Усиление сигнала сначала идет аналоговое, а уже потом цифровое.
Распространенная ошибка на форумах – многие участники считают, что электрический потенциал уже является дискретным, поэтому приведу упрощенное определение, подходящее для наших рассуждений о потенциалах и усилениях в матрицах.
Электрический потенциал – это то, что мы часто называем «напряжение». Любой электрический потенциал является аналоговым (то есть непрерывным). Чтобы получить значение потенциала в цифровой форме, его нужно в эту цифровую форму преобразовать методом дискретизации (то есть сделать дискретным).
1. В камере находится чип, который все называют "матрица", при этом подразумевая, что этот чип состоит из светоприемников-фотодиодов, которые мы называем «пиксели».
На самом деле современный чип (который мы видим, когда смотрим в отверстие камеры при открученном объективе и поднятом зеркале) состоит из самого сенсора (светоприемники) и преобразователей аналоговых сигналов в цифровые. Эти преобразователи называются АЦП. В общем случае они могут быть вынесены за пределы чипа (как в камере D700), но вынесены они или нет, это на процесс преобразования сигнала никак не влияет.
2. Независимо от типа матриц (CCD или CMOS) они все работают с аналоговым сигналом до тех пор, пока этот сигнал не пройдет АЦП. Ошибка многих участников форумов заключается в том, что они считаю «электрический потенциал» уже дискретным, а это не так. Он как был, так и остается аналоговым.
3. Разница между CCD и CMOS, в которой многие путаются (в том числе и на указанном Alecc’ом местном форуме), заключается вот в чем:
В пикселях CCD-матриц под воздействием фотонов получается электрический заряд, который переносится к краю светочувствительной части чипа (к краю сенсора), преобразуется в электрический потенциал, затем попадает в аналоговый усилитель (усиливается), и только потом этот самый усиленный потенциал передается в АЦП и оцифровывается.
В пикселях CMOS матриц под воздействием фотонов получается электрический заряд, который там же, на месте, накапливается в конденсаторе, и с пластин конденсатора уже снимается электрический потенциал, который находится все еще там же (внутри пикселя). Затем потенциал передается к краю сенсора, попадет в усилитель (усиливается), только после этого передается на вход АЦП, где и оцифровывается.
Если внимательно прочесть, что я написал, то разница коротко сводится к следующему:
В CCD матрицах один вид аналогового сигнала (заряд) преобразуется в другой вид аналогового сигнала (потенциал) на краю матрицы (за пределами собственно светочувствительного сенсора), который только потом оцифровывается.
В CMOS матрицах один вид аналогового сигнала (заряд) преобразуется в другой вид аналогового сигнала (потенциал) прямо в пикселе, и этот потенциал (аналоговый сигнал) передается к краю матрицы в АЦП, где оцифровывается.
4. Вся разница между двумя матрицами заключается только в том, где происходит преобразование в потенциал. Но не в том, где происходит оцифровка – она у обеих матриц происходит в одном и том же месте, в АЦП, и не миллиметром раньше.
5. Следовательно, любые преобразования, которые мы производим с сигналом до попадания в АЦП, это будут аналоговые преобразования, включая также и усиление сигнала.
Если с преобразованием сигнала более-менее понятно, то давайте разберемся с усилением.
Аналоговое усиление, как уже ясно, происходит как в CCD, так и в CMOS матрицах.
Если с CCD-матрицами уже понятно, то:
Как происходит усиление в CMOS?
Самым простым и примитивным способом (с точки зрения схемотехники):
Как я уже говорил, во время экспозиции заряд, полученный фотодиодом, накапливается в конденсаторе. Когда экспонирование закончилось (затвор закрылся), конденсатор подключается прямо к базе усилительного транзистора, и на выходе транзистора мы тупо получаем потенциал (напряжение), строго пропорциональное тому потенциалу, которое было на конденсаторе, а, следовательно, и количеству фотонов, принятых самим фотодиодом.
Вот так мы сразу усилили сигнал до какого-то нормировочного значения, и это у нас и есть базовое ISO.
Затем уже данный сигнал (потенциал) попадет на вход усилителя за пределами самой матрицы (дальше все одинаково, как и в CCD), где усиливается в соответствии со стопами ISO, и только потом оцифровывается.
Сколько стопов ISO можно задавать на этом усилителе?
А вот здесь уже все зависит от величины самого первого сигнала, снимаемого с фотодиода.
Чем этот сигнал больше, тем большее количество стопов ISO мы можем использовать при аналоговом усилении.
Грубо говоря, чем крупнее пиксель, тем бОльший коэффициент усиления можно задать.
Сделано это не по причине каких-то особых предпочтений производителей, а по причине того, что операционные усилители имеют свой входной предел по напряжению, с которым они могут работать без искажений.
Отсюда мы и получаем, что камеры:
D4, 1D X, 5D3 могут аналогово усиливать сигнал до ISO 3200 (или 6400)
А камеры D7000, D800 и подобные – до ISO 1600.
Цифры приведены условные, так как на основе анализа снимков можно только обозначить какой-то диапазон, а не сами значения, но в целом эти цифры хорошо отражают физическую картину.
Примечание. На самом деле в современных CMOS-матрицах типа SoC усилители сигнала уже встроены в пиксель. Но принципиально это ничего не меняет.
