随着红外探测技术的不断发展,红外读出电路呈现出大面阵、高性能的发展趋势,而以往的列级数字化方式逐渐暴露其帧频受限和传输路径噪声大的固有弊端,无法满足发展趋势提出的要求。像素级数字化方式拥有帧频与面阵规模无关、抗干扰性强等优点,成为国内外研究的重点方向之一。因此有必要对像素级数字化进行研究以提高红外读出电路的性能。首先结合设计指标,采用多通道位串行（Multi-Channel Bit-Serial,MCBS）模数转换机制,设计了阵列大小为640×512、输出帧频为100 Hz的像素级数字化读出电路的整体架构,模数转换与数据输出过程采用流水线工作策略,从而确定了读出电路工作流程及各步骤的周期要求。针对像素级数字化可用面积受限的问题,在多通道位串行的基础上,采用2×2像元共用电路结构,对像元共用电路中的关键模块包括积分电路、比较器和锁存器进行了设计,最后进行了像元电路仿真。结果表明,积分输出电压线性度达到99.9%,比较器分辨精度达到14位,可以分辨122μV的输入电压,最终所设计的像素级电路转换线性度达到99.9%。针对像素级数字化读出电路数字控制电路复杂度增加的问题,采用半定制设计流程,使用硬件描述语言进行对数字控制电路进行了前端建模。除完成提供时序控制信号和数据转移输出的基础功能外,设计了可编程开窗、分辨率可选、模数转换位数可调（7～14位）等功能,并通过逻辑综合和布局布线完成了后端物理实现。结果表明,数字控制电路各项功能正常,功耗约为51.23 m W,面积约为2.52 mm~2。通过对以上问题的研究,完成了像元关键电路设计和仿真,对数字控制电路进行了前端设计和后端物理实现。对像素级数字化尤其是基于MCBS模数转换的红外读出电路像素级数字化提供了一定技术基础。