高精度tdicmos图像传感器模拟域累加器分析与设计

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1、高精度TDICMOS图像传感器模拟域累加器研究与设计ResearchandDesignoftheHighAccuracyAnalogAccumulatorforTDIImagesensors学科专业：微电子学与固体电子学研究生：徐新楠指导教师：姚素英教授天津大学电子信息工程学院二零一二年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中

2、作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日我是爱天大的！！学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要时间延迟积分（Time-Delay-Integration，TDI）图像传感器是单行扫描图像传感器的一种特殊改进形式。与传统单行扫描

3、图像传感器相比，时间延迟积分图像传感器可以在高相对速度、弱光强的条件下得到理想的拍摄效果。同时时间延迟积分图像传感器通过对相同对象多次曝光并将结果相加，使得最终的图像数据的信噪比大幅度增强。用CCD器件实现TDI图像传感器已经比较成熟，而国内外对TDICMOS图像传感器的研究还处于起步阶段，具备很大的研究价值。在CMOS工艺上实现TDI图像传感器的关键之一就是低噪声累加器的设计，本文对在深亚微米CMOS工艺下实现高性能TDI图像传感器模拟域累加器进行了深入分析。文中首先对列级以及芯片级的TDICMOS图像传感器结构进行了比较，并且分析了传统曝光方式对曝光同步性的影响，

4、进而确定了一种改进的行滚筒式曝光作为本文设计的曝光方式。然后设计了像素和累加器协同工作的时序控制电路，满足了芯片在多种工作模式下的时序要求。对于狭长布局的时序控制电路，侧重比较了时钟信号不同走线方式带来的影响。本文对一种现有的模拟域累加器进行了深入分析，长总线带来的大寄生效应使得存储电容的电荷受到严重干扰，出现了明显的精度、线性度下降问题。文中针对长总线寄生环境进行多方面研究，通过在差分存储电容下极板间引入补偿电容，使得总线等效寄生电容大幅度缩小，进而使累加器的精度、线性度得到改善。改进的模拟域累加器结构没有引入新的开关与操作时序，使得改进的累加器与原版累加器可以采用

5、相同的控制电路，保证了整体电路的稳定性。最后针对已经流片的测试版芯片设计了测试方案。经过仿真验证，在16级后仿结果中，累加器的误差从7.38%减小到了4.32%，线性度也得到明显提升。在128级累加模式下精度与线性度提升幅度将比16级更为明显。关键词：时间延迟积分、信噪比、累加器、长总线、高线性度ABSTRACTTime-Delay-IntegrationimagesensorisaspecialkindofLine-arrayimagesensor.Andcomparedwiththetraditionalsinglescanningimagesensor,Time

6、-Delay-Integrationimagesensorcangetbetterresultinhighrelativespeedandweaklightintensityconditions.Atthesametime,Time-Delay-Integrationimagesensorenhancethesignal-to-noiseratiobasedonmultipleexposureforthesameobjectandtheresultintegration.Lownoiseaccumulatordesignisoneofthekeyforrealizin

7、gTime-Delay-IntegrationimagesensorinCMOStechnology.ThispaperintroducesanewkindofTDICMOSimagesensoranalogaccumulator.Thispaperanalysesthedeep-submicronCMOSprocesstorealizetheTime-Delay-Integrationimagesensor.ComparedwithCCDdevice,CMOSdevicehasitsobviousadvantagesandhavenotbeenab