基于连续波飞行时间法(Time-of-Flight, ToF)的三维图像传感器区别于传统的图像传感器，可以获得拍摄物体的距离信息，在消费电子、医学成像和工业监测等领域具有极其重要的应用价值。所以本文研究并设计基于连续波ToF的三维图像传感器中关键部分：像素，锁相环和读出电路，并对ToF传感器中非理想因素进行了建模分析和优化。
　　本文首先研究了ToF成像系统并根据原理建立了行为级模型，分析了包括光强，积分次数等因素对距离误差的影响。通过与ToF套件实测数据的拟合验证了模型的准确性，使其可以对传感器设计进行指导。然后根据ToF原理设计了双FD节点且梯度掺杂的像素结构，可编程式高频低噪的锁相环电路以给芯片提供高频高精度调制时钟，和适用于ToF图像传感器中的单斜ADC，并对各模块都进行了电路仿真和版图的绘制。最后针对ToF芯片中的非理想因素进行了优化，提出了一种对电荷转移不完全问题的校准算法，仅通过改变时序和处理数据便可提高传感器精度；以及一种时钟传输结构以消除因时钟传输带来的列FPN噪声，并给出了电路仿真结果。
　　模型方面，本文建立的ToF成像模型与实际ToF套件达到了80%以上的拟合程度，并利用模型验证了提出的对电荷转移不完全问题的校准方法，可以实现在100MHz调制下可以将调制对比度校准到98％以上。在芯片设计方面，双FD像素结构的输出对光强的线性度为4%；锁相环模块在输出400MHz时钟时，锁定时间小于5μs，时钟抖动仅为30ps；以及ADC模块的流片结果显示微分非线性达到了-0.20LSB/0.15LSB，积分非线性达到了-1.35LSB/0.91LSB。