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时间延迟积分(Time Delay Integration，TDI)是指对移动中的同一物体进行多次曝光并将曝光结果进行累加，等效增加像素对物体的曝光时间，减少像元间响应不均匀和固定图像噪声的影响，从而提高图像传感器的信噪比和灵敏度，使其在低照度条件下仍能获得高分辨率的图像，广泛应用于航空遥感、医学成像等领域。本文通过系统建模验证128级TDI CMOS图像传感器数字域累加方案，并对时序控制电路进行研究。本文介绍了TDI CMOS图像传感器的工作原理，并分析了全局曝光与滚筒式曝光这两种曝光方式各自的特点；结合相关双采样与过采样滚筒式曝光，在降低读出噪声的同时实现信号的同步采集；分析了传感器扫描速度与像素尺寸的关系，研究了积分采样过程和速度失配对于系统调制传输函数的影响；针对模拟积分电路容易出现电压饱和的情况，采用先量化、后累加的数字域累加方法，充分利用模数转换器的量化范围。采用Verilog-A和Verilog HDL分别对TDI CMOS图像传感器中的像素、模数转换器及累加电路进行建模后，配合时序控制电路进行仿真，验证了数字域累加方案的可行性。根据数字域TDI算法设计并优化电路结构，每列共用加法器以降低芯片面积，通过仿真观察512列负载对时序控制信号线的影响；在像素阵列上按照红、绿、蓝三色为一组的排列方式放置彩色滤光片，并对电路结构及时序控制电路做出修改，使TDI CMOS图像传感器输出RGB模式真彩色图像。本文通过模数混合仿真验证电路的功能，并完成时序控制电路的逻辑综合、布局布线、静态时序分析及物理验证，采用GSMC0.18m工艺进行流片。系统主时钟为40M，累加电路为1~129级可调，渡越时间34s、258s可调，单列累加电路版图面积为30m6023m，时序控制电路版图面积为116m5200m。