应用于tdi-cmos图像传感器列级cyclic adc的研究

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1、应用于TDI-CMOS图像传感器列级CyclicADC的研究ResearchofColumn-LevelCyclicADCforTDI-CMOSImageSensors领域：集成电路工程作者姓名：申石林指导教师：徐江涛副教授企业导师：张国辉天津大学电子信息工程学院二零一五年十一月摘要时间延迟积分（TimeDelayIntegration,TDI）技术通过多行像素对同一目标进行曝光，来提高在高扫描速度和低光照情况下的成像质量。目前，TDI型图像传感器被广泛应用于医学成像、卫星遥感和工业监测等领域。相对于TDI型电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice,CCD）图像传感器，TDI

2、型CMOS图像传感器因其低成本、抗辐射和高集成度等优点成为了新的研究热点。模数转换器（AnalogtoDigitalConverter,ADC）是TDI型CMOS图像传感器读出电路中的重要部分，其性能决定了最终的成像质量，因此本文对高性能列级ADC进行了研究和设计。本文首先分析了TDI型CMOS图像传感器信号累加方案，并根据数字域累加方案的特点选择了转换速度较快的循环（Cyclic）ADC结构。然后分析了电容失配、有限运放增益等非理想因素对CyclicADC性能的影响，为了便于校准，选择了电容极板翻转型ADC架构。比较器失调的影响可以通过冗余位（RedundantSignedDigit,

3、RSD）编码来缓解，开关引入的非线性可以通过自举开关的设计来减小，因此本文校正的重点是电容失配和运放有限增益。本文首先针对电容失配和运放有限增益提出了一种数字校准方法，并完成了相关电路和版图设计。同时在采样电容和反馈电容存在0.3%的电容失配的情况下进行动态性能仿真，仿真结果表明SNDR由未校正的63.65dB提升到了73.73dB，验证了该数字校准算法的有效性。由于数字算法面积较大，本文设计了一种针对电容失配的模拟域校准CyclicADC，其芯片面积为0.03×1mm2，并将其集成进TDI型CMOS图像传感器中，最终仿真结果为有效位8.66-bit，功耗0.6mW。关键词：CMOS图像

4、传感器，时间延迟积分，列并行CyclicADC，校准ABSTRACTTime-delay-integrationtechniquesignificantlyimprovestheimagequalityundertheconditionsofhighscanningspeedandlowilluminationbasedonmultipleexposureofthesameobject.Currently,TDIimagesensoriswidelyappliedtomedicalimaging,satelliteremotesensing,industrialdetectionande

5、tc.Comparedwithcharge-coupleddevice,TDI-CMOSimagesensorisbecomingahotspotofresearchduetothefeaturesoflowcost,radioresistanceandhighintegration.AsanindispensablepartofthereadoutcircuitofTDI-CMOSimagesensor,ADCplaysanimportantroleandhaveaprominenteffectonthequalityofimage.Thispaperfocusesontheresea

6、rchanddesignofthecolumn-parallelADC.Inthispaper,thesignalaccumulationschemeoftheTDI-CMOSimagesensorisfirstlyanalyzed.Accordingtothecharacteristicsofthedigitaldomainaccumulationscheme,thecyclicADCstructureischosenwithitsmediumconversionspeed.Consideringthatnon-idealeffectssuchascomparatoroffset,ca

7、pacitormismatchandfiniteop-ampgainwilllimittheaccuracyofcyclicADC.Andinordertocorrectthenonlinearerrors,capacitorplate-flippedarchitectureisthuschosenfortheconvenienceofcalibration.Sincetheeffectsofcomparatoroffsetcanb