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随着集成电路的发展,越来越多的模拟电路被数字电路取代。然而,现实世界中我们接触到的信号一般都是模拟信号。为了实现模拟世界与数字世界的连接,必须用到模数转换器(Analog-to-digital converter:ADC)。CMOS工艺中,Σ-Δ调制器已经成为实现模拟信号到数字信号转换的最好方式之一。相对于其他类型的模数转换器而言,基于过采样技术和噪声整形技术的Σ-Δ调制器,在降低对模拟电路性能要求的同时,能获得更高的精度。遵循由上而下的设计思想,针对高精度测量领域的需求,本文设计了一款供电电压为5V、有效位数为20bits、信号带宽为2kHz的Σ-Δ调制器。文章的主要工作和创新点如下:第一,介绍了模数转换器的基本原理、性能指标和Σ-Δ调制器的工作原理,对调制器的各类实现结构进行详细分析,并由此总结了根据应用需求选择合适架构的方法。第二,根据确定的系统指标,合理选择调制器的系统架构为单环3阶一位量化结构,并利用MATLAB建模,优化传递函数,总结了调制器完整的系统设计方法,完成了系统层面的设计。第三,详细分析了各种可能影响调制器性能的非理想因素如非线性和噪声,推导出了这些非理性因素引入调制器噪声功率的增量,在此基础上建立了调制器非理想行为级模型,并仿真验证,为后续电路设计提供了可靠的指导。第四,设计各个单元电路模块,并完成了调制器整体电路的仿真与分析。在电路设计中,运放采用了两级高增益结构,提出了开关电容结合误差放大器的共模反馈结构,能更好稳定运放输出共模电压;并合理设计了电容和开关,优化了调制器的性能。本文所设计的Σ-Δ调制器采用旺宏0.35μm工艺。仿真结果表明,当输入正弦波信号频率为281.2Hz、幅度为-3.5dB时,在2kHz的信号带宽内,调制器的信噪比为123.6dB,有效位数达20.24bits,满足了设计要求,可用高精度测量领域。