随着微电子技术工艺水平的不断提高,从亚微米工艺向深亚微米的发展,CMOS图像传感器的性能已经达到甚至超过了CCD的性能,CMOS图像传感器成为图像传感器研究的热点。本文首先概述了国内外CMOS图像传感器的发展历史和现状,比较了CMOS图像传感器与CCD图像传感器的性能特点,指出了本课题研究的目的和意义。在介绍半导体光电知识的基础上,详细分析了热平衡状态和光照条件下的PN结特性,深入探讨了用于CMOS图像传感器的光电二极管的光电特性,给出了光电二极管的I-V特性和等效电路。针对传统光电二极管型有源象素单元复位晶体管采用NMOS管,信号传输时存在阈值损失,从而限制了电路的输出摆幅,本文提出用PMOS代替NMOS作为复位晶体管的像素单元结构,并对电路中各个晶体管进行了设计优化,用HSPICE软件仿真,结果显示改进后的像素单元电路具有较大的输出摆幅,有效的提高电路的动态范围。读出电路是CMOS图像传感器的重要单元,本文分析了传统结构的相关双取样电路的基本原理,并对其性能进行了模拟。传统结构电路需要两路采样保持电路,每路中都有一个采样控制MOS管,一个采样保持电容,一个输出缓冲级,且还要有一个公共的差分放大器来实现差分输出,大量晶体管的采用占用了大量的芯片面积,并增加了电路的功耗。本文提出了一种新结构的相关双取样读出电路,该电路不仅结构简单,同时具有功耗低、噪声小、单端输出等优点。模拟结构表明,在电源电压为1.8V的情况下,像素单元以及CDS电路工作时消耗的能量仅为1.277μW,而相同条件下,传统结构CDS的功耗为3.658μW。