随着半导体制造技术,以及电路技术的迅速发展,CMOS图像传感器(CIS)在暗电流、噪声、填充因子和动态范围方面的不足被大大改进,并以其低成本、低功耗、易集成和读取灵活等优点广泛应用于消费类数码产品、医学、工业监控等诸多领域,逐步取代CCD图像传感器的主流地位。随着像素阵列增大,图像传感器分辨率增加,“高速”成为CMOS图像传感器发展的新趋势。针对CMOS图像传感器对大数据吞吐量和高图像质量的要求,本文分析和比较了三种不同类型的数字CMOS图像传感器,最终选择半并行工作、处理速度较高、图像质量较好、并特别适合于像素阵列扩展的列并行处理系统。针对具体的高速应用领域,设计实现了两种不同结构的数字CIS高速列并行处理系统,对于VGA级别,可实现30～1400帧/秒不等的高帧频。一种为集成了单斜模数转换器的较高速低功耗列并行处理系统;另一种为集成了RSD循环模数转换器、低电压差分输出(LVDS)和锁相环(PLL)的高速列并行处理系统。详细阐述了两种列并行系统的结构和工作原理,以及系统中的功能模块,包括像素、采样保持放大器、模数转换器和读出电路的结构和电路设计。在0.35μm工艺下成功的对关键模块和集成了单斜模数转换器的较高速列并行图像传感器样片进行了流片,图像传感器样片能够得到清晰的动态图像,关键模块测试数据符合设计要求,验证了电路设计的正确性。本论文的创新性工作主要有:提出了一种适用于循环ADC的采样电容负载电容交换技术。该技术利用开关电容放大器电荷转移和循环ADC循环操作的工作特点,每个周期交换采样电容和负载电容,使采样和放大工作同步进行,在不增加硬件复杂度的基础上,结合电容拆分技术,将CIS帧频提高到原来的三倍。提出了一种用于消除CIS列固定模式噪声的失调反向存储技术。该技术通过在采样过程中交叉跨接反馈电容,使得失调电压在转换过程中不累加到输出结果中,并结合双采样技术,将由像素和处理电路引入的列固定模式噪声降低到误差容限范围内。提出了一种适用于五管有源像素的复位技术。该技术采用硬复位和软复位结合的方式,利用相邻晶体管阈值电压偏差一致的特点,消除了由像素内传输管引入的、不能通过双采样技术消除的固定模式噪声,且无需额外的工艺步骤,大大降低了芯片成本。