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时间延迟积分(Time Delay Integration，TDI)指对移动中的同一物体进行多次曝光，然后将多次曝光的结果进行累加，等效增加了像素对物体的曝光时间的一种方法。相比于传统单行扫描图像传感器，TDI CMOS技术可以获得较高的信噪比和灵敏度，减少像元之间的响应不均匀和固定图像噪声，在低照度条件下仍可获得高分辨率图像等特点，所以具有很大的研究价值。本文介绍了TDI CMOS图像传感器的工作原理，并分析了其曝光方式、信号累加方式和芯片架构的种类和特点。TDI CMOS图像传感器芯片信号累加方式主要包括模拟域累加以及数字域累加。由于模拟域累加容易出现电压饱和的情况，所以本文重点研究了数字域累加读出电路的关键技术，对数字域累加方案中模数转换部分进行全新的设计研究及尝试，提出了基于时域模数转换器（Analog toDigital Converter, Cyclic ADC）的数字累加方式。时域ADC的设计包括电压-时间转换器（Voltage to Time Converter, VTC）、循环时间-数字转换器(Cyclic Timeto Digital Converter, TDC)、时间放大器(Time Difference Amplifier, TDA)等。提出的电容-比较器型VTC可以将像素的模拟信号转换为时间信号，时间信号经过循环TDC量化为数字码值，数字累加器电路对数字码值进行累加操作从而实现数字域累加读出的过程。最后对数字累加器电路进行了电路版图设计和流片测试。本文通过GSMC0.18μm工艺完成了时域ADC的部分电路的设计和仿真，仿真结果表明，时域ADC能够完成模拟量到数字量的转换。对数字累加器采用GSMC0.18μm工艺进行了流片测试，其测试性能满足设计需求，每列累加器电路的版图面积为30μm×6057μm。