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在生物医疗电子领域,植入式、便携式的移动设备通常将低功耗和小型化作为首要考虑因素。在实际的应用当中,生物信号经常表现为具有突发性,并伴随较长静息期的特点。在对这类稀疏性较强的生物信号进行模数转换处理时,传统的奈奎斯特采样方式往往会在一些无效信息上浪费不必要的功耗。Level Crossing(LC)采样方式是利用信号稀疏性的一种无时钟采样方式,其基本原理是当输入信号发生较大变化时,认为采样事件发生并记录采样点的位置,当输入处于静息期时,只要信号不超出预定的阈值电压范围,就不发生采样行为。这种方式不需要采样时钟,也就避免了固定时钟带来的冗余采样,在节省功耗的同时可以减少采样点数量,减轻系统对数据处理和传输的压力。对于Level Crossing模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC),采样事件是由输入信号和预定阈值电压的状态共同决定的。根据工作方式不同,LC ADC可以分为Fixed window和Floating window两种结构。当采样事件发生时,Fixed window结构将输入信号折叠使其落在固定窗内,而Floating window结构是通过改变阈值电压调节窗的位置。LC ADC将信号幅值域的量化转化为时间域的量化,随着集成电路特征尺寸的减小,数字电路的工作频率不断提高,可以通过提高时间间隔的量化精度,来提升LC ADC的整体性能。本文在明确以上采样原理的基础上,采用0.18μm标准CMOS工艺,分别设计了两种不同结构的LC ADC,并构建了一个适用于本文非均匀采样ADC的性能评估方案。本文主要设计实现了一个以信号折叠电路、比较器和逻辑控制电路为主要组成部分的Fixed window型LC ADC。在对各模块电路进行设计仿真、非理想因素分析与优化、版图设计之后,通过非均匀采样傅里叶变换进行性能评估,电路最终实现了硬件精度8-bit、有效位数12.72-bit、面积为0.011mm~2、最快采样速率3.25MS/s。在同等功耗水平条件下,可以达到更高的转换精度,并且芯片面积非常小,适合生物医疗电子系统的应用。本文还设计了一种硬件精度为8-bit,最大采样率为512kS/s的Floating window型LC ADC,面积为0.231mm~2。当采样率为51.2kS/s时,功耗为100.3μW。由于采用全并行数据格式,Floating window结构减小了采样误差,但面积和功耗较大。考虑到Fixed window型结构更具小型化优势,本文选择Fixed window型LC ADC进行了流片,并给出了封装测试方案以及测试结果。