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基于混合域累加的TDI型CMOS图像传感器关键技术研究

作　者: 高岑
导　师: 姚素英
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 线阵CMOS图像传感器时间延迟积分系统建模电流型像素累加器模数转换器
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 28次
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内容摘要

时间延迟积分(Time-Delay-Integration, TDI)型图像传感器是一种特殊的传感器，它以面阵图像传感器的形式完成线阵扫描成像的功能，能够实现高速扫描和高分辨率影像，可获得比传统面阵图像传感器更高的分辨率和精度，在空间遥感、航空成像、工业监测控制和安全监控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CMOS处理电路可集成性的提高，基于标准CMOS工艺的TDI型图像传感器已经成为该领域的研究热点。因此，本文立足于混合域累加的系统架构和读出处理电路设计，开展TDI型CMOS图像传感器设计的关键技术研究。本文深入分析现有TDI型图像传感器的研究现状，提出一种可节省芯片面积并同时实现高速行频的基于混合域累加的系统研究方案；立足于CMOS工艺特点和发展趋势，设计了一种输出电流信号的有源像素结构；研究可用于实现32级混合域累加的电流型模拟累加器和数字累加器，并对其噪声特性进行分析；针对本文研究方案的列级读出架构，提出了两种模数转换器结构。一种为带有误差校准的单斜ADC，另一种为可直接量化电流信号的Cyclic ADC。本文通过理论分析、系统建模、电路设计仿真以及测试，完成TDI型CMOS图像传感器整体系统，包括像素与读出电路的设计，并采用GSMC混合信号工艺对系统中的关键模块进行投片验证。仿真与测试结果表明，所设计的电路能够满足系统要求。本文的创新性工作包括：1、基于32级TDI型CMOS图像传感器，提出一种新型的混合域累加的读出电路结构。该读出结构结合模拟域累加和数字域累加各自的优势，能够大幅节省累加器占用的芯片面积，在保证高速输出行频的基础上，放宽数模转换器对转换速率的要求。仿真与验证结果表明，该混合域读电路结构能够实现与单纯模拟域累加或单纯数字域累加相同的信噪比提升性能。2、在研究TDI型CMOS图像传感器工作原理和时间延迟积分技术的基础上，基于混合域累加的读出结构，分析推导出电流累加器的低噪声设计方法，并设计一种低噪声的新型电流信号累加电路。3、提出了一种量化电流信号的模数转换器电路结构，在保证转换精度和低芯片面积的前提下，提高了ADC的功耗效率。同时设计了一种用于该模数转换器的电流采样保持电路，该电路能够消除开关电荷注入中与信号相关的噪声，并抑制与信号不相关的噪声。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-14
  1.1 CMOS 图像传感器概述  9-10
    1.1.1 前言  9-10
    1.1.2 线阵图像传感器与面阵图像传感器  10
  1.2 TDI 型图像传感器国内外发展现状  10-12
  1.3 本论文的选题意义  12
  1.4 本论文的内容安排和主要创新点  12-13
  1.5 本章小结  13-14
第二章 TDI 型 CMOS 图像传感器系统方案研究  14-30
  2.1 TDI 型 CMOS 图像传感器工作原理  14-16
  2.2 TDI 型 CMOS 图像传感器曝光方式  16-20
    2.2.1 全局曝光方式  16-17
    2.2.2 滚筒式曝光方式  17-20
  2.3 TDI 型 CMOS 图像传感器的信号累加方式  20-22
    2.3.1 模拟域累加  20-21
    2.3.2 数字域累加  21
    2.3.3 混合域累加  21-22
  2.4 混合域累加 TDI 型 CMOS 图像传感器建模验证  22-26
    2.4.1 混合域累加的功能验证  22-25
    2.4.2 混合域累加的性能验证  25-26
  2.5 TDI 型 CMOS 图像传感器读出结构  26-29
    2.5.1 像素级读出结构  26-27
    2.5.2 芯片级读出结构  27
    2.5.3 列级读出结构  27-28
    2.5.4 混合域累加 TDI 型 CMOS 图像传感器系统结构  28-29
  2.6 本章小结  29-30
第三章适用于 TDI 型 CMOS 图像传感器的电流型有源像素研究  30-43
  3.1 有源像素概述  30-32
    3.1.1 有源像素结构  30-31
    3.1.2 衡量像素阵列的关键参数  31-32
  3.2 电压型像素结构  32-34
    3.2.1 三管有源像素  32-33
    3.2.2 四管有源像素  33-34
  3.3 电流型像素结构  34-37
    3.3.1 电流型像素结构与工作原理  34-35
    3.3.2 电流型像素的非线性分析  35-36
    3.3.3 电流型像素的噪声特性分析  36-37
  3.4 电流型像素及读出电路设计与仿真  37-42
    3.4.1 3T电流型像素设计与仿真  37-39
    3.4.2 读出电路设计与仿真  39-41
    3.4.3 电流型像素版图及读出电路版图  41-42
  3.5 本章小结  42-43
第四章 TDI 型 CMOS 图像传感器中累加器设计研究  43-68
  4.1 模拟累加器电路结构  43-47
    4.1.1 电流型模拟累加器  43-44
    4.1.2 电流型累加器的建模分析  44-47
  4.2 电流型模拟累加器电路结构及工作原理分析  47-50
    4.2.1 运放有限增益对累加器的影响  49
    4.2.2 电荷注入消除  49-50
    4.2.3 晶体管亚阈值漏电  50
  4.3 电流型模拟累加器的电路设计  50-54
    4.3.1 开关电容放大器的指标分析  50-52
    4.3.2 电流型模拟累加器内运算放大器的设计  52-53
    4.3.3 运算放大器仿真结果  53-54
  4.4 电流累加器整体噪声分析  54-60
    4.4.1 运算放大器引入的噪声分析  55-58
    4.4.2 电流累加器中的 kT/C 噪声分析  58-59
    4.4.3 电流累加器总体等效输入噪声  59-60
  4.5 数字累加器与两相不交叠时钟  60-62
    4.5.1 数字累加器设计  60-61
    4.5.2 两相不交叠时钟  61-62
  4.6 模拟累加器版图设计  62-63
  4.7 累加器后仿真验证结果  63-67
    4.7.1 模拟电流累加器后仿真验证结果  63-65
    4.7.2 数字电路模块仿真验证结果  65
    4.7.3 混合域累加后仿真验证  65-67
  4.8 本章小结  67-68
第五章 TDI 型 CMOS 图像传感器中量化电路设计研究  68-107
  5.1 列级 CMOS 图像传感器中常用 ADC 结构分析  68-71
    5.1.1 单斜(Single-Slope)ADC  68-69
    5.1.2 循环(Cyclic)ADC  69-70
    5.1.3 各类 ADC 比较  70-71
  5.2 单斜 ADC 的设计  71-91
    5.2.1 I-V转换电路  72-75
    5.2.2 斜坡产生器  75-79
    5.2.3 比较器  79-81
    5.2.4 单斜 ADC 误差校正设计  81-83
    5.2.5 锁存器和寄存器  83-84
    5.2.6 单斜 ADC 的版图设计和后仿真验证  84-89
    5.2.7 单斜 ADC 的芯片测试  89-91
  5.3 电流型 Cyclic ADC  91-106
    5.3.1 Cyclic ADC的工作原理  91-93
    5.3.2 电流采样保持电路  93-97
    5.3.3 电流比较器  97-99
    5.3.4 MDAC 电路  99-101
    5.3.5 电流型 Cyclic ADC 的版图设计和后仿真验证  101-106
  5.4 本章小结  106-107
第六章总结与展望  107-109
  6.1 论文工作总结  107-108
  6.2 下一步工作的展望  108-109
参考文献  109-117
发表论文和参加科研情况说明  117-118
致谢  118

基于混合域累加的TDI型CMOS图像传感器关键技术研究

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