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本论文是天津市科委重点科技攻关项目“高性能大动态范围CMOS图像传感器设计”研究工作的一部分。主要研究CMOS图像传感器系统中前级处理电路,前级处理电路(预处理电路)是指在图像信号进行模数转换之前,对信号所进行的一系列预处理的电路,如光信号的读出、放大、消噪等。前级处理电路不仅影响图像传感器系统的动态范围,而且也极大地影响着系统功能的扩展。本论文着重阐述了前级处理电路中各模块的电路设计,包括像素内读出电路、列读出电路以及功能强大的可编程增益放大器。首先分析介绍了有源像素单元内读出电路的基本概念以及基本结构和工作原理,主要从增大动态范围以及填充因子(光敏感度)的设计角度考虑,实现电路设计,并对流片后的像素单元测试结果进行了细致分析。接着分析改进了传统的利用双采样技术消除像素内固定模式噪声(FPN)的列读出电路,通过增加失调电压补偿过程将列FPN从毫伏级降为微伏级,再将芯片测试结果与仿真结果进行分析比较,验证电路功能,并进一步介绍了双采样技术在列读出电路中的功能扩展,包括时间双采样与空间双采样。最后分析比较了可编程增益放大器的几种电容阵列编码方式,设计了一种采用新的三级流水线结构以及运用多种编码方式的可编程增益放大器,并对三级电路具体形式以及电路中的核心模块运算放大器进行了细致分析,最后通过电路仿真验证该系统在20M采样速率下实现以1/8dB为步长的128个线性增益步进,并具有较低的功耗以及良好的线性度。本论文独创性的工作包括:设计具有较大填充因子(47%)的像素单元电路,并成功流片测试,正确有效的实现光电转换以及信号读出;在较小列宽8um以及较小功耗16.5uW的限制下,设计能够有效抑制固定模式噪声的列读出电路,并成功流片测试完成功能验证;设计了一种采用新的三级流水线结构的可编程增益放大器,并采用多种电容阵列编码方式,降低电路功耗(33mW),缩小芯片面积。