3. CMOS像素结构详解：有源像素、放大器与读出电路

好，咱们进入CMOS像素的核心地带。上一章我们聊了CCD和CMOS的基本差异，这一章我带你拆开CMOS像素，看看里面到底藏着什么。

很多人觉得CMOS像素就是“一个光电二极管加几个管子”，这话没错，但太粗糙了。你想想看，同样都是CMOS像素，为什么手机拍的夜景和单反拍的夜景差那么多？关键就在像素内部的结构设计。

3.1 从无源到有源：为什么非要有源像素？

最早的CMOS像素其实是无源的（PPS，Passive Pixel Sensor）。结构极其简单：一个光电二极管加一个选通开关。但问题来了——

我在2010年做过一个项目，用的就是老式无源像素传感器。那噪声，简直了——暗场下都能看到明显的条纹。后来换了有源像素方案，效果立竿见影。

有源像素（APS，Active Pixel Sensor）就是在每个像素内部集成一个放大器。说白了，就是把信号在像素内部先放大一遍，再往外传。这样信号就不容易被传输路径上的噪声污染了。

3.2 标准3T有源像素结构

最经典的CMOS有源像素是3T结构。哪三个管子？我给你列出来：

工作流程是这样的：

1. 复位阶段：RST拉高，M1导通，FD节点（浮动扩散）被复位到VDD
2. 曝光阶段：RST关闭，光电二极管积累光生电荷
3. 读出阶段：RS拉高，M3导通，源跟随器M2将FD电压输出到列总线

嗯，这里要注意——源跟随器M2不是用来提供电压增益的，它主要起缓冲作用。它的电压增益大约0.8~0.9，但电流驱动能力增强了，这样才能驱动后面的列总线电容。

3.3 4T有源像素：现代CMOS的主流

4T结构在3T基础上加了一个传输管（TG，Transfer Gate）。这个管子把光电二极管和浮动扩散（FD）节点分开了。为什么要这么干？

说白了，就是为了实现全局快门和更好的噪声抑制。

4T像素的四个管子：

• M1（复位管）：复位FD节点
• M2（源跟随器）：缓冲放大器
• M3（行选通管）：控制读出
• M4（传输管）：控制电荷从PD转移到FD

工作流程变成了四步：

1. 复位FD节点（RST拉高）
2. 读取复位电平（作为参考）
3. 打开传输管（TG拉高），电荷转移到FD
4. 读取信号电平（与复位电平做差）

你看，这样就能轻松实现相关双采样（CDS），把复位噪声几乎完全消除。我在一个工业相机项目里，用4T结构配合CDS，把读出噪声降到了2个电子以下。

3.4 像素放大器：源跟随器的设计要点

像素内的放大器几乎清一色都是源跟随器（Source Follower）。为什么不用共源极或共栅极？原因很简单：

• 功耗限制：共源极增益高但静态电流大，像素阵列里几百万个像素，功耗扛不住
• 摆幅要求：源跟随器输出摆幅接近轨到轨，适合宽动态范围
• 线性度：虽然源跟随器有非线性，但在小信号范围内表现尚可

源跟随器的增益公式：

Av = gm / (gm + gmb + 1/ro) ≈ 0.8 ~ 0.95

其中gm是跨导，gmb是体效应跨导，ro是输出电阻。体效应会降低增益，所以我建议在设计时把源跟随器的衬底和源极短接，消除体效应。

3.5 读出电路：从像素到数字世界的桥梁

像素阵列读出的信号是模拟电压，必须经过读出电路转换成数字信号。典型的读出电路包括：

读出方式主要有两种：

• 逐行读出（Rolling Shutter）：一行一行地曝光和读出，简单但运动物体会有果冻效应
• 全局读出（Global Shutter）：所有像素同时曝光，然后逐行读出，需要像素内有存储节点

我做过一个高速相机项目，要求1000fps的帧率。逐行读出根本不行，果冻效应太严重。最后用了全局快门方案，每个像素内加了一个存储电容，面积大了30%，但效果确实好。

3.6 噪声分析与优化

CMOS像素的噪声源很多，我列几个主要的：

3.7 像素设计中的权衡

设计CMOS像素，说白了就是在几个指标之间做权衡：

• 填充因子 vs 灵敏度：晶体管越多，填充因子越低，但功能越强
• 像素尺寸 vs 分辨率：小像素分辨率高，但满阱容量小
• 帧率 vs 噪声：高速读出需要宽带，但宽带会引入更多噪声
• 功耗 vs 性能：高性能像素需要更大的偏置电流

我记得有一次给客户做方案，他们要求2μm像素尺寸、60fps、动态范围80dB。这三个指标放在一起，基本不可能同时实现。最后我们妥协了动态范围到72dB，才把方案做出来。