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进入新世纪以来，我国的综合国力和人民的生活水平不断提高。国家的国有资产和人民群众的个人财产和安全，都需要得到保护。整体社会的监督管理网络，也需要不断地完善。正因为如此，安防监控系统的应用越来越广泛，几乎遍布城市的每个角落。这些系统设备，充分而有效地保障了整个社会生活的顺利进行。随着微电子学的发展，图像传感器芯片在监控安防系统中的作用越来越重要，图像传感器相当于监控设备的“心脏”，它的性能好坏直接决定着监控设备能否发挥其应有的作用。因此，本文针对监控安防系统的应用，分析了监控CMOS图像传感器需要解决的关键技术问题，并提出了相应的解决方案。首先，针对监控领域对于低噪声的要求，分析了CMOS图像传感器的影响性能的主要几种噪声来源，提出了消除主要噪声的理论方法和电路结构实现。其次，针对监控领域对于大动态范围的要求，介绍了动态范围对于CMOS图像传感器的重要性，分析了造成CMOS图像传感器动态范围偏低的主要原因，并提出了提高动态范围指标的多种方法。再次，针对监控领域对于高灵敏度的要求，介绍了提高CMOS图像传感器像素灵敏度的几种方法。最后，通过实际的芯片产品测试结果，证明了本文提出的方法可以有效地提高CMOS图像传感器的灵敏度，降低噪声和扩展动态范围，使得监控领域应用最为看重的这三个性能指标得到了根本性的改善。本文在分析和提高监控CMOS图像传感器最为看重的噪声，动态范围和灵敏度三个重要指标基础上，提出了主要的几个创新方面：第一，提出了一种新颖的具有低噪声和高电源抑制比(PSRR)的电路结构，在模拟域大幅降低了CMOS图像传感器的图像噪声，提高了图像质量；并且依据暗电流噪声的相关性，提出了一种应用暗电流比例系数矩阵来消除暗电流噪声的方法，即节省了硬件资源，又提高了暗场下的图像质量。第二，根据多次曝光提高动态范围的理论，提出了一种新颖的组合穿插式多次曝光技术，在有效提高动态范围的同时，又保证了帧频不降低，硬件资源不过多消耗。第三，针对监控系统应用场合的不同，提出了一种新型的可变浮动节点电容值的灵敏度增强技术，实现了一颗芯片在多种监控环境下应用的可行性。