TDI型CMOS图像传感器列级Cyclic ADC设计与研究

摘要

作为线阵图像传感器的一种,时间延时积分(Time-Delay-Integration,TDI)图像传感器通过对相同物体多次曝光并将结果累加,可以大幅提高图像的信噪比。目前TDI图像传感器技术主要应用电荷耦合器件(Charge-Coupled-Device, CCD)实现,但是CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)集成度高、功耗低、抗辐照能力强,这些特性使得TDI型CMOS图像传感器正成为研究和应用的热点。
　　数字域累加TDI型CMOS图像传感器先将像素输出的模拟信号通过模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)转换为数字信号,然后通过数字累加器进行累加并得到最终输出。因此最终图像传感器的成像质量很大程度上由ADC的性能决定。本课题数字域TDI图像传感器读出电路中采用列并行循环(Cyclic)模数转换器,以获取较快的转换速度。但在实际情况下由于电容失配、有限运放增益等非理想因素的影响,会导致Cyclic ADC精度减小,从而使图像传感器最终生成的图像质量下降。
　　本文通过对TDI图像传感器的工作原理、成像方式、以及累加方案进行分析,确定了数字域累加 TDI-CMOS图像传感器的芯片架构。然后设计了一种用于TDI-CMOS图像传感器芯片中的冗余位(Redundant Signed Digit,RSD)编码Cyclic ADC,并进行了版图设计与后仿真验证。在对传统Cyclic ADC结构中的误差源进行分析的基础上,针对其中的增益误差,分别通过多次电荷转移以及数字校准原理,从模拟与数字两个方向提出对增益误差的修正方法,并对两种方法进行了电路实现。在GSMC0.18μm标准CMOS工艺下对三种Cyclic ADC进行了仿真验证,仿真结果表明TDI图像传感器中列并行 Cyclic ADC有效位为8.92-bit,在500KS/s采样率下功耗为0.37mW。同时,两种优化方法均能够有效减小Cyclic ADC中增益误差的影响。

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第一章 绪论

1.1 CMOS图像传感器概述

1.2 TDI型图像传感器基本工作原理

1.3 TDI-CMOS图像传感器发展现状

1.4 选题的意义与论文结构

第二章 TDI CMOS图像传感器架构分析

2.1像素曝光方式

2.2 图像传感器ADC的分类

2.3 TDI-CMOS图像传感器累加方案分析

2.4 本章小结

第三章 列级Cyclic ADC的设计与实现

3.1 常用的图像传感器列级ADC

3.2 ADC的主要性能指标

3.3 RSD编码算法Cyclic ADC

3.4 列级Cyclic ADC系统结构

3.5 Cyclic ADC的电路子模块设计

3.6 Cyclic ADC的版图设计

3.7 ADC的仿真

3.8 本章小结

第四章 Cyclic ADC中的非理想因素分析及优化

4.1 Cyclic ADC中的误差

4.2 电容失配误差优化Cyclic ADC

4.3 数字校准Cyclic ADC

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢