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CMOS图像传感器在物联网、安防检测等领域有着广泛的应用,在低成本前提下实现高帧率、高分辨率是当前业界普遍关注的研究热点。模数转换器(ADC)作为CMOS图像传感器的核心模块,是制约图像传感器各方面性能的主要因素。结合逐次逼近型(SAR)ADC的中速低功耗特点和Sigma-Delta ADC的高精度特点,噪声整形SAR ADC可以在较低功耗下实现中速高精度,有利于提高图像传感器的性能。本文基于130nm CMOS工艺,设计了一款在1.2V电源下,过采样率为8和电容DAC位数为8的1MS/s的噪声整形SAR ADC。首先,本文分析了两种噪声整形SAR ADC的结构原理和优缺点,从中选择了一种噪声整形SAR结构,结合残差采样电容和残差运算放大器放大反馈残差的原理分析,提出了一种基于误差反馈的二阶噪声整形SAR ADC结构,提高了系统的反馈速度和精度。其次,分析了单位电容失配对噪声整形SAR ADC的影响,发现其失配误差在整形系统中并没有参与整形,影响系统精度,通过引入数据权重平均技术(DWA),对失配误差实现一阶整形,从而降低了ADC对电容精度的要求,减小了电容大小,获得了更高的量化速度,实现了精度和速度的兼得;重点分析了该噪声整形系统中引入的各个噪声分量以及产生因素和传输特性,包括比较器等效输入噪声、系统量化噪声、开关热噪声以及运放等效输入噪声等,以及其他非理想因素对性能的影响,确定了各非理想因素的系统容忍范围,并通过Matlab对本文提出的噪声整形SAR ADC进行了系统建模与仿真验证。然后,对本文研究的噪声整形SAR ADC各个模块进行了设计与仿真。将运算放大器的放大时间扩大到半个采样周期,缓解了残差运放的带宽压力,提高了ADC的速度;将比较器噪声纳入噪声整形过程,降低了比较器的精度需求和功耗;通过DWA技术,在数字上提升了电容阵列的匹配性;采用末位电容扰动(Dither)技术,实现了电容的随机选择,提高了ADC的无杂散动态范围(SFDR)。最后,在130nm标准CMOS工艺下对噪声整形SAR ADC进行了版图设计,并进行提参后仿真。仿真结果显示,在1MS/s的采样频率,信号频率为61.58KHz,ADC的SFDR为97.34dB,信噪失真比SNDR为76.96dB,有效位数ENOB为12.49Bit。