图像信息对于人类认识世界是至关重要的。从古至今,人类便利用各种方式来记录所能遇见的美好事物。随着科技的发展,各类用于记录图像的设备相继问世,从早期的胶片相机到现在的数码相机,无一不在改变人们的生活方式。近年来,随着CMOS工艺水平的不断提高,CMOS图像传感器的性能越来越受到人们的亲睐。摩尔定律的出现,精准地预测了当代集成电路发展的趋势,随着半导体器件集成度的不断提高,人们将模数转换器集成到了图像传感器中,这样既方便了图像处理,又节省了芯片资源。性能卓越的模数转换器有助于更好地还原图像传感器所记录的图像信息。因此对CMOS图像传感器中模数转换器的设计与研究具有重要意义。本论文是基于0.18μm CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器工艺,采用Cadence软件设计了一款新型4T(Transistor)像素读出电路,像素内集成了模数转换器,具有动态范围增强功能,同时还具有低功耗的特点。本论文中动态范围增强功能是通过全程曝光多次采样技术来实现的。基于入射光的强弱,通过多次开关像素的传输控制TG(Transfer Gate)门进行电荷的受控累计,从而实现高位数模转换,再由后续8 bit模数转换器进行低位数模转换。电路不需要进行数据读出时,通过关断偏置电路来节省功耗。系统采用1.8 V电压供电,其模数转换器达到了7.81 bit的分辨率,总精度达到了14.2 bit的分辨率,动态范围达到了85.48 d B,功耗仅为64 n W/pixel,动态范围增强了6.4 bit而所需的功耗仅仅增大了2.5%。