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近年来，随着CMOS工艺技术能力的提高和图像处理技术的不断成熟，CMOS图像传感器技术得到飞速发展。当着眼于低照度，快速运动的物体成像时，CMOS图形传感器的应用受到了限制。将时间延迟积分技术应用于线阵CMOS图像传感器，对成像物体多次曝光累加等效延长曝光时间，达到提高成像信噪比的目的。面对大阵列像素图像传感器时，要求模数转换器(analog-to-digital, ADC)具有较高的采样频率和较小芯片面积。针对CMOS图像传感器中单斜ADC的低转换速度的问题，本文设计了一种将单斜ADC和时间数字转换器(time-to-digital-converter, TDC)结合的时域ADC。将ADC的模拟电压到数字转换过程分为模拟电压到时间、时间到数字的转换。电压到时间转换是将输入电压信号与斜坡发生器产生的斜坡电压信号输入到比较器中进行比较，得到与模拟电压信号成比例的时间段。然后用10位TDC量化第一步产生的时间段为数字码。这样ADC的转换速度主要取决于TDC的量化范围即斜坡的上升时间宽度。斜坡发生器由带周期复位信号的积分器实现，斜坡的上升时间宽度由复位信号决定。所设计的TDC为混合型结构，分为粗细量化。粗量化由计数器完成，可以得到6位转换，第二步用游标卡尺TDC精细量化计数器不能量化的余量，精细量化为4位。应用延迟锁相环稳定游标卡尺TDC中延迟单元的延迟。设计的时域ADC应用于TDI CMOS图像传感器中，斜坡发生器和延迟锁相环被所有列共用，列电路包括两条游标卡尺延迟线、计数器和比较器。在0.18μm标准CMOS工艺设计电路，仿真结果表明：在模拟电路3.3V，数字电路1.8V的供电电压下，ADC的SINAD达到51.2dB，整体功耗为1.76mW，列级电路功耗为236.38μW，采样频率为1MHz，输入信号范围为1.6V，满足TDI CMOS图像传感器的性能要求。