本论文是天津市重点科技攻关项目“高性能大动态范围CMOS图像传感器设计”研究工作的一部分。CMOS图像传感器是利用成熟的CMOS工艺将感光电路和信号处理电路集成在同一芯片上，具有高集成度、随机读取、低电压、低功耗和单片实现的优点。该项目包括像素、信号可编程增益放大、模数转换和时序控制电路的设计，实属超大规模数模混合电路设计。该类型CMOS图象传感器目前尚未见报道，可广泛用于汽车智能气囊、第三代移动通信设备，安全监控，微光摄像等方面，有很好的应用背景；同时该项目的完成后，可拥有自主知识产权。本人在毕业设计期间参加了CMOS图像传感器系统架构设计和从感光电路到模数转换器的整个模拟链的设计工作。本论文着重论述了双积分双采样像素设计和系统优化设计。首先概括了CMOS图像传感器的发展动态和设计中的关键因素；在分析了光电效应、光子流收集和信号读出电路结构的基础上，结合chrt公司的工艺参数建立了光电二极管光电转换模型，并针对移动探测应用进行了模拟；分析了多次采样增强动态范围的机理，根据项目的实际要求提出了实现列并行和像素并行的双积分双采样像素结构，使所设计的图像传感器动态范围达到了项目要求。结果表明，双采样结构能够实现扩展动态范围、移动探测等图像处理算法；从设计角度分析了各种信号处理结构在填充率、处理时间、功耗等方面的差异，并依此构建了高速图像传感器优化的系统设计方案。本论文具有独创性的工作包括：首次依据光电二极管感光原理和CHRT公司的工艺参数建立了寄生光电二极管SPICE模型；设计了能够实现动态范围扩展和移动探测等多种图像处理算法的双采样像素结构和版图。目前，该项目已完成部分模块的线路设计和物理设计，2004年3月将采用CHRT公司0.35um工艺进行流片验证，全部的设计工作预计在2004年内完成。