紫外探测成像技术因其具有近乎为零的“日盲”背景和均匀分布的“可见盲”散射背景，在军用和民用领域得到广泛应用。基于AlGaN材料的全固态紫外焦平面图像传感器是紫外探测成像技术的主要发展方向之一，具有量子效率高、无需附加滤光片、成本低、体积小、抗震性好、抗辐射等诸多优点。全固态紫外焦平面图像传感器包括焦平面探测器阵列芯片和焦平面读出电路芯片两个主要部分。焦平面读出电路为探测器提供稳定合适的偏置电压，将探测器光生电流信号转换为电压信号，并进行放大与处理，高性能的焦平面读出电路是获得高质量成像的前提。随着紫外焦平面读出电路基础模块的发展逐渐趋于成熟，相关研究机构开始将研究重心转向如何增强紫外焦平面读出电路的功能和提高紫外图像传感器的系统化集成度方面。将原来成像系统后级信号处理中的模数转换器集成到焦平面上，实现片上模数转换是研究的主要方向之一。在各种集成形式中，像素级模数转换方式具有较高的信噪比、较快的成像帧频、对模数转换器的工作速率要求不高等优点，是未来紫外焦平面片上模数转换发展的重点。本论文阐述了基于像素级模数转换的紫外焦平面片上A/D技术原理及具体方案，设计并制备了128×128阵列的数字化紫外焦平面读出电路并完成了相关性能测试和成像实验。通过这一阶段的研究工作，已在小面积低噪声读出电路设计上取得了一定的进展，实现了像素内信号的采集和模数转换，以及焦平面阵列的图像信号读出功能。本文首先介绍了模数转换的基本原理和相关理论分析。接着对片上模数转换，尤其是像素级模数转换的各种实现方案进行了分析。根据本实验室研制的紫外焦平面的特点，结合国内外在片上A/D研究领域的发展趋势，以及工程上对紫外图像传感器提出的具体性能指标，制定出读出电路芯片所应具有的性能参数。结合本论文电路设计的主要技术难点，确定了适用的像素级模数转换方法及其相应电路结构。根据AlGaN p-i-n型日盲紫外探测器的性能特点，给出探测器的等效电路模型，并确定模型的典型参数。通过分析输入级电路对探测器偏置电压的控制、电路的光电流注入效率、以及电路的面积和功耗等性能，选择电容反馈互阻放大型结构作为输入级电路，以确保AlGaN p-i-n型日盲紫外探测器具有稳定的零偏置电压和高达99%的光电流注入效率。分析了图像传感器的主要噪声来源，并从电路设计角度给出与读出电路相关的噪声抑制理论。首先设计了基于类单斜率积分方式的紫外焦平面像素级模数转换电路，像素面积50μm×50μm，焦平面规模128×128。给出了详细的模数转换原理介绍和工作时序图，经过理论推导，电路的输出数字脉冲数目反映了模拟输入信号的幅值。单元电路集成了CTIA型输入级电路、一个比较器和一位锁存器，测试结果显示电路实现了单个像素内对光电流的积分、采样、模数转换和数据读出等功能。焦平面电路芯片与焦平面探测器芯片经过铟柱倒焊互联后，顺利成像。测试结果显示，所设计的模数转换器输入动态范围达到70dB，分辨率11位。其后，又设计了基于多通道位串行方式的紫外焦平面像素级模数转换电路，详细讨论了模数转换原理和电路工作时序，通过将焦平面数据读出次数降低，实现了较高成像帧频。同时通过优化比较器结构，获得了更高的精度。通过漏电流与堆叠晶体管数目的关系拟合，在可用电路面积下，优化堆叠晶体管数目和存储电容的大小，从而保证了锁存器信号保持时间满足模数转换器的要求。理论计算和仿真结果均显示，电路的模数转换精度能够达到0.2mV，输入动态范围可以达到88dB，分辨率14位，在12位分辨率、1ms积分时间下，焦平面成像帧频可以达到76fps。为满足测试需求，设计并研制成功基于FPGA、DAC、SRAM、RS-232、USB、电平转换等芯片的单块电路板集成式测试系统，具备提供低噪声电源和偏置电压、生成读出电路所需驱动信号、接收读出电路输出数据、数据存储处理及上传等功能。详细讨论了测试系统硬件电路设计和测试软件设计。测试系统噪声≤0.3mV，产生驱动信号有效位13位，满足读出电路对测试系统的要求，并已用于读出电路的测试中。研究成果表明，紫外焦平面像素级模数转换技术切实可行，但在降低电路功耗、提高数据读取速率等方面值得做进一步研究。