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时间延迟积分(Time-Delay Integration,TDI)图像传感器是一类特殊的线阵传感器,它通过对移动物体的重复曝光和信号累加实现高性能图像。相对于普通线阵图像传感器,TDI型图像传感器以其高灵敏度,高信噪比等特点,在空间遥感、航空拍摄、机器视觉成像、文件扫描等领域具有重要的应用价值。本文针对128级TDI CMOS图像传感器进行了从电路级到系统级的VerilogA建模与仿真验证,对数字域累加实现方案进行了读出电路设计。本文首先分析了TDI图像传感器的工作方式、信噪比提高原理以及保证图像不失真成像的全局同步曝光和滚筒式曝光方式。论述了TDI实现信号累加、信噪比提高的三种方案,包括模拟域积分电路累加、数字域累加和混合域累加。对构成图像传感器读出电路关键模块,包括像素单元、开关、电容、运算放大器、比较器等进行了细致的误差分析,采用模拟硬件描述VerilogA语言对模拟域累加关键电路中像素阵列、累加器和单斜ADC进行了建模。对模拟域累加整体电路进行了行为级的仿真验证。本文对TDI CMOS图像传感器数字域累加实现方案中的关键电路进行了设计,包括像素源跟随器电路、双采样电路、可变增益放大器电路、Cyclic ADC电路。通过双采样电路消除像素复位噪声和固定模式噪声,可变增益放大器通过调节增益倍数使TDI可以工作在不同的曝光条件下,Cyclic ADC将像素模拟电压转换为数字量,通过数字电路实现信号累加和信噪比提高功能。本文设计的Cyclic ADC通过交换采样电容和负载电容实现ADC速度提高一倍,采用新颖的动态比较器结构实现低失调电压,将ADC中比较器采样时间提前消除比较器回踢噪声影响。本文对设计的电路进行了电路级前仿真和提取版图寄生参数的后仿真验证,整体电路达到60dB输出动态范围,ADC中比较器失调电压的蒙特卡罗仿真结果为60mV,最终读出电路整体芯片面积为0.09mm2(3mm×0.03mm),功耗为507uW。