关键词：
时间延时积分
图像传感器
外围电路
时序控制
抗辐照加固
摘要：
时间延迟积分(Time Delay Integration,TDI)技术通过对移动中的同一物体进行多次曝光并将曝光信号进行累加,从而等效增加像素对物体的曝光时间。这使得图像传感器在低照度环境下,仍能够获取高分辨率的图像。TDI技术在卫星遥感、医学成像和航空航天等领域具有广泛应用。然而,随着器件工艺节点的不断降低,像素器件面积也随之减小,这导致TDI型图像传感器对时序控制电路的功耗、集成度和抗辐照性能要求急剧增加。因此,对TDI型图像传感器架构和性能优化的研究变得十分迫切。
针对上述问题,本文对TDI图像传感器外围电路中时序控制电路进行了深入研究,对现有架构存在的问题提出了解决方案。并在时序控制电路的基础上,对其抗辐照性能进一步优化,以提高图像传感器的适用性。论文的主要工作内容和创新点归纳如下。
(1)分析了TDI图像传感器外围电路的工作原理、曝光方式和TDI实现方式,并结合像素器件特性、设计指标以及外围电路的实现难度综合考虑,确定了采用电荷域累加和卷帘曝光实现TDI图像传感器时序控制电路的设计。针对现有架构中存在的不足,提出了解决方案。首先,针对现有结构中电荷域累加的缺点,采用曝光时间和TDI级数可调节的方法,减少电荷域累加方案中电荷转移效率和满阱电荷量的限制。其次,针对现有结构中卷帘曝光的缺点,分析了行列控制模块采用分级译码器结构的不足,提出了采用状态机控制的方法,避免由于控制信号间偏移导致的输出图像紊乱。最后,为提高图像信噪比,采用相关双采样(Correlated Double Sampling,CDS)技术,并对数字CDS模块进行了改进,分别针对列复用读出结构和列对应读出结构下的CDS电路,提出了两种不同的解决方案。
(2)通过模数联合仿真验证外围电路的功能后,在55 nm工艺下进行外围电路的后端物理设计。首先,完成了时序控制电路的逻辑综合和形式验证。其次,对包括模拟部分和时序控制电路的整个外围电路进行自动布局布线。最后,对物理设计得到的版图进行设计规则检查、电路规则检查和静态时序分析,完成版图分析和验证。整块外围电路芯片的面积为7.125 mm×8.725 mm,内核面积为6.515 mm×8.150 mm,模拟电路模块面积为3.155 mm×4.625 mm,其余部分为时序控制电路以及各种功能单元。在TYP工艺角下,时序控制电路功耗约为213 m W,约占外围电路总功耗的23%。
(3)在TDI型图像传感器时序控制电路的基础上,针对抗辐照性能进行加固,以提高数字电路的可靠性。本文通过设计具有抗辐照性能的基础数字单元,然后替换普通数字单元的方式实现了抗辐照加固。首先,分析了单粒子效应在电路层面上造成的影响,并对其进行建模。其次,分别提出了针对组合逻辑单元以及时序逻辑单元的加固方法。最后,对关键数字模块进行了抗辐照性能的仿真,验证了所提出抗辐照方案的合理性。
综上所述,本文设计的TDI型图像传感器时序控制电路可以满足像素阵列的控制和图像数据输出处理的需求,并对抗辐照性能进行了优化,使之有更广阔的应用场景。
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