图像传感器作为视觉系统中的重要组成部分而广泛应用于数码摄像、安防监测、汽车驾驶以及医疗影像等领域。而模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）作为光电信号与数字图像的重要接口,其性能的优劣更是直接影响成像质量的好坏。为了在填充系数、转换速度、量化精度以及面积开销之间实现优异的平衡,在图像传感器应用中,ADC通常以列级读出的方式进行排布。单斜式（Single-Slope,SS）ADC通常以出色的面积利用率和不易受列宽限制的特点而广泛应用于以数码摄像为代表的高分辨应用场景。对于逐次逼近型（Successive Appromimation Register,SAR）ADC而言,其较快的转换速度很好地应对了安防监测、汽车电子等高帧率领域带来的严峻挑战。随着数字化图像技术的发展以及物联网引发的产业革命,人们对高质量图像的需求日益渐长,不可避免地导致了量化ADC的精度不断提高。而SS ADC呈指数下降的转换速度以及SAR ADC呈指数增长的电容阵列面积,使得传统ADC设计几乎很难实现。即便不考虑面积和速度限制（假设量化器本身具有很高的量化精度）,由于电路噪声的限制,ADC的有效位数（Effective Number of Bits,ENOB）也很难提升,更无法满足医疗影像对高信噪比ADC的特殊需求。为此,针对图像传感器不同的应用领域,本文分别从提升SS ADC的速度、降低SAR ADC的面积以及优化ADC噪声进行了深入的研究,主要工作如下:（1）本文提出了一种共模恒定的12位两步式SS ADC。在整个量化过程,比较器和斜坡发生器的输入共模电压始终维持在一个固定值,消除了因放大器有限共模抑制比带来的动态失调问题。整体12位量化过程包括高5位的粗量化以及8.5位的细量化（其中1.5位冗余）,在实现高线性度的同时又保证了高转换率。首先在ADC中将采样通路与量化通路相互融合,使得比较器的负输入端可以设置为一个固定电压。其次在斜坡发生器中,粗/细斜坡发生器分别了采用R-2R电流模数模转换器（Digital-to-Analog Converter,DAC）以及可变反馈环路的电阻串DAC,使得斜坡发生器中的输出缓冲器均以反相放大器代替传统单位增益结构,保证了恒定的输入共模。最后采用一种自下而上的数字前台校正算法,有效地较低了寄生电容、失调电压以及电阻失配带来的非线性。基于130nm CMOS工艺,完成了对12位两步式SS ADC的流片验证,其核心面积为7.5×675μm2。在采样频率为100KS/s,输入信号频率为48.8 k Hz的条件下,实现了9.8位的ENOB,整体列级功耗为62μW。微分非线性（Differential Nonlinearity,DNL）为+0.83/-1LSB,而积分非线性（Integral Nonlinearity,INL）为+4.78/-3.31LSB。（2）本文提出了一种基于电荷转移的14位混合式电容阵列。整体电路通过采用高9位传统分段式电容DAC和低5位电荷分享式串行电容DAC将量化电容总数从传统14位SAR ADC的16384降低到53,极大地提高了面积效率。将预置在串行DAC的电荷转移到分段DAC上,可以轻易地实现更小的电压权重而无需额外的权重电容,其中串行电容DAC仅仅包含两个量化电容。考虑到串行电容DAC具有单调的优点,它将和分段式DAC的低段电容一起被视为理想电容,用于量化和校正分段式DAC的高段电容。基于130nm CMOS工艺,完成对该14位200KS/s混合式SAR ADC的流片验证,核心面积仅为15×1450μm2。在输入信号频率为97.6k Hz的条件下,实现了11.65位的ENOB以及89.14d B的无杂散动态范围（Spurious-Free Dynamic Range,SFDR）。DNL为+0.87/-0.99 LSB,INL为+5.76/-4.37 LSB,整体功耗为57μW。（3）本文提出了一种基于混合式误差控制结构的三阶噪声整形SAR ADC。整体电路仅用了一个运算放大器,同时完成了量化残差对输入信号的前馈求和以及反馈叠加,极大地简化了环路滤波器的设计,使得8位DAC实现了接近13位的ENOB。其中级联积分器前馈（Cascaded Integrator Feed-forward,CIFF）结构组成了前馈支路,主要采用了单个积分电容构成的一阶无源无限冲击响应（Infinite Impulse Response,IIR）滤波器。而误差反馈（Error Feedback,EF）结构则是构成了反馈环路,其主要使用了一个残差放大器和二阶开关电容有限冲击响应（Finite Impulse Response,FIR）滤波器。将平均滤波器与最小均方根（Least Mean Square,LMS）算法相结合,可以从输出结果中精确地提取出电容失配信息而不受量化噪声的影响,有效地解决了电容失配带来的非线性。基于130nm CMOS工艺,完成了8位混合式三阶噪声整形SAR ADC的流片验证,核心面积为340×485μm2。在2 MS/s采样频率,8倍OSR的条件下,实现了79.57 d B的信噪失真比（Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio,SNDR）和170.7 d B的Schreier优值（Figure-of-Merit,Fo M）,整体功耗为96μW。