高速高級數(shù)CMOS-TDI圖像傳感器研究與設(shè)計.pdf

1、時間延遲積分（TDI）型圖像傳感器是一種以掃描方式工作的多行線陣圖像傳感器。TDI型圖像傳感器通過累加像素曝光信號等效延長曝光時間和提升信噪比，因此其特別適于高速低光照應(yīng)用環(huán)境，在空間成像、醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)監(jiān)測等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價值。近年來，CMOS-TDI型圖像傳感器因其所具有的低功耗、高集成度等優(yōu)勢，逐漸成為研究熱點。隨著 CMOS-TDI型圖像傳感器的發(fā)展，獲得高 TDI累加級數(shù)和高信號讀出速度成為制約其應(yīng)用的兩大難題。本文立

2、足于模擬域累加型 CMOS-TDI圖像傳感器的系統(tǒng)架構(gòu)和讀出電路設(shè)計，開展高速、高級數(shù)CMOS-TDI型圖像傳感器的研究與芯片實現(xiàn)。
　　本文分別對 CMOS-TDI圖像傳感器的曝光方式、信號累加方式和芯片架構(gòu)進行了研究，提出了一種時間欠采樣行滾筒曝光方式，在保證信號采集同步性的同時，減少了信號讀出速率，結(jié)合像素分組曝光方案可以減少后續(xù)累加器所需的積分器個數(shù)。在分析了模擬域累加器結(jié)構(gòu)原理及非理想效應(yīng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了加入去耦合電容以

3、減少寄生效應(yīng)的32行1024列模擬域累加型CMOS-TDI圖像傳感器，驗證了去耦合結(jié)構(gòu)在減少模擬域累加器寄生效應(yīng)方面的作用。結(jié)合時間欠采樣行滾筒分組曝光方式提出了一種兩步式累加結(jié)構(gòu)，通過將像素曝光信號分組兩步累加的方式削減模擬累加器中寄生效應(yīng)的影響，提高等效累加級數(shù)；設(shè)計了兩版64級兩步式模擬域累加器，通過結(jié)合兩步式累加結(jié)構(gòu)與去耦合結(jié)構(gòu)進一步提高等效累加級數(shù)，仿真結(jié)果表明相對于原累加器此結(jié)構(gòu)可以將最高等效累加級數(shù)從200級提升至1000

4、級。在分析了CMOS-TDI型圖像傳感器中速度限制的基礎(chǔ)上，設(shè)計了流水采樣模擬域累加器，通過結(jié)合運放共享技術(shù)與流水采樣技術(shù)，使用單個運放實現(xiàn)兩級流水線型模擬域累加器，在不增加電路功耗與面積的情況下，將累加器的工作速率提升了一倍，在1MHz時鐘頻率和3.3V電源電壓下，可實現(xiàn)2M S/s采樣速度而功耗僅為0.29mW。
　　基于以上研究，本論文采用GSMC0.18μm CMOS工藝完成了32×1024模擬域累加型CMOS-TDI圖像