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脉冲型高行频TDI CMOS图像传感器研究

脉冲型高行频TDI CMOS图像传感器研究

作     者:张宝帅 

作者单位:天津大学 

学位级别:硕士

导师姓名:高静;李晓晨

授予年度:2021年

学科分类:080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题:TDI CMOS图像传感器 脉冲型 高行频 低能耗 

摘      要:时间延时积分(Time Delay integration,TDI)CMOS图像传感器是一种特殊的行扫描图像传感器。这种工作方式能够使图像传感器实现高分辨率高信噪比的性能,因此适用于视频监控、空间成像和医疗成像等领域。虽然TDI CMOS图像传感器技术得到了快速的发展,但是高行频,高级数的TDI CMOS图像传感器的研究仍面临巨大挑战。对于顺序类累加方式来说,行频受到片上信号处理电路速度的限制,该信号处理电路主要由信号累加器和模数转换器组成。行处理时间等于信号处理时间和TDI阶数的乘积,所以在TDI级数很高的情况下,对于高行频的限制会更加严重。根据上述问题本文对高级数高行频的TDI CMOS图像传感器进行了研究。针对高级数高行频的TDI CMOS图像传感器的设计需求,本文提出了一种基于流水线电荷累加方式的脉冲型高行频TDI CMOS图像传感器。采用流水线单元完成信号的积分和传递功能,每一个流水线单元都级联一个脉冲发生器,脉冲发生器用来实时检测流水线单元的输出电压,当积分的电压达到阈值电压时输出1 bit二进制数据,并清空积分电容中的电荷量。然后分析了积分电容以及阈值电压的大小对于TDI CMOS图像传感器的影响并完成了对流水线单元、脉冲发生器以及数字累加器的设计和TDI CMOS图像传感器整体的功能和性能的仿真。本文采用0.11μm CMOS工艺设计了一款256级脉冲型高行频的TDI CMOS图像传感器。传感器的行频大小为100 k Hz,在256级TDI下的SNR提升为24.15d B,同时该传感器的能耗为0.44 n J/pixel。

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