基于大规模集成电路技术(VLSI)的CMOS光电生物探测芯片在环境监测、医疗电子、生命科学等领域有着广泛的应用,是近年来微电子芯片技术一个新的发展热点。本论文主要针对两种不同应用场合——应用于环境监测领域的有机磷检测和应用于生命科学的大分子检测——进行光检测芯片电路和系统的研究与设计,重点研究检测芯片的高灵敏度和低功耗技术。针对光电检测应用于手持式有机磷检测的低速、高精度、低功耗的应用要求,论文对检测系统、光电检测模拟前端结构、关键模块电路等各个部分做了深入细致研究,提出了一种基于折叠式参考电压的改进脉宽调制电路,实现了在低功耗情况下达到高灵敏度、大输入信号动态范围的光电流数字化探测前端。论文设计了一款光到脉冲宽度的检测与转换电路,并在0.18um CMOS工艺下流片验证,测试结果表明：芯片的光灵敏度为3.6nW/cm2,动态范围为71dB,芯片电源电压1.8V,功耗14.5uW。基于该自主芯片,论文还设计完成了用于有机磷检测的手持式系统,其有机磷检测极限LOD达到0.16uM,可以和商用的光学有机磷检测系统相比拟。此外,针对大分子检测宽带放大、直流抑制的应用特点,本文细致分析了电路结构,重点研究了低通滤波反馈环路实现直流抑制、宽频交流放大的低功耗电路技术,采用商用芯片完成了电路的板级系统验证,测试结果表明电路的通带范围为400Hz-50kHz,跨阻放大倍数为1.5M欧姆,最大可以抑制4uA的直流信号。