用于TDI型CMOS图像传感器中列级ADC及读出电路的设计

摘要

时间延迟积分(TDI)型CMOS图像传感器可以对同一物体进行多次扫描，并把扫描得到的信号进行低噪声累加，所以它能够达到很高的灵敏度和信噪比，非常适合应用在暗光拍摄和高速扫描拍摄的条件下，在工业检测和航空拍摄等领域具有很高的应用价值。ADC及读出电路是TDI型CMOS图像传感器的重要组成部分，列级ADC相对于芯片级ADC，它的处理速度快，相对于像素级ADC，它的面积和功耗小。
　　 本文研究了TDI型CMOS图像传感器的工作原理和设计方案，重点对其中的列级ADC及读出电路进行了研究和设计。相对于电流累加方式，电压累加方式的列FPN和功耗较低；相对于传统的行滚筒式曝光方式，改进型行滚筒曝光方式对同一物体曝光的一致性更好，所以论文中TDI型CMOS图像传感器选用电压累加和改进型行滚筒曝光方式的方案。对于列级ADC，常用的结构有单斜ADC、逐次逼近ADC、迭代算法ADC等，这几种结构都能满足论文指标中对ADC的速度要求，但是单斜ADC的功耗低，结构简单，便于列级版图实现，所以论文中采用单斜ADC的结构。结合系统整体的要求，ADC采用误差校正技术提高了数据精度，采用比较器失调消除技术保证了良好的列间一致性，并且后续读出电路中采用正反馈型寄存器，提高了电路的可靠性。采用宏利半导体公司的0.18um标准CMOS工艺对TDI型CMOS传感器中列级ADC及读出电路进行了前仿真验证、版图设计和后仿真验证。仿真结果表明ADC的数据精度为10位，速度为32K，1024列ADC和读出电路的总功耗为120mW，这说明论文中设计的列级ADC及读出电路能够实现其功能并且满足系统的指标要求。