CMOS-TDI图像传感器研究与芯片实现

【摘要】：时间延时积分（TDI）型图像传感器是一种特殊的线阵图像传感器，在高速扫描状态下可获得比传统线阵图像传感器更高的信噪比和灵敏度，在空间成像、医学成像和工业监测等领域具有极其重要的应用价值。随着CMOS工艺特征尺寸的缩小和电路集成度的提高，基于标准CMOS工艺的TDI型图像传感器已经成为研究热点。本文立足于模拟域累加型和数字域累加型CMOS-TDI图像传感器的系统架构和读出电路设计，开展CMOS-TDI图像传感器的研究与芯片实现。 本文深入分析了CMOS-TDI图像传感器的研究现状，提出了能够在模拟域和数字域完成信号累加的两种CMOS-TDI图像传感器架构；针对模拟域架构，研究了模拟域累加器，并对其寄生效应进行了分析，提出了两种克制寄生效应的方法；针对数字域架构，提出了两种列并行模数转换器，一种是带有信号预处理功能的Cyclic ADC，另一种是带有失调消除的电容失配非敏感Cyclic ADC；针对长线阵图像传感器的IR-drop和时钟驱动问题进行了分析并提出了一些解决方法；本文通过理论分析、系统建模、电路仿真完成了模拟域累加型和数字域累加型CMOS-TDI图像传感器整体设计，并采用GSMC0.18μm CMOS工艺完成了原型芯片的投片验证。测试结果表明，所设计的读出电路满足在线阵长度1024像素、3875/s行频条件下128级TDI图像传感器系统的要求。 本文的创新性工作包括： 1、提出了一种适用于模拟域累加型CMOS-TDI图像传感器的模拟域累加器，基于运算放大器共享和输入失调存储技术降低了模拟域累加器对面积和功耗的要求，同时降低了列FPN，该模拟域累加器同时能够完成相关双采样操作降低了像素的读出噪声。同时利用加入去耦合电容的方法降低了模拟域累加器中的寄生效应，进而可实现更高级数的累加功能。 2、提出了一种动态电源IR-drop非敏感电流源电路，该电路使用电压钳位的方法保持了传统电流源栅漏电压的恒定，降低了电源IR-drop对电流源输出电流的影响。该电路解决了长线阵CMOS-TDI图像传感器中像素和读出电路电流供应的问题。 3、提出了一种带有失调电压消除的比值非相关MDAC电路，降低了CyclicADC对电容失配的敏感程度，放宽了电路设计要求，提升了Cyclic ADC的转换精度。该Cyclic ADC适用于数字域累加型CMOS-TDI图像传感器中。