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。