在互联网高度普及发达的世界环境中,各种类型的信息都可以通过互联网快速并且广泛地传播开来,信息的快速、准确地获取也就变得尤为重要。图像信息作为最直观的信息源,是信息传递的重要载体,因此图像传感器在军事、安防监控、工业制造、汽车电子、消费市场等领域都得到了广泛的应用。图像传感器极端环境下的性能以及稳定性也就显得尤为重要。本论文以CMOS图像传感器的夜视图像性能为切入点,分析了未来图像传感器的几个主要的发展趋势,并针对目前实际应用条件下对图像传感器的夜间图像采集能力提升的迫切需求,深入分析当前CMOS图像传感器的结构的基础上,对增加前置可编程增益放大器的必要性和可设计性进行详尽的分析和研究。并针对前置可编程增益放大器(PGA)的噪声情况进行深入分析,并在前端电路和后端版图进行针对性设计和仿真,实现PGA的在特定的CMOS图像传感器中特定环境下(5.94um宽度)的低噪声设计,即PGA整体噪声小于150uV的像元噪声。根据图像传感器中列级前置PGA应用的特殊应用环境和特点和实现成本,结合实际需求指标,舍弃了增益和稳定性更高的两级运算放大器,采用的单级cascode结构运算放大器作为其主运算放大器,反馈增益调节的实现采用可编程开关电容阵列结构,最终实现最高8倍增益的PGA系统设计,扩展18dB的图像传感器模拟增益范围,同时能够减小小信号输入时后级ADC转换的量化误差。同时根据系统应用的特定条件,对系统的失调、复位噪声进行理论分析,并提出对应的设计方案,通过统计仿真数据,确认系统整体噪声符合应用需求。版图设计方面,是本次研究的另一个重点,是PGA低噪声设计的重要部分。通过对电路结构进行拆分分析,充分考虑各个部分的实现,并重点对优化减小版图对系统噪声贡献。为了减小输入信号对整体系统的影响,采用电容阵列前置的方式进行布局,并且充分考虑运算放大器输入的匹配性要求,采用共质心匹配进行设计,同时为了保持增益的准确性,对开关电容阵列进行特殊的针对性布局。为了避免由寄生参数引起的信号间串扰,通过衬底和金属的方式进行完全隔离,将串扰降低到最小,并通过提取寄生的方式进行后仿真确认。在国产华力55 nm专用工艺下结合实际应用需求,通过前端电路设计和后端版图的优化设计调整,在5.94 um宽度内完成整体PGA系统的实现。最终的长度开销为150 um,在预期开销内,达到了预期的设计目标。