CMOS 图像传感器(IS)广泛应用于多媒体、工业检测、数码摄像、卫星遥感、医学等领域。随着多媒体应用和CMOS 工艺技术的发展,推动了CMOS 数字图像传感器的发展, CMOS 数字图像传感器是在传感器芯片上集成了A/D 转换器(ADC)、信号处理、控制和接口等电路,构成单片图像传感系统,以实现新的成像功能,获得高质量的图像,并减小体积,降低成本。像素级CMOS 数字图像传感器与列级和芯片级相比,不仅降低了片上ADC 的速度,而且还具有噪声低、功耗低、可持续观察像素的输出、降低系统噪声、扩大动态范围等突出优点,日益受到人们的重视。因此研究像素级CMOS 数字图像传感器具有重要的应用价值和现实意义。论文首先介绍了CMOS 图像传感器的优点,阐述了该传感器的像素结构和工作原理,以及CMOS 数字IS 的发展现状和应用,最后论述了研究图像传感器的必要性和意义。图像传感器一般都采用光电二极管作为光电探测单元,分析了光电二极管的工作原理及稳态特性,定量推导了积分工作模式下光电二极管上的电压衰减。根据数字化像元填充因子小,要求光敏元的暗电流小,光谱响应范围大、灵敏度高的特点,分析了光敏元结构对暗电流、光谱响应特性的影响。提出了一种带n+复位环的n+/p 结和n 阱/p 结复合的新结构光电二极管,这种新结构具有暗电流小、光谱响应范围大、灵敏度高的特点,用设计的测试样品,验证了新结构的性能。传统的A/D 转换器结构复杂、功耗大、占用面积大,难以满足像元级集成对芯片面积和功耗的苛刻要求。多路共用按位串行ADC 利用连续比较在某一时刻从所有像素中同时输出1 位数据,读出速度高,对ADC 进行编程可实现任何量化表,而且可以用简单的鲁棒电路实现,是一种适合像素级集成的A/D 转换器。这种ADC 克服了传统ADC 的缺点,还具有ADC 性能测试时可以不需要任何光学元件的优点,各个ADC 共用驱动信号,有效地减小了固定模式噪声。以共源-共栅运放作为比较器,设计了4 个像素共用一个3 位ADC 的像元电路,并用PSpice软件作了模拟验证,说明多路共用按位串行ADC 是一种可用于像素级集成的ADC。利用已验证的多路共用按位串行ADC方案,设计了4个像素共用一个8位A/D转换器和锁存器的128×128 像素数字图像传感器。包括像素电路、比较器和锁存器的设计,用PSpice 软件对像素电路进行模拟仿真。读出方法与传统的模拟图像传感器完全不同,以位平面的方式并行读出。