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基于连续波飞行时间法(TOF)的三维图像传感器区别于传统的图像传感器,可以获得拍摄物体的距离信息,在消费电子、医学成像和工业监测等领域具有极其重要的应用价值。对于三维图像传感器图而言,像素性能的好坏直接决定了图像传感器的测量精度,而读出电路是将像素感受到的模拟信号转换为数字信号,决定了三维图像传感器的最终测量精度。所以本文研究基于连续波TOF的三维图像传感器中关键部分----像素和低噪声读出电路。本文首先研究了光源信噪比和像素中散粒噪声对基于TOF三维图像传感器测量精度的影响,然后分析了用于TOF三图像传感器中常见的单FD和双FD像素结构,并采用一种适用于标准CMOS工艺的恒压电流积分型像素结构。在设计读出电路时,为了降低读出噪声同时尽量不降低读出电路的速度,本文提出一种基于12位SAR ADC的快速多次相关采样的方法,是对传统的多次相关采样方法的改进,同时为了提高SAR ADC中DAC模块对电容失配的容忍和降低版图面积,增加冗余位并采用数字校准,最后对读出电路中SAR ADC的功耗进行优化,采用将上极板采样,电荷泄放和三级参考电压结合的办法优化读出电路中SAR ADC中DAC的开关切换策略,采用斩波,高速比较器以及引入数字校准的方法来降低SAR ADC中比较器的功耗。本文的基于连续波的TOF三维图像传感器芯片采用SMIC 0.18μm CMOS工艺进行了晶体管级别的设计验证并且流片。晶体管级的仿真结果表明其中像素模块的测量误差为6%,读出电路中SAR ADC进行数字校准之后有效位可从10.06位提高到11.76位,读出电路完成16次的快速多次相关采样,读出噪声降低为1/4,转换时间5.45μs,相对于传统方法的8μs降低了31.9%。最后优化了SAR ADC中比较器的功耗,在有效位不变的情况下,采用斩波的方法可使比较器功耗从1.023m W降低为0.4653mW。