时间延时积分(TDI)型CMOS图像传感器是一种特殊的线阵图像传感器,在高速扫描状态下可获得比传统线阵图像传感器更高的信噪比和灵敏度,在空间成像、医学成像和工业监测等领域具有极其重要的应用价值。ADC是TDI型CMOS图像传感器的重要组成部分,目前应用在CMOS图像传感器中的ADC有三种类型:像素级ADC、列级ADC和芯片级ADC。其中列级ADC对读出速度、芯片面积和功耗提供了一个良好的折衷,广泛应用于高分辨率高帧频的CMOS图像传感器中。所以本文对用于TDI型CMOS图像传感器的列级ADC进行了研究和设计。本文首先研究了用于CMOS图像传感器的几种常用的ADC结构,分析比较了它们的特点。然后本文提出了一种新型的两步单斜ADC,该结构采用了多个参考电压和一个斜坡信号,其量化过程被分为粗量化和细量化两个阶段,可以成倍地提高量化速度。由于多参考电压之间不可避免的偏差会引入误差,本文提出了一种误差校正方法。然后利用该新型ADC结构,为TDI型CMOS图像传感器设计了12位列级ADC,对各个模块进行了研究与设计,主要包括斜坡信号发生器、列级电路、数字读出电路及长阵列驱动等部分。最后进行了版图设计并流片验证。该TDI型CMOS图像传感器芯片通过GSMC 0.18μm 1P4M CMOS工艺进行了流片验证。其中列级ADC平均功耗128μW,量化周期40μs,每列宽度30μm,测得的SNDR和有效位数分别为45.8dB和7.3位。芯片尺寸为18.5 mm×11.9mm,像素阵列大小为1024×32,最大行频15.6k lines/s,该传感器芯片通过高速扫描拍摄得到了高质量的照片。