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移动互联网时代的飞速发展,为可穿戴、便携式设备的应用创造了空前的契机,更是促进了第五代移动通信技术日渐成熟。5G网络最主要的优点是数据传输速率快、延时低。而模数转换器(ADC)作为通信技术中最重要的组成部分,关于其功耗和性能的标准也越来越严苛。如何提高ADC的转换精度与带宽,同时降低功耗,已经成为ADC的研究重点,限制着ADC的市场应用价值。噪声整形SAR ADC作为一种新型ADC架构,相比传统的SAR ADC能够实现更高的精度,相比传统的Sigma-Delta ADC能够大大节省功耗,因此获得了更多的关注。随着半导体工艺的不断进步,晶体管的特征尺寸越来越小,使得超低压设计成为可能,但这也给传统电压域量化ADC设计带来了困难。采用VCO量化器,将电压信号转换成时域信号,通过对相位积分再量化将模拟信号转换成数字信号,能有效解决上述问题。VCO量化器主要由数字逻辑电路实现,功耗低,与工艺兼容性好。因此,本文结合噪声整形SAR ADC与VCO量化器的特点,采用了一种MASH 2-1 SAR VCO ADC结构,其中,噪声整形SAR ADC作为第一级,VCO量化器作为第二级。主要研究内容包括:首先,为了实现理想的两阶噪声整形结构,提高量化精度,搭建了基于动态运放实现无损积分的两阶NS SAR ADC。采用数学方法建立了两阶噪声整形SAR ADC的高层次模型。完成了MATLAB仿真验证,结果表明,该无损积分网络具有良好的噪声整形效果。为了进一步提高无损积分器的积分完整性,采用了对PVT不敏感的互补动态运放结构,实现了固定增益。同时采用Ping-Pong结构完成积分环路,有效减小了积分电容的面积,节省了功耗。最后完成了相应的电路设计,通过Cadence仿真验证了设计的有效性。其次,采用基于环形振荡器的VCO量化器结构,在时域对第一级量化余差做了进一步量化分析。结合VCO模型,采用数学方法分析了相位积分再量化的可行性,通过Simulink搭建了VCO量化器的行为级模型并完成了仿真验证,结果表明VCO量化器能够完美的实现量化功能,同时具有一阶噪声整形特性。利用该特性,将VCO量化器与两阶噪声整形SAR ADC相结合,进一步有效提高了整体电路的噪声整形效果。而VCO量化器作为第二级量化单元,具有较小的量化范围(～m V级),避免了线性度问题。进一步分析了延时单元的数学模型,获得了影响VCO振荡频率的主要因素是延时单元充放电电流的这一机理。进而设计了一款高线性度的电压转电流电路,通过镜像电流控制每个延时单元的延时,有效控制VCO的振荡频率。仿真结果表明该结构具有较好的量化特性。最后,采用TSMC 65nm工艺,基于Simulink MASH 2-1 SAR VCO ADC结构,设计了整体电路,包括采样保持电路、六输入动态比较器、互补动态放大器、VCO量化器等关键模块,并绘制了物理版图。仿真验证了设计的正确性和可行性。电源电压1.2V,采样频率100MHz,信号带宽6.25MHz条件下,测得SFDR=103.6DB,SNDR=82.8d B,ENOB=13.46Bit,功耗为1.6mW。