20世纪70年代以来,随着集成电路产业的快速进步,图像传感器开始出现并逐渐发展,而且它的广泛应用给人们的工作和生活带来了极大的便利与安全。在21世纪,CCD和CMOS两种图像传感器都得到了迅速的发展和更加广泛的应用。但是随着集成电路工艺的快速进步和集成度的日益提高,CMOS图像传感器由于与标准CMOS工艺兼容性好而逐渐占据并扩大优势,性能大大提高,应用更加广泛,成为了国内外学者的研究热点。本文首先分析了CMOS图像传感器中光电探测器件即光电二极管的原理及特性,并从CMOS图像传感器的工作原理出发,进一步对CMOS图像传感器系统结构进行分析。同时,本文还以大量文献为基础,分别研究并分析了CMOS图像传感器系统中像素阵列与像素单元电路、模拟信号处理电路和模数转换电路等关键模块的不同实现方法,比较了每种方法的优缺点和电路性能。其次,本文分别对像素单元电路、模拟信号处理电路、带隙基准源和模数转换模块中的斜坡发生器和比较器等关键模拟电路进行了设计;并针对CMOS图像传感器中传统的三管有源像素单元电路输出摆幅小的缺点,提出一种改进的像素单元电路,使信号输出摆幅增大了约0.7V,提高了图像传感器的动态范围。接着,针对模拟信号处理模块中传统相关双采样电路占用面积大和功耗较高的特点,本文采用一种改进的相关双采样电路大大降低了CMOS图像传感器的功耗。最后,基于SMIC0.35um2P3MCMOS工艺,实现了CMOS图像传感器的关键模拟电路。整个CMOS图像传感器采用3.3V电源电压,在设计流程中使用Cadence公司的EDA软件进行电路性能仿真。通过对仿真结果进行分析,CMOS图像传感器的动态范围达到110dB,总功耗为113.3mW,符合预期的设计要求。