CIS Atlas 17｜Dual / Triple Conversion Gain (DCG / TCG)

⚖️

PROBLEM（4T pixel 的根本矛盾）

小 C_FD → 高 CG、低雜訊（暗部好）但 FWC 小（亮部早飽和）；大 C_FD 則相反。單一 CG 無法兼顧暗部與亮部。

↓

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SOLUTION（DCG）

加一顆 DCG 閘 + 電容，讓同一 pixel 在 HCG（暗部）和 LCG（亮部）之間切換 → 一次曝光拿到兩段 CG → 合成 HDR。只多一顆電晶體，DR 直衝 ~90 dB。

核心觀念：Conversion Gain 由 C_FD 決定

CG = q C FD [μV/e⁻] // C FD 越小 \to 每個電子產生的電壓越大 \to CG 越高 // 但 FWC \propto C FD \to C FD 越小，能裝的電荷越少 FWC \approx C FD \times V swing q \to 高 CG 與大 FWC 天生衝突

📌 DCG 的本質　不是「改變」C_FD，而是準備兩個 C_FD 狀態——HCG mode 用小電容（只有 FD 本身），LCG mode 把額外電容 C_DCG 並聯進來（C_FD + C_DCG）。靠一顆 DCG gate（DG）開關決定 C_DCG 接不接。

5T DCG Pixel 電路結構

DCG 5T pixel：在 4T 基礎上多一顆 DG（DCG switch）+ 電容 C_DCG。DG 開關決定 C_DCG 是否並入 FD 節點。

HCG vs LCG：兩種模式的角色分工

🔵 HCG（High Conversion Gain）

DG OFF，C_total = C_FD（只有 FD）

CG 高（如 ~80–160 μV/e⁻）
Read Noise 低（~1 e⁻ 等級）
FWC 小 → 只適合暗部 / 低光
負責 HDR 影像的陰影細節

🟠 LCG（Low Conversion Gain）

DG ON，C_total = C_FD + C_DCG

CG 低（如 ~10–40 μV/e⁻）
Read Noise 較高（但亮部 shot noise 主導，沒差）
FWC 大 → 適合亮部 / 強光
負責 HDR 影像的高光不過曝

💡 一句話記住　HCG 看暗、LCG 看亮，DCG 讓同一顆 pixel 一次曝光同時拍到「暗部不糊、亮部不爆」，再由後端把兩段拼成一張高動態範圍影像。

單次曝光 DCG 的六步時序（t₁–t₆）

這是 DCG 最關鍵的部分——一次積分如何同時讀出 HCG 和 LCG 兩段信號，且兩段都能用 CDS 去雜訊。資料依據 PMC Sensors 2026 Review Figure 7。

DCG 單次曝光時序：RST / DG / TG 控制信號 + 四個採樣點（HCG/LCG 各一對 noise+signal，都做 CDS）

t₁

Reset（DG ON）

RST + DG 同時開啟，把 C_FD 和 C_DCG 一起重置到 VDD。此時整個讀出節點是 LCG 狀態（大電容）。

t₂

採樣 LCG 雜訊 N_LCG（DG 仍 ON）

RST 關閉後，column 採樣 LCG 模式的 reset 雜訊。這是 LCG CDS 的參考點。

t₃

切到 HCG（DG OFF）→ 採樣 N_HCG

DG 關閉，C_DCG 脫離，節點只剩小 C_FD = HCG 模式。採樣 HCG 的 reset 雜訊 N_HCG。這是 HCG CDS 的參考點。

t₄

TG 脈衝 → 讀出 HCG 信號 S_HCG

TG 開啟把 PD 電荷轉到 FD（小電容），高 CG 放大 → 讀出 HCG 信號。CDS_HCG = S_HCG − N_HCG（暗部用這段，低雜訊）。

t₅

切回 LCG（DG ON）

DG 重新開啟，C_DCG 並入。因為 HCG 的小 FWC 在強光下不足以裝下 PD 的全部電荷，需要大電容來容納。

t₆

TG 再次脈衝 → 讀出 LCG 信號 S_LCG

TG 再開一次，把 PD 剩餘電荷全部倒進大電容（C_FD + C_DCG），低 CG 但大 FWC → 讀出 LCG 信號。CDS_LCG = N_LCG − S_LCG（亮部用這段，不過曝）。

📌 為什麼兩段都能 CDS？　HCG 的 N_HCG（t₃）和 S_HCG（t₄）之間 FD 沒有被 reset，kTC noise 相同可消除。LCG 則用 t₂ 的 N_LCG 當參考。兩段信號各自配對，column 平行讀出鏈處理兩次 CDS。這就是 DCG「單次曝光、雙重讀出」的精髓——不像 multiple-exposure HDR 需要拍兩張，沒有運動偽影（motion artifact）問題。

⚠️ DCG vs 多重曝光 HDR　傳統 multiple-exposure HDR 拍長曝+短曝兩張再合成，移動物體會在兩張之間位移 → 鬼影。DCG 是同一次積分讀兩段 CG，從根本避免 motion artifact，這是車用（LED 號誌、移動車輛）偏好 DCG 的關鍵原因。

動態範圍如何被 DCG 拉大

📐 DCG 動態範圍公式

ΔDR capacity,ideal = 20\cdotlog₁₀ C DCG + C FD C FD // DR conventional = 單一 CG 的動態範圍（HCG 模式） // 第二項 = LCG 帶來的 FWC 延伸（電容比決定） DR = 20\cdotlog₁₀ FWC max Read Noise [dB]

C_DCG 越大 → 兩個 CG 差距越大 → DR 延伸越多。DCG 只加一顆電晶體就能達到約 90 dB 的寬動態範圍，同時維持高 fill factor 與 QE。

🎚 互動：DCG 動態範圍 & SNR Dip 計算機

C_FD (fF) — HCG 電容 1.5

C_DCG (fF) — 額外電容 15

HCG Read Noise (e⁻) 1.5

CG_HCG
? μV/e⁻

CG_LCG
? μV/e⁻

CG 比值
?×

DR 延伸
? dB

SNR Dip（SNR 凹陷）— DCG 的代價

在 HCG → LCG 的切換點，信號被 C_FD/(C_FD + C_DCG) 衰減，使得該照度附近的 SNR 突然下降，形成一個「凹口」。這是 DCG 與 LOFIC 共有的問題。

1

凹陷的成因

HCG 在接近 FWC_HCG 時 SNR 最高（接近 shot-noise limit）。一旦超過 HCG 飽和點，必須切到 LCG，但在相同 QE 與積分時間下，LCG 接收的電子數相同；較低 CG 使相同讀出電壓噪聲對應較大的輸入等效電子噪聲 → SNR 在切換點掉一截。

2

凹陷有多深取決於 CG 比值

C_DCG/C_FD 比值越大 → DR 延伸越多，但 SNR dip 越深。這是設計上的 trade-off：要寬 DR 還是要平滑的 SNR 曲線。車用通常容忍較深的 dip 換取極寬 DR（140 dB）。

3

緩解手段

① 適中的 C_DCG（不要一次拉太大，可用 TCG 分多級）；② 在切換點附近用兩段信號加權融合；③ LOFIC 的 charge-sharing 設計讓 HCG 信號含部分 overflow，平滑過渡；④ DRS（Digital correlated double sampling / 多重採樣）降低 LCG 雜訊。

💡 量測上怎麼看 SNR dip　把 SNR vs 照度（log-log）畫出來，正常單一 CG 是一條單調上升再飽和的曲線；DCG 會在切換照度出現一個 V 形凹口。CP / 實驗室會特別量這個 dip 的深度與位置，作為 HDR 影像品質指標。

TCG（Triple Conversion Gain）— DCG 的延伸

DCG 給兩段 CG，TCG 給三段：HCG / MCG / LCG。透過接入兩顆可切換電容（或結合 LOFIC），動態範圍進一步擴大，並讓 SNR 曲線的凹口分散成兩個較淺的 dip。

TCG 三段 CG：斜率越陡 = CG 越高。兩個切換點把單一深 dip 拆成兩個淺 dip，SNR 更平滑。

📌 SLCG / Super-Low CG　近年（IISW 2025）出現 pixelwise triple-CG modulation，其中最低一段常用 LOFIC 實現超低 CG（SLCG），把 FWC 推到極大。三段組合可達 140 dB 以上動態範圍。

LOFIC（Lateral Overflow Integration Capacitor）

LOFIC 是另一條拉大 FWC 的路線，與 DCG 觀念相近但機制不同。它源自 CCD 的 lateral overflow drain（LOD，原本用來防 blooming），演化成「把溢出電荷存到大電容」的架構，可達 100 dB 以上 DR。

🔄 DCG vs LOFIC 的關鍵差異

DCG：電荷全留在 PD，靠切換 C_FD 改變 CG，TG 兩次傳輸分別讀。

LOFIC：強光下 PD 主動「溢出」（overflow）多餘電荷到 C_LOFIC，積分中就在收集，HCG 信號還含部分 overflow → 過渡較平滑。

📐 LOFIC 動態範圍公式

ΔDR capacity,ideal = 20\cdotlog₁₀ C LOFIC + C FD C FD

FWC 隨 $C LOFIC + C FD C FD$ 比例放大。因 LCG 由 shot noise 主導，可搭配 DRS 進一步降噪。

LOFIC 溢出時序（強光下）

t₁

Reset C_FD + C_LOFIC

LG（LOFIC gate）開啟，把 FD 與 LOFIC 電容一起重置。

t₂

RG 關閉 → 開始積分，採樣 LCG 雜訊

積分啟動。先採 LCG（大電容）reset 雜訊。

t₃

強光下發生 overflow

PD 裝滿後，多餘電荷自動溢出，累積進 C_FD 和 C_LOFIC。這是 LOFIC 「邊積分邊收集亮部」的特色。

t₄

積分結束，LG 關閉 → 採樣 HCG 雜訊

LG 關閉，電荷依 C_FD / C_LOFIC 容量分配。採 HCG 雜訊（含部分 overflow 信號 → 過渡平滑）。

t₅

TG 開啟 → 讀出 HCG 信號

PD 電荷轉到 FD（小電容），讀出 HCG 信號後 TG 關閉。

t₆

TG + LG 全開 → 讀出 LCG 信號

把所有電荷（含 LOFIC 溢出）合在大電容讀出 LCG 信號。HCG/LCG 兩段都做 column CDS。

🏭 業界路線　Sony（2.1μm sub-pixel + LOFIC）、OmniVision TheiaCel（LOFIC 系）走 LOFIC；許多車用感測器（OmniVision OX 系列）走 DCG + split-pixel + Deep Well。兩條路線目標相同（寬 DR + 低 motion artifact），實作取捨不同。

DCG / TCG 的 CP 測試重點

DCG 引入後，CP 要量的東西「翻倍」——HCG 和 LCG 兩個模式各自要量 CG、FWC、Read Noise，加上 DCG 特有的切換行為。

測試項目	HCG mode	LCG mode	量測方法
Conversion Gain	高（80–160 μV/e⁻）	低（10–40 μV/e⁻）	PTC mean-variance：CG = variance/mean 斜率，兩 mode 各做一條 PTC
FWC	小（決定切換點）	大（決定總 DR 上限）	PTC saturation level；LCG 的 FWC 才是 HDR 亮部極限
Read Noise	低（暗部 SNR 關鍵）	較高（亮部 shot noise 主導，可容忍）	暗態 PTC 截距 / CDS off 量測
SNR Dip	切換點的 SNR 凹陷深度與位置		SNR vs 照度曲線（log-log），找 V 形凹口
CG 比值均勻性	C_DCG/C_FD across array 的分布		逐 pixel 量兩 mode CG → ratio map（電容 mismatch → HDR 拼接偽影）
DG switch V_th	DCG 閘的 V_th 均勻性		V_th split test；DG 漏電會讓 HCG mode C_FD 受污染
LED Flicker (LFM)	對脈衝 LED 光源的響應		脈衝光源下量 flicker；車用關鍵指標

⚠️ DCG 特有的失效模式

C_DCG mismatch：pixel 間電容不一致 → CG 比值散布 → HDR 拼接出現 FPN / 偽輪廓
DG 漏電：DCG 閘關不乾淨 → HCG mode 的有效電容被拉大 → CG 偏低、雜訊變差
切換點漂移：HCG FWC 隨製程偏移 → SNR dip 位置跑掉 → 影響 tone mapping

🔌 WAT 上怎麼看 DCG（scribe-line 對應）
DG switch 電晶體在 WAT 有 Vt／Ioff 同型 key（DG 漏電先看這）；C_DCG 的電容值可用 WAT 電容 key（同層 MOM／MIM 結構）追 trend。CG 比值 map 異常時：WAT 電容 key 同飄 → 介電層厚度（製程端）；不飄 → layout／寄生 mismatch（設計端）。詳見 WAT 測電性全攻略 →

真實產品與架構（業界範例）REAL

產品 / 架構	技術	規格亮點	應用
OmniVision OX03C10	DCG + Deep Well™	140 dB HDR + 業界最佳 LED flicker mitigation，低 motion artifact	車用環景 / 倒車影像
OmniVision OX08B40	DCG + split-pixel	8.3 MP，140 dB HDR，前視鏡頭	車用 ADAS 前視
OmniVision TheiaCel™	LOFIC（lateral overflow）	收集溢出光電子，延伸到極亮場景	車用 / 安防 HDR
Sony 2.1μm Sub-pixel + LOFIC	Sub-pixel + LOFIC	大小 sub-pixel + 溢出電容組合，寬 DR	車用 / 手機
IEDM 2023：2.2μm 2-layer stacked	Voltage-domain GS + 單次曝光 DCG	1.2 e⁻ rms pixel-level FPN，全域快門	機器視覺 / 工業
IISW 2025：Pixelwise Triple-CG	TCG（HCG/MCG/SLCG via LOFIC）	逐 pixel 三段 CG 調變 + staggered HDR	研究 / 次世代 HDR

📌 為什麼車用特別愛 DCG　車用要同時看清隧道出口的強光與陰影中的行人（極寬 DR），又要正確顯示脈衝式 LED 號誌/車燈（LED flicker mitigation），還不能有移動鬼影。DCG 的單次曝光雙 CG 正好同時滿足這三個需求，這就是 OmniVision / Sony 車用感測器都採 DCG/LOFIC 的原因。

文獻與真實圖表來源

以下連結含真實的電路 schematic、timing diagram、potential well 圖，點進去可看原始圖（本卡 SVG 為依其重繪的教學版）。

📚 回顧論文（最完整，含 DCG/LOFIC 真實圖）

Advancements in Active-Pixel-Type CMOS Image Sensor Design — Sensors (MDPI) 2026, 26, 489

§3.2 DCG（含 Figure 7 schematic + timing）、§4.1 LOFIC（Figure 9 schematic、Figure 10 potential well）。DR 公式 (4)(5) 出處。
pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12845816

A Review of Recent Advances in High-Dynamic-Range CMOS Image Sensors — MDPI

DCG / multiple-exposure / LOFIC / split-pixel 各種 HDR 技術的系統性比較。
mdpi.com/2674-0729/4/1/8

🏭 業界論文 / 產品（真實 schematic）

IEDM 2023, 40-2：A 2.2μm 2-Layer Stacked HDR Voltage Domain Global Shutter CIS

單次曝光 DCG + 全域快門，1.2 e⁻ rms pixel-level FPN。
IEDM23 handout 40-2 (PDF)

IISW 2025, R02.4 (Luo et al.)：CIS with Pixelwise Triple-CG Modulation

HCG/MCG/SLCG 三段 CG + staggered-HDR，SLCG 用 LOFIC 實現。
imagesensors.org IISW2025 R02.4 (PDF)

Sony：2.1μm HDR CIS with Sub-pixel and LOFIC Architecture

Sony technology publication

OmniVision OX03C10 / OX08B40 / TheiaCel™

車用 DCG + Deep Well + LOFIC，140 dB HDR + LED flicker mitigation。
ovt.com/technologies/theiacel-technology

Lateral Overflow Integration Capacitor pixel — 120 ke⁻ FWC, 160 μV/e⁻ CG, 2.8μm BSI

Sensors 2019, 19, 5572 — LOFIC pixel 完整特性化。
mdpi.com/1424-8220/19/24/5572

📖 基礎 / 量測方法

Janesick, J.R. "Photon Transfer" — SPIE Press

PTC mean-variance 量 CG 的方法，DCG 需對 HCG/LCG 各做一條 PTC

US Patent 20100141631A1 — Dual conversion gain gate and capacitor combination

DCG element 接在 FD 與電容之間的原始專利描述。
patents.google.com US20100141631A1

CMOSedu thesis：MOSFET Modulated Dual Conversion Gain CMOS Image Sensors

DCG pixel 完整原理與設計推導（研究所論文等級）。
cmosedu.com thesis (PDF)

EMVA Standard 1288 Release 4.0

SNR / DR / linearity / PTC 量測標準規範

🔗 延伸閱讀（本 Atlas 系列）　CG 的物理基礎見 Card 08（RST Gain + kTC）；C_FD 由哪些電容組成見 Card 16（Implant：FD 設計）；訊號鏈全景見 Card 06。

🌈 Dual / Triple Conversion Gain（DCG / TCG）

核心觀念：Conversion Gain 由 CFD 決定

5T DCG Pixel 電路結構

HCG vs LCG：兩種模式的角色分工

🔵 HCG（High Conversion Gain）

🟠 LCG（Low Conversion Gain）

單次曝光 DCG 的六步時序（t₁–t₆）

動態範圍如何被 DCG 拉大

SNR Dip（SNR 凹陷）— DCG 的代價

TCG（Triple Conversion Gain）— DCG 的延伸

LOFIC（Lateral Overflow Integration Capacitor）

🔄 DCG vs LOFIC 的關鍵差異

📐 LOFIC 動態範圍公式

LOFIC 溢出時序（強光下）

DCG / TCG 的 CP 測試重點

真實產品與架構（業界範例）REAL

文獻與真實圖表來源

核心觀念：Conversion Gain 由 C_FD 決定