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随着智慧医疗、远程医疗的发展,便携式医疗器械成为研究热点,基于微流控和图像传感器技术的光流体显微镜（Optofluidic Microscope）,因其易于系统集成、便于携带和可实时检测等优点,在生物细胞检测领域受到广泛关注,CMOS图像传感器作为光流体显微镜中的成像模块决定了成像质量。因此,面向光流体显微镜应用,对高速、高精度CMOS图像传感器中的关键技术进行研究具有重要意义。本文将时间延迟积分（Time Delay Integration,TDI）CMOS图像传感器应用于光流体显微镜,进行超分辨率成像方法、列并行模数转换器（Analog-to-Digital,ADC）等关键技术研究,主要包括如下内容:1.为了实现光流体显微镜的超分辨率成像,提出一种利用TDI CMOS图像传感器进行过采样实现超分辨率成像的方法。研究TDI级数和过采样频率对原始图像与超分辨率成像结果相互映射关系的影响,通过Matlab仿真表明,TDI CMOS图像传感器的过采样频率变为M倍,灰度平均梯度大约下降至0.67M/2倍,运动方向上图像分辨率明显提高,输出图像信噪比提高了M1/2倍。2.为了直接转换TDI CMOS图像传感器累加后的差分电压并提高信号的抗干扰能力,提出一种列并行全差分双斜坡ADC。该ADC利用一对采样电容的上极板进行差分输入采样,采样电容的下极板接基于电流舵结构产生的差分斜坡电压实现量化。在SMIC0.18μm CMOS工艺下实现10位的差分输入ADC,设计列宽为16μm,64列列处理电路的面积约为1.0mm×3.0mm,斜坡发生器面积约为1.0mm×0.7mm。时钟频率为20MHz,以19.49kS/s的采样频率对1.32kHz的输入进行采样,仿真得到SFDR为87.92dB,THD为-85.26dB,SINAD为-85.26dB,有效位数为9.84位。芯片测试结果显示,该ADC的DNL和INL分别为-0.7/+0.6LSB和-2.6/+2.1LSB。3.为了提高TDI CMOS图像传感器的成像速度和精度,提出一种两步式逐次逼近（Successive Approximation Register,SAR）/单斜坡（Single-Slope,SS）ADC,其中,高位采用SAR的方式提高转换速率,低位采用SS的方式减小面积,同时对高位失配误差和分段误差进行校准。在UMC 0.11μm CMOS工艺下实现了高6位SAR与低6位SS的12位SAR/SS ADC,芯片测试结果显示,无校准ADC以约20kS/s的采样频率对1.03kHz的输入进行采样,SNR为49.25dB,THD约为-62.83dB,SFDR为65.66dB,ENOB为7.86位。仿真对比了校准前后ADC的性能,经过校准的DNL和INL分别由-0.8/+0.7LSB和-1.7/+0.5LSB减小至-0.2/+0.2LSB和-0.33/+0.23LSB,SFDR提高24dB至89.57dB,THD减小19dB至-87.67dB,有效位数增加1位至11.86位。4.为了提高TDI CMOS图像传感器中列并行ADC采样精度,提出一种适用于列并行电路的改进型栅压自举开关。利用源极跟随器在减小开关导通电阻的同时提高电路的可靠性,通过体效应补偿电路降低输入与导通电阻的相关性,在列共用偏置电路上增加控制开关以避免冗余功耗。使用UMC 0.11μm CMOS工艺进行设计实现,仿真结果表明与传统结构相比,开关导通电阻降低了约28.6%,输入范围内电阻变化率小于1.2%,有效位数提高了1位,而面积只增加了15%。芯片测试结果显示,以20MS/s的采样频率对1.97MHz的输入进行采样,SNR、SFDR和ENOB分别为85.8dB、71.1dB和11.5位。本文深入研究了应用于光流体显微镜中TDI CMOS图像传感器的关键技术,提出了超分辨率成像方法,研究了满足应用需求的ADC及其主要电路,为实现便携式光流体显微镜打下坚实的基础。