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随着“智慧城市”、“智慧家居”和“智慧医疗”等科技概念的提出，可以获取大量视觉信息的CMOS图像传感器成为了物联网领域的研究热点。同时CMOS图像传感器在移动智能可穿戴设备和医疗可植入设备领域也得到了广泛的应用。CMOS图像传感器一般是由电池供电的。由于电池容量是有限的，电池在使用过程中需要被频繁地更换，因此会产生巨额的维护费用。尤其是在极地、野外等严苛环境下，CMOS图像传感器的电池更换的难度更加巨大。所以低功耗就成为了CMOS图像传感器面临的迫切挑战。 低电源电压的工作模式是降低CMOS图像传感器功耗的首要方式。相对于传统的APS像素，脉冲宽度调制PWM像素是通过在像素内部增加一个比较器，将光信号转化为时间宽度信号，从而实现像素内的模数转化。由于PWM像素的输出信号是数字信号，所以传统APS图像传感器中的大功耗的ADC模块可以被省去。并且由于数字信号对电源电压不敏感，PWM像素可以在较低的电源电压下继续工作。所以本论文采用PWM像素对低功耗的CMOS图像传感器（简称PWM图像传感器）进行设计和研究。 在优化功耗方面，本论文除了采用低功耗的PWM像素之外，还通过像素中比较器的偏置电流源的共用以及像素和其他电路模块中的漏电控制，进一步降低了PWM图像传感器的功耗。 而针对低电源电压的工作模式所带来的帧率和动态范围等相关性能的问题，本论文也进行了相应的补偿设计。首先通过二次曝光技术，在PWM像素中添加参考电压不同的比较器来提高PWM像素的强光细节捕获能力。并且采用斜坡偏置电流在曝光阶段使PWM像素中的比较器参考电压非线性增加，提高像素的弱光细节的捕获能力。本论文通过将上述两种方法相结合，使PWM图像传感器的动态范围得到了大幅度的优化。同时，本论文将传统的曝光方式改为逐块曝光，并采集PWM像素中的曝光结束使能信号，进行自适应曝光，从而优化了PWM图像传感器的帧率。 本论文采用TSMC的0.18μm的工艺库进行低功耗PWM图像传感器的设计。在设计中，模拟电源电压AVDD为0.6V，数字电源电压DVDD为1V，阵列大小为64*64。通过仿真以及验证，本论文中的PWM图像传感器的功耗为7.43μW，即归一化的功耗品质因数小于46.5pW/frame·pixel，从而达到了超低功耗的标准。通过二次曝光技术和斜坡偏置电流相结合的优化方法，动态范围达到了113.8dB。而通过自适应曝光的优化方法，可在相同的时钟频率下，根据所拍摄图像，帧率平均提高20％～40％。因此，本论文在实现低功耗PWM图像传感器的同时，也改善了其帧率和动态范围等性能。