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随着三维成像技术的创新与发展,基于飞行时间(Time of Flight,TOF)法的3D图像传感器因具有鲁棒性高、体积小、成像速度快等特点,近年来已经成为该领域的研究热点。模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)作为TOF传感器的核心模块,其性能是决定传感器成像质量及测距精度的关键因素。因此,对于该传感器中模数转换器的研究具有重要意义。本文通过对TOF传感器成像及测距机理的研究与分析,设计了一款应用于TOF传感器中的列并行模数转换器。结合实际应用需求及对几种列并行模数转换器的分析与比较,本文设计的ADC采用单斜结构实现,并确定了精度为11bit,采样速率为66.67KSps,量化范围为2.4～2.8V的设计目标。设计的ADC由斜坡发生器、比较器、计数器、寄存器及时序电路组成。在斜坡发生器的设计中,本文采用内部自校准技术,有效的解决了斜坡发生器斜率偏移对系统精度的影响;在比较器的设计中,本文采用单级预放大与动态锁存级联的方式,并采用了输入失调消除技术,在节省功耗的同时抑制了失调电压对系统的影响;在计数器的设计中采用格雷码计数,有效的降低了误码现象。本文采用韩国东部电子0.13μm 1P4M CMOS图像传感器工艺完成了电路原理图及版图的设计,并进行了仿真验证与分析。前仿真结果表明,该模数转换器的微分非线性为-0.1LSB/+0.3LSB;积分非线性为0LSB/+1.6LSB;有效位数为10.96bit,信噪比为68.3dB,无杂散动态范围为78.2dB;单列比较器功耗为1.96μW。后仿真结果表明,其有效位数为10.43bit,信噪比为65dB,无杂散动态范围为74.8dB;单列比较器功耗为3.6μW。整个传感器芯片面积为5×5mm2,单列比较器版图宽度为5μm。流片测试结果表明,所设计的ADC功能正常,且具有良好的线性度。TOF传感器芯片深度成像功能正常。