随着CMOS工艺尺寸的不断减小,阱容量、电源电压不断下降,使得图像传感器受噪声串扰等的影响越来越大。因此,数字像素图像传感器应运而生。数字像素图像传感器是一种在像素内部实现模数转换的图像传感器。它能够改善由于工艺尺寸的减小导致的噪声上升以及电源电压降低对图像传感器的影响。现阶段实现数字像素共有三种方式,分别是脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)和地址事件表示法(AER)。其中PWM将光强信息转换为时域内的信息,减小了电路中的噪声对信号的影响,同时保持适当的功耗和电路面积。然而由于像素内存储位数的限制,PWM的动态范围受到很大的限制。在固定帧频的情况下,弱光照信号的探测受到了很大的影响。因此,本文提出了一种具有自适应参考电压的PWM读出方法来扩大其动态范围。该方法将像素阵列分成包含相同数目像素的像素块,每个像素块设置一个参考电压产生模块。通过参考电压产生模块使每个像素块的参考电压和像素块内光照强度相关。本文对这种方法的动态范围、光响应、失真、噪声来源等进行了详细的理论分析,与传统采用固定参考电压和斜坡参考电压的PWM数字像素进行了性能对比。采用65nm CMOS工艺设计了64×64的像素阵列,对低传输时延比较器、像素内8位存储单元、参考电压产生模块、8位单斜模数转换器等进行了电路设计和优化。对其中4×4像素块进行了版图设计。理论分析表明动态范围可从48dB提升至96dB,实际仿真结果为88.16dB。使用峰值信噪比(PSNR)来反映失真,采用自适应参考电压的数字像素平均能够达到28.9dB,对比固定参考电压的20.11dB和斜坡电压的17.25dB有较大的改善。同时在高光强和弱光强条件下分别将电路输出同理论计算值相比较,并分析了产生误差的原因。