基于连续波的飞行时间(TOF)三维图像传感器的研究

摘要

基于连续波飞行时间法（TOF）的三维图像传感器区别于传统的图像传感器，可以获得拍摄物体的距离信息，在消费电子、医学成像和工业监测等领域具有极其重要的应用价值。对于三维图像传感器图而言，像素性能的好坏直接决定了图像传感器的测量精度，而读出电路是将像素感受到的模拟信号转换为数字信号，决定了三维图像传感器的最终测量精度。所以本文研究基于连续波TOF的三维图像传感器中关键部分----像素和低噪声读出电路。
　　本文研究了光源信噪比和像素中散粒噪声对基于TOF三维图像传感器测量精度的影响，然后分析了用于TOF三图像传感器中常见的单FD和双FD像素结构，并采用一种适用于标准CMOS工艺的恒压电流积分型像素结构。在设计读出电路时，为了降低读出噪声同时尽量不降低读出电路的速度，提出一种基于12位SAR ADC的快速多次相关采样的方法，是对传统的多次相关采样方法的改进，同时为了提高SAR ADC中DAC模块对电容失配的容忍和降低版图面积，增加冗余位并采用数字校准，最后对读出电路中SAR ADC的功耗进行优化，采用将上极板采样，电荷泄放和三级参考电压结合的办法优化读出电路中SAR ADC中DAC的开关切换策略，采用斩波，高速比较器以及引入数字校准的方法来降低SAR ADC中比较器的功耗。=基于连续波的TOF三维图像传感器芯片采用SMIC0.18μm CMOS工艺进行了晶体管级别的设计验证并且流片。晶体管级的仿真结果表明其中像素模块的测量误差为6％，读出电路中SAR ADC进行数字校准之后有效位可从10.06位提高到11.76位，读出电路完成16次的快速多次相关采样，读出噪声降低为1/4，转换时间5.45μs，相对于传统方法的8μs降低了31.9%。最后优化了SAR ADC中比较器的功耗，在有效位不变的情况下，采用斩波的方法可使比较器功耗从1.023mW降低为0.4653mW。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 三维图像传感器概述

1.2 基于TOF的三维图像传感器的发展现状

1.3 选题的目的和意义

第2章 三维图像传感器工作原理和分析

2.1 三维图像传感器的工作原理

2.2 三维图像传感器的测量误差分析

2.3 本章小结

第3章 三维图像传感器的整体设计

3.1 传感器整体架构

3.2 像素结构以及工作原理

3.3 读出电路设计

3.4 本章小结

第4章 读出电路的功耗优化

4.1 DAC的开关策略

4.2 比较器

4.3 本章小结

第5章 总结和展望

5.1 论文总结

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢