CMOS图像传感器自诞生至今,已经取得了长足发展,广泛的应用在消费电子、医疗、航天和军事等前沿高精尖领域。随着工艺技术的不断发展,图像传感器的尺寸和供电电压也随之逐步降低,由此也带来了功耗的显著下降。未来低电压低功耗的图像传感器必将成为图像传感器领域发展研究的重要方向。模数转换器作为其中模拟电压和数字信息之间的转换媒介,其性能优劣直接决定了图像传感器最终的成像质量,是图像传感器读出电路的重要组成部分。研究低电压列级ADC也就成为了低电压低功耗图像传感器研究领域的关键部分。为了在低电压小尺寸条件下,实现图像传感器需要的高精度量化,本文借助Σ-ΔADC过采样和噪声整形等特性,在传统Σ-ΔADC基础上,研究了适用于图像传感器的增量型Σ-ΔADC。首先从推导其最基本的一阶结构的时域和频域原理入手,对其量化特性进行了深入分析,并在此基础上进行了结构扩展;通过对二阶结构和三阶结构的理论分析对比,选择了二阶增量型Σ-ΔADC结构作为本文为图像传感器设计的列级ADC结构。通过综合系统稳定性和非理想型因素的考虑,确定了电路参数。同时为满足调制器的低压要求,本文采用了一种增益自举反相器代替了传统的运算放大器,降低了供电电压要求并有效减小了整体功耗。另外在这种二阶增量型Σ-ΔADC的基础上进一步加入了辅助SAR ADC,通过将量化过程分为粗细两步量化,降低了量化所需要的时钟周期数,提高了转换速率。本文采用SMIC 65 nm CMOS工艺,实现了应用于CMOS图像传感器列级结构的增量型Σ-ΔADC,并在1V供电电压情况下进行了仿真验证。结果表明:这种ADC信噪失真比达到80.4dB,有效位数为13.01位,整体功耗为25μW,最大积分非线性0.726LSB,满足低电压图像传感器的列级应用需求。同时本文对该ADC进行了进一步结构改进,实现了两步增量放大型ADC,仿真结果显示:在1.2V供电电压情况下,这种改进ADC达到了81.26d B的信噪失真比和13.21位的有效位数,将前一种二阶增量型Σ-ΔADC实现同精度所需要的时钟周期数由200个减小到100个,提高了转换速率。实验表明,增量型Σ-ΔADC及其改进结构满足未来图像传感器的低电压低功耗要求,有广泛的应用价值。