Design of a Time to Digital Converter for CMOS image sensors

Nowadays the importance of image sensing for the optimization of industry processes, medicine, security, etc is unquestionable. This sensing is mostly implemented by an array of pixels that acquire information from the environment by capturing incident light. This acquired information could only consist on the color of each pixel, but it can be more complete in order to be more useful, for example including the time instant when the light beam was received. In this way, a depth reconstruction of the image can be made. The thesis below poses a solution to make this measurement and obtain the time of incidence of each pixel with a 180 nm CMOS technology. Using a local circuit at pixel level and a set of shared resources at different levels to optimize space and consumption. Using this technology, a resolution of 250 ps and a range of 15 bits has been achieved, being able to compact it into a pixel of 50 ?m on each side. This thesis details the procedures followed and the results obtained, including schematics, estimates of area and simulations of the complete system. Actualmente es innegable la importancia de la sensorización de imágenes para la optimización de procesos de industria, medicina, seguridad, etc. Esta sensorización es mayoritariamente implementada por una matriz de píxeles que adquieren información del entorno mediante la captación de la luz incidente. Esta información adquirida puede consistir únicamente en el color del punto en cuestión, pero puede llegar a ser más completa para ser más útil, por ejemplo incluyendo el instante temporal en el que se ha recibido el haz de luz. De esta manera se puede hacer una reconstrucción de la profundidad de los distintos puntos de la imagen. La tesis a continuacin propone una solucion para hacer esta medida y obtener el tiempo de recepción de cada pixel con una tecnología CMOS de 180 nm. Utilizando un circuito local a nivel píxel y un conjunto de recursos compartidos a diferentes niveles para optimizar espacio y consumo. Utilizando esta tecnología se ha obtenido una resolución de 250 ps y un rango de 15 bits logrando compactarlo en un pixel de 50 ?m de lado. Esta tesis detalla los procedimientos seguidos y los resultados obtenidos, incluyendo esquemáticos, estimaciones de layout y simulaciones del sistema completo. Actualment és innegable la importància de la sensorització d’imatges per a l’optimització de processos d’indústria, medicina, seguretat, etc. Aquesta sensorització és majoritàriament implementada per una matriu de píxels que adquireixen informació de l’entorn mitjançant la captació de la llum incident. Aquesta informació adquirida pot consistir únicament en el color del punt en qüestió, però pot arribar a ser més completa per tal de ser més útil, per exemple incloent l’instant temporal en què s’ha rebut el feix de llum. D’aquesta manera es pot fer una reconstrucció de la profunditat dels diferents punts de la imatge. La tesi a continuació proposa una solució per a fer aquesta mesura i obtenir el temps de recepció de cada píxel amb una tecnologia CMOS de 180 nm. Utilitzant un circuit local a nivell píxel i un conjunt de recursos compartits a diferents nivells per tal d’optimitzar espai i consum. Utilitzant aquesta tecnologia s’ha obtingut una resolució de 250 ps i un rang de 15 bits de mesures aconseguint compactar-ho en un píxel de 50 ‘m de costat. Aquesta tesi detalla els procediments seguits i els resultats obtinguts, incloent esquemàtics, estimacions de layout i simulacions del sistema complet.