生物电信号作为反映着人体生命特征和健康状态的一类特殊信号,在医学上有着十分重要的应用。生物电信号的可靠采集和处理,是其用于协助医生进行疾病诊断和治疗的前提。然而,随着人们健康意识不断增强,传统的生物电信号的检测方式已不能满足需求,人们迫切希望能有这样一类移动式、便携式医疗仪器以对生物电信号提供实时连续的检测和处理,从而预防疾病的产生,或是做到早发现早治疗。快速发展传感器技术、集成电路技术以及无线通信技术等,使这类新型的移动便携式的医疗仪器的出现成为了可能。模拟前端电路(主要包括前端放大器和模数转换器),作为这类新型医疗仪器中生物电信号采集系统中的重要模块之一,主要用来将生物电信号进行放大和量化处理,以便于后级的进一步处理和传递。因为生物电信号的特殊性(幅度低、频率低、信噪比低),使得设计出适应生物电信号特性的高性能的前端模拟电路变得困难。此外,对于移动便携式应用,低功耗设计对于延长系统寿命,有效地减小电池的体积以及确保系统的稳定性是十分关键的。基于这样的应用背景和设计要求下,本文主要研究并设计了一款电源电压为1.2V,采样频率为2kHz,目标精度为12-bit,功耗低至1μW的二阶的增量式模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)。该增量式ADC主要由一个二阶可复位的sigma-delta (∑△)调制器和一个二阶的可复位的降采样滤波器组成,几种技术的结合使用以及系统参数的优化设计,大大降低了系统的功率损耗。主要的设计如下：1.前馈架构：前馈路径的引入,使得调制器环路中处理的仅仅只是量化噪声。输入信号被直接馈送到比较器前的加法器中。结果,调制器环路中非线性因素并没有影响到输入信号,此外,量化噪声在幅值上远小于输入信号,因此,较小的积分器输出摆幅使得谐波失真大大降低。2.双关采样(Correlated Double Sampling, CDS)技术：在实际开关电容积分器的设计中,由于有限的运放增益,积分泄漏不可避免。CDS技术的采用,有效的消除了失调电压、1/f噪声以及因有限增益引入的动态失调电压等,从而大大减小了积分泄漏。换而言之,CDS的采用也放松了对积分器中运放增益的要求。3.基于反相器的双尾电流管的OTA (Operational Transconductance Amplifier)结构：前馈路径的引入以及CDS技术的采用,降低了对OTA增益及输出摆幅的要求。因此,本文采用简单的基于反相器的双尾电流管的全差分的OTA结构即可满足设计要求,它降低了调制器功耗。OTA中所有MOS管均采用厚栅管以尽可能地提高OTA的输出摆幅,利用亚阂值区高的电流利用率将OTA中所有MOS管偏置在亚阈值区以进一步降低功率损耗。4.多输入比较器：将前馈系数(c1,c2)的实现直接嵌入到比较器中,即采用多输入比较器替换掉了传统的开关电容加法器加比较器的实现模式,有效地降低了ADC系统功耗,更是节省了芯片面积。5.全定制的金属-氧化物-金属(Metal-Oxide-Metal, MOM)型电容：设计中所用到的电容都是定制的MOM型电容,以满足由KT/C噪声所限定的最小电容。本文所提出的增量式ADC采用TSMC1P6M0.18μm CMOS工艺制造,在1.2V的电源电压,2kHz的奈奎斯特采样频率下,该转换器的仅消耗了600nW的功耗,单位能耗(Figure of Merit, FOM)为0.14pJ,而其信噪谐波失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio, SNDR)达到了68.3dB。核心面积为100μm×120μm。