本文主要围绕CMOS图像传感器的动态范围扩展技术展开研究,总结分析了当前主要的动态范围扩展技术,选用性能较优的条件重置技术作为本文的核心,深入研究了条件重置像素结构各参数的选取依据,并且对指数时间采样条件重置像素结构进行创新性改进。同时,设计了一种新型的12位扩展ADC,作为指数时间采样条件重置CMOS图像传感器的列级ADC。本文首先阐述了光电管的特性以及数理等效模型,包括电路模型和主要噪声模型,在此基础上给出CMOS图像传感器关键参数的推导,主要包括动态范围、信噪比两个重要参数模型,进而以这两个参数为主要依据对常规条件重置技术和指数采样条件重置技术进行性能分析,给出了相关参数(比较电压、采样时间)的选取依据。通过对指数时间采样条件重置像素工作时序的分析,得出像素在积分周期内存在多次的无效写SRAM操作的结论。对电路的工作时序进行优化,并加入脉冲生成电路,消除SRAM的无效写操作。设计了一种新型的可配置单稳态脉冲生成电路,利用工作在亚阈值区域的NMOS管作为电容的充放电回路,电路结构更好地与CMOS工艺兼容。对整个像素单元进行数模混合仿真验证,证明SRAM写操作的有效性以及新型指数时间采样条件重置像素工作的可靠性。像素单元的动态范围在常规条件重置电路的基础上提高12dB,SRAM平均写操作次数由2-1/2N次降为1次。针对新型指数采样条件重置像素输出信号的特殊性,设计了一种新型的12位扩展ADC(基于8位逐次逼近ADC结构),可以对像素的模拟输出电压和SRAM中重置时间数值进行处理,直接输出合成后的转换数值。设计的主要模块包括电荷再分配电容阵列DAC模块、迟滞比较器模块和移位SAR数字模块。利用数模混合仿真对输入信号进行全摆幅扫描,ADC呈良好的线性输出,并对ADC的失调误差、积分非线性和微分非线性等性能参数进行了分析。