CMOS图像传感器是集光电探测器、模拟电路和数字电路于一体功能完善的超大规模数模混合集成电路。相对于CCD图像传感器技术,CMOS图像传感器具有低成本、低功耗、随机读取、单片集成等优点,具有广泛的应用前景。本论文重点研究了CMOS图像传感器动态范围扩展技术。首先分析半导体光电效应的基本原理,典型的CMOS工艺兼容光电探测器,以及CMOS图像传感器本身所具有的局限性,还详细分析了CMOS图像传感器中的随机噪声源和固定模式噪声源,并对固定模式噪声进行理论推导,从而为对数有源像素的固定模式噪声消除奠定基础。动态范围是图像传感器成像质量的重要指标,动态范围较大就可以探测到更宽光强范围内的场景信息,探测到的图像细节更丰富。但由于硅材料本身最大的光动态范围低于应用要求,研究动态范围扩展技术是CMOS图像传感器拓展其大动态范围应用领域的迫切需要。本文分别从三个层次研究动态范围扩展技术,具有独创性:首先,重点研究光电对数响应技术,这种技术改变了像素单元结构,属于像素层次上的探索;其次,研究了自动增益控制技术,通过调节预处理放大器的增益实现动态范围扩展,属于像素模拟预处理电路层次上的探索;最后,研究了自适应曝光调节技术,通过调节曝光时间自适应环境光强,属于CMOS图像传感器SOC系统层次上的探索。本论文是天津市重点科技攻关项目“高性能大动态范围CMOS图像传感器研究”的重要组成部分,同时也是国家自然科学基金资助项目“基于深亚微米大动态范围、千万像素CMOS图像传感器关键技术研究”的重要组成部分。