该论文从研究光电检测器的物理机制入手,开展新结构光电检测器的理论、结构、建模、仿真和优化的研究;从分析低噪声技术、低功耗技术入手,设计低噪声、低功耗新结构电路来获得高性能CMOS图像传感器.该论文主要研究工作为:1.在深入研究半导体光电效应及利用PN结和MOS电容进行光信号电荷收集的两种机制基础上,提出了一种新型光电检测器件——双极结型光栅晶体管,并详细分析其工作原理、物理性能和噪声特性;与光栅晶体管相比,理论分析和数值仿真结果表明双极结型光栅晶体管具有工作电流密度大、读出速率快、光谱响应范围宽等优点;2.基于光电二极管,优化设计一种低电源电压工作高输出摆幅的APS(Active Pixel Sensor)像素读出电路;并提出基于双极结型光栅晶体管的对数式响应像素读出电路,该像素电路结合了光栅-APS和对数-APS的优点,具有响应动态范围宽、电荷转移系数大等优点;3.提出一种低噪声、高摆幅输出的改进型相关双取样电路(Correlted Double Sample,CDS),该电路能抑制或消弱1/f噪声、KTC噪声和固定图形噪声;4.从改进传统CDS电路的缺点入手,提出一种结构简单的CDS结构原理,并提出了一种实现该原理的结构简单、低功耗、低噪声的新型CDS电路;5.提出一种低功耗动态移位寄存器电路,在像素单元阵列中用作信号读出电路的扫描电路,具有高速度、电路简单、面积小等优点,最高工作速度可以达到200MHz;6.采用自顶向下的设计方法,基于Matlab软件建立了考虑非理想因素的二阶Σ-Δ调制器行为级模型、给出了行为级系统仿真结果,并进行了电路设计,给出了整个二阶Σ-Δ调制器电路仿真结果,验证了设计的正确性;7.提出一种宽线性动态范围连续共模反馈电路结构应用于全差分放大器中稳定共模电压;8.给出了版图设计基本原则,采用0.25um CMOS图像传感器工艺,设计完成一个64×64像素阵列的芯片结构及其版图.