随着CMOS工艺和CMOS图像传感器技术的发展,针对CMOS数字像素传感器的研究和设计技术也日益成熟,脉冲宽度调制型CMOS数字像素传感器以其低功耗、低噪声和实现简单等优势更是成为数字像素传感器未来发展的主要趋势。为了进一步改善脉冲宽度调制型CMOS数字像素传感器的性能,本文研究了一种同步应用时域A/D原理和预测编码方法的CMOS数字像素传感器。论文在研究传统脉冲宽度调制型CMOS数字像素传感器的基础上,分析了在其中集成图像压缩功能的方法;接着,针对传统架构存储器面积大的缺点,研究了利用预测编码缩减存储器面积的原理,从而确定了改进后的CMOS数字像素传感器系统解决方案;在研究系统的噪声特性的基础上,建立噪声模型,进而完成了传感器的系统建模、仿真,并提出了优化系统分块方式、改善系统噪声特性的方法措施;最后,根据系统解决方案和系统模型仿真结果,对比较器、存储器、计数器和逻辑控制等模块进行电路设计,并给出各部分电路仿真和最后的整体电路仿真结果。设计完成的CMOS数字像素传感器系统基于GSMC 0.13um CMOS工艺实现,电源电压1.2V,像素预测值A/D的分辨率为8位,像素差值的A/D分辨率为2位,仿真结果显示电路的性能参数符合本次设计要求。512×512的传感器像素阵列通过以4×4为单位划分子阵列,可节省存储器面积达68.75%,传感器的图像压缩PSNR约为29dB左右,系统在实现像素级图像压缩功能的同时充分提高了像素填充因子。