）是一项广泛使用在车载与监控这种HDR imaging领域的技术，现在手机sensor厂商也把这项技术使用在mobile image sensor中。

1 ：什么是 conversion gain （CG）？

CG是pixel 的一个属性，在sensor specification 或者cmos sensor测试测量报告里，经常会列举出来CG的数值，Conversion Gain的单位一般是 (µV/electron)，它描述的是光电转换后产生的单位电子经过放大达到多大的电压，很显然达到的电压越高，CG越大。

2：CG的大小由什么决定？

如下图所示，一个典型的4T pixel电路图。CG是由FD（floating diffusion）电容的大小决定的。

一定情况下可以说，FD capacity就是FWC。FD capacity 越大，FWC越大，CG反之越小。从公式上说，CG与FWC的关系如下：

ln(Conversion Gain) = 9.3329 - 0.539*ln(Full Well Capacity)

3.CG及FWC对sensor动态范围DR和SNR的影响

DR和SNR是image sensor性能的两个重要指标。

SNR经常被广泛地用来评价sensor的质量。对于一个给定的场景和曝光量。sensor输出信号的SNR越高，表示可以得到的图像质量越好。SNR_max数值常用来作为代表sensor SNR水平的指标。

Nmax 是sensor的饱和电子数，n是以电子数为单位的total或者是temporal noise。

DR动态范围是sensor性能的另一个重要指标，公式表示如下：

sensor可输出的最大信号和最小信号之比用来表示DR，最小信号是read noise。提高FWC可以增大sensor的最大信号Nmax，从而增大了SNRmax 以及DR。不过，如前面所述，增加CG则会减小FWC。

4:什么是dual conversion gain（DCG）

从dual CG的pixel电路图构成可以看出，与普通pixel的区别在于DCG加入了额外的一个FD，以及一个DCG开关，这个FD比下边的FD电容大很多。

在High conversion gain 的模式下，RG 作为reset开关工作，DCG保持拉高电平使能状态，这样，FD电容等于下边的小电容FD，所以conversion gain大。当工作low conversion gain模式下，RG保持使能状态，DCG作为reset开关，FD电容等于上边的大电容FD，相应的CG就小。

电路的时序图如下图所示：

5.Dual conversion gain在HDR imaging领域的应用

DCG的优点是可以适应两个典型场景：high lux 场景与low lux 场景。

LCG模式用在High lux 场景：光线强烈，信号容易饱和，所以这时候需要更大的FWC。由下图可见，LCG模式下，FWC是24000个电子，是HCG模式下的4倍。

在Low lux 场景，光线弱，Pixel Diode输出信号值小，需要high CG把信号放大，也就是所谓的camera sensitivity更高，在sensor的特性里一般叫responsivity。High CG在提高sensitivity/responsivity的同时，也降低readout noise了。

由下图可以看到DCG相比SCG(single conversion gain)对成像系统动态范围的扩大：