在焦平面读出电路中,跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier,TIA)将红外探测器检测到的光电流转化为时间信号,时间幅度转换器(Time-to-Amplitude Converter,TAC)再将时间信号转换为电压信号,最终便可得到探测物体的距离信息,TAC作为焦平面读出电路中最关键的模块之一,其性能的好坏直接决定了整个焦平面读出电路的性能,因此如何设计出高性能的TAC是焦平面读出电路中最重要的课题。在集成电路中,积分器可以把时间信号转化到电压信号,本文正是基于这种思想设计了一款像素级TAC。首先本文介绍了该像素级TAC的原理,其原理是在像素外产生全局的斜坡信号,Buffer作为缓冲器将斜坡信号推送到每一个像素内,像素内的采样保持电路采样时间终止信号对应的斜坡电压,根据采样电压的大小便可得到时间终止信号的来临的时刻,最后行选和列选模块再将每个像素内的采样电压读出来。在介绍本文像素级TAC的原理之后,本文又详细分析了其子模块的原理,首先本文介绍了该像素级TAC辅助电路模块的设计,具体包括运放,带隙基准电压,基准电路,以及斜坡产生与推送模块的设计,然后本文又分析了像素,行选以及列选模块的设计。本文基于0.18μm CMOS工艺采用Cadence IC616对其进行了仿真设计,在各子模块的原理分析之后,本文均验证了其功能,最终该像素级TAC整体上实现了64×64的阵列规模,12位的有效位数,500ps的时间分辨率,0~2μs时间测量范围,以及1kHz的帧频。由于运放和源随器有限的响应速度,该TAC的线性度在时间间隔比较短的时候比较差,当时间间隔大于10ns之后,该像素级TAC的线性度就变得很好,其DNL仅有0.5LSB,INL最大是1.2LSB。在该像素级TAC前仿性能良好的基础上,本文继续对其进行了版图的设计,最终设计的像素面积为50μm×50μm,每个像素内不仅仅包括TAC模块,还包括TIA模块,芯片的总面积是4166μm×4066μm,一共集成4096个像素单元,因此该像素级TAC的设计符合焦平面读出电路的需求。