模拟域CMOS-TDI图像传感器中读出电路研究与设计

论文摘要

线阵图像传感器是一类特殊的图像传感器，其仅通过一行有效的感光像素以扫描拍摄的形式来获取二维图像信息。这种特殊的工作方式使获得高分辨率的图像成为可能，因此线阵图像传感器特别适合应用于空间成像、医疗成像和工业监控等领域。但其像素的曝光时间受传感器相对被拍摄物体的移动速度限制，因此传感器的信噪比会受限，尤其在低照度高速运动的场合下其信噪比严重恶化。可通过时间延时积分的方法提升其信噪比，这种工作模式通过对相同物体进行多次曝光并将曝光结果进行累加，累加过程中信号能量增长速度大于噪声能量增长速度，实现信噪比提升的作用。本文重点研究了深亚微米CMOS工艺下时间延时积分线阵图像传感器芯片中读出电路的关键技术。具体研究了CMOS时间延时积分图像传感器的设计难点，并针对设计难点，分别对CMOS时间延时积分图像传感器的曝光方式、信号累加方式和芯片架构进行了研究，基于这些研究对CMOS时间延时积分图像传感器进行了行为级建模仿真，最后通过改进的Along-Track-Rolling曝光方式保证了同列像素对相同物体曝光的同步性，并通过合理设计像素感光区占整个像素区域的百分比降低传感器MTF值的损失；研究了模拟域累加CMOS时间延时积分图像传感器的读出电路，设计了128级模拟信号累加器，并对其噪声特性进行了分析；研究了芯片级CMOS时间延时积分图像传感器的读出电路，设计了增益区间为1到4的64级低功耗增益可编程放大器，通过结合运放共享技术与动态偏置技术，使用单个运放实现两级流水线型DPGA的增益控制，其运放偏置电流受输出摆动幅度的控制，并且增益带宽积需求也根据两级共享的要求进行了优化，在5MSPS采样速度和3.3V电源电压下，可实现12位采样精度而功耗仅为0.65mW，经流片验证该增益可编程放大器的功能正确。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 TDI 型图像传感器基本工作原理
• 1.3 TDI 型图像传感器发展现状
• 1.4 本文结构
• 第二章 CMOS-TDI 图像传感器架构分析
• 2.1 CMOS-TDI 图像传感器曝光方式分析
• 2.1.1 Global Shutter 曝光方式
• 2.1.2 Across-Track-Rolling 曝光方式
• 2.1.3 改进的 Across-Track-Rolling 曝光方式
• 2.1.4 Along-Track-Rolling 曝光方式
• 2.1.5 改进的 Along-Track-Rolling 曝光方式
• 2.1.6 各曝光方式指标对比
• 2.2 片内信号累加器分析
• 2.3 CMOS-TDI 图像传感器架构
• 2.4 小结
• 第三章 CMOS-TDI 图像传感器建模仿真
• 3.1 通过 MTF 函数评价 CMOS-TDI 图像传感器分辨率
• 3.1.1 MTF 函数定义
• 3.1.2 CMOS-TDI 图像传感器 MTF 函数计算
• 3.2 Along-Track-Rolling 曝光方式 Matlab 模拟
• 3.2.1 模拟被拍摄物体
• 3.2.2 曝光过程模拟
• 3.2.3 Matlab 模拟仿真结果
• 3.3 小结
• 第四章 模拟累加器设计
• 4.1 模拟累加器电路结构
• 4.1.1 运放有限增益对累加器输入失调电压消除效果的影响
• 4.1.2 电荷注入消除
• 4.1.3 晶体管亚阈值漏电对累加器精度影响
• 4.2 模拟累加器中运放设计
• 4.2.1 开关电容放大器建立精度分析
• 4.2.2 模拟累加器内部 OTA 设计
• 4.2.3 OTA 仿真结果
• 4.3 累加器控制时钟产生
• 4.4 累加器噪声分析
• 4.4.1 OTA 引入的噪声分析
• 4.4.2 kT/C 噪声分析
• 4.4.3 累加器总和等效输入噪声计算
• 4.5 累加器仿真结果
• 4.6 累加器版图设计
• 4.7 动态偏置电压缓冲器设计
• 4.8 小结
• 第五章 芯片级 CMOS-TDI 图像传感器中低功耗 DPGA 设计
• 5.1 运放共享 DPGA 结构
• 5.2 可编程电容阵列 C1优化
• 5.3 运放共享 DPGA 功耗优化
• 5.3.1 共享运放 GBW 均衡
• 5.3.2 运放设计
• 5.3.3 动态偏置电路设计
• 5.4 电荷注入消除
• 5.5 仿真结果
• 5.6 流片测试结果
• 5.7 小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢