中国报告大厅网讯，2026年全球图像传感器行业保持稳步增长态势，市场整体规模持续扩张，其中CMOS图像传感器凭借高适配性、低成本、易集成等多重优势，垄断九成以上市场份额，广泛落地于生物医学成像、安防监控、夜视探测、天文观测、智能车载等多元领域。当下各应用场景对图像传感器的成像画质、响应速度、功耗控制提出双重高标准，低噪声与高帧率逐渐成为高端图像传感器的核心竞争指标。相关多采样技术是优化图像传感器成像噪声的主流方案，但传统技术架构普遍存在降噪与读出速度相互制约的行业痛点，制约高端图像传感器性能升级。基于110 nm CMOS工艺研发的快速相关多采样技术，可有效破解这一行业难题，兼顾图像传感器低噪声成像与高速读出双重需求，为行业技术升级提供全新落地路径。以下是2026年图像传感器行业技术分析。

  一、图像传感器主流降噪技术架构与现存短板

  《2026-2031年中国图像传感器行业竞争格局及投资规划深度研究分析报告》指出，专业应用场景下的图像传感器多依托单斜模数转换器完成信号量化工作，模数转换器的运行性能直接决定图像传感器的成像质量与输出帧率。为适配弱光、复杂电磁干扰等恶劣成像环境，行业内衍生出多种专用降噪采样技术，以此削弱各类噪声对图像传感器成像效果的负面影响。

  相关双采样技术是早期普及度最高的基础降噪手段，该技术通过做差运算处理像素复位电压与信号电压，能够高效抑制图像传感器运行过程中产生的固定模式噪声与像素复位噪声。但该技术存在固有缺陷，作业过程中会造成热噪声能量翻倍，无法满足高精度成像设备的使用需求。在此基础上升级优化的相关多采样技术，突破了相关双采样技术的性能瓶颈，通过对两类核心电压进行多次采样并求取平均值，不仅可以进一步压制固定模式噪声与复位噪声，还能同步削弱热噪声、1/f噪声以及随机电报噪声等常见干扰源，现已成为高端图像传感器的标配技术。

  相关多采样技术的降噪能力和采样次数直接挂钩，采样次数数值越高，图像传感器输出信号的噪声数值越低，但对应的电路读出时长会同步增加，直接拉低图像传感器帧率，形成性能制衡关系。现阶段行业内优化该问题的主流方案为条件相关多采样技术，核心逻辑是依据像素信号强弱切换采样模式：微光弱信号场景执行多次采样操作保障成像质量，强光高信号场景仅执行单次采样缩短耗时。该优化方案虽能一定程度提升图像传感器运行效率，但并未优化复位信号量化环节，短斜坡多次采样依旧会消耗大量时间，无法从根源上平衡图像传感器的降噪效果与读出速度。

  二、图像传感器FCMS与传统CMS技术运行原理差异化分析

  2.1 传统CMS技术驱动图像传感器的运行机制

  在搭载传统相关多采样技术的图像传感器中，单斜模数转换器的读出时间主要受采样次数与读出精度两大因素约束。从采样层面来看，电路读出时长与采样次数呈正比例关系，多次采样模式必然会增加图像传感器信号输出耗时;从精度层面来看，在n-bit精度标准下，单斜模数转换器精度每提升1位，斜坡信号长度便会翻倍，同样会拉长图像传感器整体转换周期。除此之外，采样间隔参数也会直接影响传统相关多采样技术的降噪效果与适配场景，不同采样间隔对应的噪声抑制频段存在明显差异。高光成像环境中，像素信号电压与复位电压差值会显著增大，需要斜坡发生器输出更大摆幅的斜坡信号，才能保障图像传感器动态范围，间接增加模数转换器的运行功耗与转换时长。

  2.2 FCMS技术赋能图像传感器的优化原理

  快速相关多采样技术针对传统相关多采样技术的无效采样痛点完成全方位优化，适配单斜模数转换器架构，从底层运行逻辑优化图像传感器采样模式。该技术搭载多阈值比较器，摒弃传统模式下多次生成斜坡信号的作业方式，可在单次斜坡电压下降周期内完成全部M次像素电压采样，大幅减少斜坡信号建立产生的时间损耗。

  相较于传统相关多采样技术，快速相关多采样技术仅需配置一组短斜坡与长斜坡信号，即可完成复位电压与信号电压的全流程采样，既能保留完整的像素信号特征，实现同等层级的降噪效果，又能大幅压缩图像传感器行读出时间，适配高帧率成像场景。

  三、图像传感器FCMS配套电路模块设计方案

  搭载快速相关多采样技术的单斜模数转换器，整体硬件架构由可调阈值比较器、采样次序检测模块、倍数可调计数器三大核心模块组成，各模块分工明确、协同运行，共同支撑图像传感器完成高速低噪声采样作业，整体电路基于110 nm CMOS工艺完成设计，模拟电路供电电压设定为3.3 V，数字电路供电电压设定为1.5 V。

  3.1 采样次序检测模块

  该模块是图像传感器实现多阈值动态调节的控制核心，核心元器件为n位计数器，计数器位数由预设采样次数决定，满足$$n^2=M$$基础规则。本次设计设定采样次数为4，配套配置2位计数器即可满足运行需求。模块可实时捕捉比较器输出信号的上升沿，精准判定当前采样次序，并将采样次序转化为二元控制信号，以此管控可调阈值比较器内部开关电容阵列的充放电状态，实现比较器阈值电压的精准偏移。初始状态下控制信号数值为00，代表采样作业未启动;信号依次切换为01、10、11时，对应4次采样作业，完成全部采样后信号重置为00，等待下一量化周期指令。

  3.2 可调阈值比较器

  可调阈值比较器是图像传感器实现多次同步采样的关键载体，由两级开环运算放大器与二进制开关电容阵列构成。电容阵列包含单位电容与多组规格化电容，依托电荷再分配原理，结合采样次序检测模块下发的控制信号，切换电容极板接入电压，在电荷守恒定律约束下微调输入端电位，实现阈值电压阶梯式偏移，单次偏移量固定为$$1/12V_{ref}$$。

  为适配图像传感器13 bit精度、1 V量化范围的运行需求，运算放大器增益最低阈值设定为83.37 dB。两级放大器采用折叠式共源共栅电流镜结构，搭配交叉耦合负载结构，既能提升输出阻抗与放大增益，又能加速信号建立速度，削弱电源噪声干扰。两级比较器详细性能参数如下：第一级工作电流6.6 μA，3 dB带宽618 kHz，增益43.5 dB，复位电压1.21 V，瞬态噪声72 μVrms;第二级工作电流3.0 μA，3 dB带宽564 kHz，增益44.03 dB，复位电压1.07 V。

  3.3 倍数可调计数器

  倍数可调计数器用于完成多区间采样数据统计，硬件结构由双向计数单元与2-4译码器组成，可接收检测模块下发的控制指令，切换1~4倍多档位计数模式，适配图像传感器不同采样阶段的数据统计需求。计数器配置两类主时钟信号，时钟1频率360 MHz，时钟2频率540 MHz，通过双时钟切换与DDR双边沿计数结构，降低高频时钟接入产生的能耗与误差。同时增设锁存控制信号，在计数档位切换过程中锁定实时码值，杜绝信号误翻转引发的数据偏差，保障图像传感器采样数据的精准度。

  四、图像传感器FCMS技术仿真测试与性能分析

  4.1 基础版图与非线性参数测试

  本次设计完成20列读出电路一体化版图布局，单列读出电路宽度为5 µm，整套单斜模数转换器总长度为953.81 µm。设备量化精度达到13 bit，最低有效位单步长为122 µV，经过仿真测试可得，微分非线性误差区间为+0.8/−0.8LSB，积分非线性误差区间为+1.3/−2.1LSB，有效位数可达11.69 bit。误差主要来源于计数器档位切换操作，通过增设信号保持机制后，非线性误差被控制在行业可用标准范围内，可满足高精度图像传感器量化需求。

  4.2 功耗与电容失配误差测试

  对搭载快速相关多采样技术的图像传感器单列模数转换器进行功耗拆解测试，整体总功耗为181.10 µW。其中可调阈值比较器平均工作电流9.60 µA，供电电压3.3 V，功耗31.68 µW;倍数可调计数器平均工作电流99.61 µA，供电电压1.5 V，功耗149.42 µW。

  电容工艺失配会造成比较器阈值偏移，间接影响图像传感器采样间隔。蒙特卡罗仿真结果显示，参考电压设定为1.6 V时，阈值偏移比例均值为0.08，标准差为6.72×10⁻⁵。电容失配引发的信号转换误差仅为9.44 µV，折合0.07LSB，配合相关双采样技术即可完全抵消该类固定模式误差，对图像传感器成像性能影响微乎其微。

  4.3 噪声、时长与PVT多维度测试

  采样间隔是平衡图像传感器噪声水平与读出速度的核心参数，经过多组梯度仿真测试，最终确定最优采样间隔为1.42 μs。在4次采样模式下，搭载快速相关多采样技术的图像传感器行读出时间仅为29.16 μs，输出噪声92.04 μVrms;相较于同等工艺、同等采样次数的传统相关多采样技术，行读出时间减少72%，采样率由12.44 kHz提升至34.30 kHz，增幅达175.72%，噪声仅小幅上升6.61%。

  为验证技术环境适配能力，完成多工况PVT仿真测试，覆盖五类工艺角、三档供电电压与宽域温度区间(-40 ℃~120 ℃)。测试数据表明，图像传感器输出噪声最大值105.89 μVrms，最小值86.15 μVrms，全局均值94.21 μVrms，在极端工况下依旧能维持稳定的低噪声成像状态，环境适配性极强。

  4.4 综合性能横向对比

  结合两项行业通用优值指标完成横向性能对比，本次技术方案$$FoM_1$$数值为0.33 fV·s/step，$$FoM_2$$数值为0.06 fV·J/step。相较于传统相关多采样、相关双采样以及行业现有各类优化采样技术，该方案无需额外增设列级放大器与专用存储单元，在成像线性度、读出速率、功耗控制、硬件面积四大维度均具备显著优势，综合性能处于行业上游水平。

  五、全文总结

  2026年图像传感器行业正向高帧率、低噪声、低功耗、强适配性方向全方位升级，传统相关多采样技术固有的性能制衡问题，成为制约高端CMOS图像传感器迭代升级的主要瓶颈。本文研究的快速相关多采样技术，依托可调阈值比较器、采样次序检测模块与倍数可调计数器的协同架构，革新图像传感器传统采样逻辑，在单次斜坡电压下降周期内完成多次采样作业，彻底摒弃无效采样环节。多项仿真测试数据表明，基于110 nm CMOS工艺打造的配套单斜模数转换器，以1.42 μs为最优采样间隔时，可实现72%的行读出时间缩减效果，同时将图像传感器输出噪声稳定控制在92.04 μVrms，兼顾低噪声成像与高速读出双重需求。该技术不仅优化了图像传感器采样运行模式，还具备低功耗、小面积、强环境适配性、高线性度等附加优势，无需复杂外围硬件配套即可落地应用，能够适配生物医疗、智能安防、天文探测、车载夜视等多类高端场景，有效弥补现有图像传感器降噪采样技术的短板，为2026年图像传感器行业技术创新、产品升级提供高效、低成本的全新解决方案，具备极高的工程落地价值与行业推广前景。