量子图像传感器具有空间过采样、时间过采样和单光子计数的特点,能够解决由于器件尺寸和电源电压降低导致的CMOS图像传感器动态范围、信噪比降低等问题。量子图像传感器的应用前景十分广泛,比如微光成像、高速摄像、大动态成像和高分辨率成像。该概念自2011年诞生以来,量子图像传感器的研究虽然取得了巨大的进展,但还有很多问题亟待解决,比如高速、低功耗、高精度读出电路的设计。本文为此进行了详细的理论和建模分析,以确定对读出电路的精度要求,以此为基础,本文设计了量子图像传感器的读出电路。本文为量子图像传感器建立了数学模型和成像模型。由于量化阈值的非一致性是影响光生电子探测精度的重要因素,因此利用模型着重分析了量化阈值的非一致性对误码率和成像质量的影响,同时,也分析了量子光强,散粒噪声,子像素读出噪声,空间过采样率,等效满阱容量等的影响。模型分析表明,对于单比特的量子图像传感器,其量化阈值的归一化标准差,也就是读出电路的输入失调应低于0.15e-以保证误码率低于1%。以理论和建模分析为基础,本文设计了单比特量子图像传感器的读出电路,该读出电路的核心是基于相关双采样电荷传输放大器的1-bit模数转换器(Analog-to-digital Converter,ADC),其中的电荷传输放大器具有无静态功耗,稳定性高,结构简单的特点。此外还包括预充电电压产生电路,移位寄存器,电荷泵,时序控制电路等周边电路。本文1-bit ADC的设计采用了0.11μm CMOS工艺,版图列宽为3.9μm,可以工作在1MS/s和10MS/s的采样频率下,当阈值电压为500μV,增益级的增益为400时,功耗分别仅为1.17μW和10.5μW。蒙特卡洛仿真表明,该结构的输入失调为57μV,可以精确的分辨像素中是否有光生电子产生。