新技能Get | 聊聊Dual Gain那些事儿
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传统上我们都认为对于同一块传感器来说，本底噪声会随着ISO值的提高而提高，表观上就是动态范围下降。在ISO高到足够忽略Read Noise的时候，这个下降表现为线
佳能1DX2的动态范围曲线
但是在近两年出现的一些采用索尼半导体传感器的机身上，这个动态范围曲线却出现了一定的反常
A7M3、A7R3、D850的动态范围曲线
在某个ISO数值反而会出现一个阶跃，比如A7M3、A7R3在ISO800的动态范围都会高于ISO400。
这就涉及到这两年逐渐在图像传感器上铺开的一个新技术——Dual Gain了。今天这篇文章将简单为大家解释一下这个新技术。
ISO 和 Gain
我们都知道图像传感器本质上是光电转换和模数转换两部分连接的一个器件（老汤CMOS以及CCD只有光电转换功能）。如果这两步转换都工作在一个确定倍数增益的状态下，输入多少光子与输出多少亮度之间应该是一一对应的。
但是实际上有摄影知识的人都知道并不是这样，ISO在数码相机当中都是可以设置的，也就意味着“可变增益”——固定的光子数量下，输出的亮度可以不一致。当然了，这个不一致并不是完全没有代价的。
一个典型的CMOS感光元件（内置ADC），其输出图像的过程可以概括为以下几步：
1、光电二极管吸收能量并被激发，产生电子。
2、电子进入电荷阱。
3、断开光电管连接，电荷阱（本质上是电容）两端会有一个电压。
4、这个电压信号太弱，需要一次模拟放大，一般使用程控电压放大器（PGA）。
5、放大后的信号进入模数转换。
很明显在传统的CMOS技术当中，可以改变增益值（输出亮度和输入亮度比值）的步骤是4和5——或者这么说，改变4的增益倍数就相当于你在机身上设置ISO（非扩展ISO），改变5的增益倍数就是等效于使用扩展ISO或者后期在ACR里拉亮度。
不过仔细想想，4、5的放大倍数固定以后，整个系统的放大倍数就固定了么？
nope。
在传感器技术当中经常提到一个性能参数叫满阱容量（Full-Well Capacity，FWC），在数字图像当中也会使用一个概念叫白点（White Level）。实际上对于一部相机和它输出的图像而言这两个值应该是一一对应的——满阱就意味着过曝，过曝输出的图像就是纯白。所以阱容（3当中这个电容的容量）也是会影响ISO的。
如果还理解不来的话就打个比方，假设相机A吸收1000个光子过曝，相机B吸收10000个光子才过曝，4、5在这两部相机当中取相同值，显然B可以比A多扛10倍的曝光时间，也就是B的ISO是A的1/10。
Dual-Gain本质上就是通过改变3来完成“双原生ISO”的。
CMOS传感器模型
之前的科普文章当中我们讲过，一个CMOS图像传感器的PD部分一般使用4个MOS管来搭建，称作4T结构：
PD是光电二极管，CFD就是储存光电管像素数据的电荷，Reset起到清空数据等待曝光的作用（MOS管在这里没有搭建放大电路，可以直接视作类似数字逻辑CMOS电路里的开关，改变电压即可导通/断开）。这种4T像素结构就是这种传感器被称作CMOS的原因。
工作的时候首先打开Reset，CFD与共地端导通，电荷全部释放掉。然后关闭Reset打开Transfer Gate，PD开始积累电荷送入CFD。然后信号通过SF（源极跟随器）和RS（行阵列选择器）送入ADC，开始模数转换步骤。
CFD的容量是这里的关键，输出电压U=Q（电荷量）/C（电容），所以如果只看U和Q之间的关系，这个电容也起到了放大器的作用——放大倍率是1/C。
在之前讲动态范围的文章当中我们说过高倍率放大器可以压制电路噪声，反过来就是低倍率放大器（大阱容）会导致CFD之后、一级模拟放大之前的这部分传输噪声变大，原生ISO64的D810高感表现相对于D800反而倒退，以至于天文专用高感机D810A要大砍CFD，原生ISO砍到200来保证高ISO的低底噪表现。
那么有没有高低感兼顾的方案呢？从这个模型来看是不是在高低感下改变CFD的值，用两种阱容匹配高/低ISO，就可以兼顾了呢？
Dual Gain 原理
是的，你都能想到的东西，没理由做Sensor的人还想不到。只不过可变电容器这种东西在超大规模集成电路当中有一点难度，实现方式有些特别。
首先提出这个设计的并不是索尼半导体，而是一家现在几乎Nobody Cares的公司——Aptina。当然了，在现在CIS这个制造为王的背景下，能做出来才是爸爸，所以最后量产Dual Gain CIS的，还是索尼。
这个是Aptina专利里使用的方案，在FD节点和CFD电荷阱之间增加了一个Dual Gain Switch，在需要低ISO高阱容的前提下打开DCG，阱容就可以额外增加。相当于是高原生ISO同时可以开启低原生模式。
当然了，既然是专利，别的厂商就不能用这种比较简单的电路结构了。实际上有给电容接一个负反馈放大（利用1/C等效放大器倍率可以被负反馈结构改变）的
还有利用外加电压影响MOS管耗尽层厚度，Cgs和Cgd（主要是Cgd）的等效电容可以这样被控制（类似变容二极管）来制作的：
压控寄生电容
还有松下的双原生ISO：
通过两套模拟放大回路来实现不同ISO下不同的外特性
Arri的双路放大：
分别用低增益和高增益通道接在同一个光电管输出上，相当于片内HDR或者单像素膜灯。
Dual Gain 目的
最主要的当然是兼顾高低感特性了。在使用Dual Gain之后，低感动态范围没啥变化的D850相对于D810，高感动态提升非常明显：
就是因为D850可以切换至原生低阱容模式。
当然了，除了静态拍照，Dual Gain对于现在越来越暴力的视频应用也大有裨益，无论是噪声、帧速率，还是各种Log曲线，都可以有所帮助。
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