电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Devices)作为当前的主流图像传感器之一,在高清数码相机、数字摄像机等消费类数码产品和遥感遥测、天文测量、航空航天和目标识别等军民用科学研究领域得到广泛应用。CCD图像处理系统包括CCD阵列、模拟前端AFE(Analog Front End)和数字处理模块,其中模拟前端是实现前端CCD原始图像模拟输入信号到后端数字处理信号转换的关键环节,其性能直接决定了系统成像的图像质量。其关键技术涵盖了图像信号处理、数模混合信号系统顶层设计和高速高精度模数转换,已成为高清图像处理和微电子领域的研究热点。本论文以满足1024×1024像素,100帧/秒扫描CCD高清图像处理系统的应用要求为目标,重点开展12位100MHz模拟前端系统架构、模数转换技术研究和关键单元电路设计。基于双采样和电荷守恒原理,提出了一种五阶椭圆低通滤波结构的CMOS开关电容型抗混叠滤波器,可有效滤除图像信号中的带外噪声,提高了后续ADC的输入信号质量;该双采样拓扑结构突破了滤波器受运放单位增益带宽和转换速率的传统约束,有效地改善了其高频应用性能。结合Cascode Miller补偿和输出零点补偿的优点,提出了一种用于轨至轨电压缓冲器的新型频率补偿方式,既可以大幅减小补偿电容,又可以在不增加电路复杂性的前提下保证运放在轨至轨的输入共模范围内稳定工作。在保证抗混叠滤波器输出信号的高保真传输的同时,为后端的ADC模块提供了足够的驱动能力。根据图像处理系统的指标要求和功耗优化方法,确定了12位精度,100MHz的Pipeline ADC系统架构,级精度分配为(4, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2),级数为9级。根据工艺容差分析,确定了器件失配对采保模块和MDAC模块功耗的影响,提出一种针对MDAC电路的电容失配自校正方案。该方案通过校正MDAC中的电容失配,使得小尺寸电容阵列具有较高的匹配精度,MDAC总电容可减小至50%,采保和残差的功耗仅为原有的25%;同时,ADC的DNL和INL均被有效校正。分别研究了Pipeline ADC的高线性采样开关、采保S/H和基准电压源单元电路。发展提出了3种高性能S/H组态:具有高线性度的无馈通双边对称NFDSS自举采样开关、可同时获得高增益大带宽的共源共栅跨导前馈CGFF补偿两级全差分运算放大器和能显著降低增益误差的相关双采样CDS-S/H拓扑结构。仿真结果显示,3种方案的技术指标均满足12位精度100MHz采样率S/H电路的要求。提出了一种无运放结构的带隙基准电压源,只用Cascode电流镜结构来产生基准电压,降低了电路的功耗;同时,在输出端应用电阻修调技术和数字修调技术相结合的方法实现了二阶温度补偿,在-40℃～135℃的温度范围内,TT模型下的温度系数为1.7 ppm/℃;直流时电源抑制比为-95.4dB,1KHz时电源抑制比为-92.4dB,100KHz时电源抑制比为-56dB,获得了良好的电源抑制性能。基于高速数字-模拟混合信号集成电路版图设计原理,按照3.3V 0.35μm AMS CMOS工艺设计规则,完成了整体电路的版图设计,版图实际尺寸3673μm×3735μm;对整个系统进行后仿真,结果显示,电路精度为12位,最高采样频率100MHz,DNL和INL均小于±0.4LSB,无杂散动态范围SFDR为82.4dB,总功耗530mW,满足CCD高清图像前端处理要求的性能指标,验证了前文的理论和电路级仿真。