模数转换器(ADC)作为现代微电子通信系统中的关键设计模块,一直受到学术界和工业界的高度重视。近年来,随着5G移动通信的快速发展,对高速高精度ADC的要求也越来越高。尽管如此,由于我国高速高精度ADC领域的相关研究起步较晚,导致现阶段国内研发水平远低于国际先进水平,特别是最近受国际局势影响,更体现我国加快高性能核心芯片自主研发的迫切性。在众多ADC结构中流水线ADC由于其在速度、分辨率及功耗上的良好折中成为实现高速高精度的最优选择之一,因此本文重点是高速高精度流水线ADC的关键技术研究。本文首先分析了流水线ADC的基本工作原理和冗余位算法,讨论了电路非理想因素以及衡量ADC的主要性能指标。然后以上述内容为基础,从系统角度出发并遵循功耗最优化方案,分别确定了ADC的整体框架,热噪声远低于量化噪声的系统噪声分配方案,以及采用无采保电路以降低功耗、噪声和非线性的设计方法。最后引入速度因子和缩减因子以优化系统噪声模型,并基于系统热噪声要求和该噪声模型确定了每级采样电容的大小。本文基于TSMC 65nm CMOS工艺设计实现了一款12位1GS/s流水线ADC,并对各关键电路模块进行了研究和改进,包括:采用了新型的MDAC结构,采用单独的DAC电容重建信号从而消除了回踢噪声,将本级MDAC余差放大倍数减半从而解决了新结构中运放反馈系数较小的问题,并结合新结构输出摆幅减半的特点将其设计在低压工作环境下从而降低了系统整体功耗;对传统输入缓冲器进行了改进,通过增加开关电容电路实现信号跟随,并采用了前馈复制电容、共源共栅结构、深N阱特殊工艺提高线性度;采用新型动态驱动的DNW技术对传统栅压自举开关进行了改进,并增加了体效应消除技术及可靠性电路;在高性能运放设计中引入电平移位跨导增强技术、双尾电流源结构对传统增益自举运放进行了改进,并增加了Cascode补偿技术;在比较器中采用双电容分别实现了输入及参考电平采样,电路结构则使用了多级预放大器加锁存器从而实现了高速低失调的要求。最后完成了版图的设计工作,并对ADC系统进行了仿真验证。本文所设计的12位1GS/s流水线ADC的整体版图有效面积为2.10×1.04mm~2,整体功耗约为520mW。前仿结果表明,当输入信号频率为18.55MHz时,ADC的SFDR为80.50dB,SNDR为72.25dB;当输入信号频率增加487.30MHz时,ADC的SFDR为77.56dB,SNDR为70.10dB。后仿结果表明,当输入信号频率为18.55MHz,ADC的SFDR为75.88dB,SNDR为67.32dB;当输入信号频率增加至487.30MHz时,ADC的SFDR为71.16dB,SNDR为64.61dB。前后仿真存在误差主要是因为受到了版图中寄生电阻和电容的影响,但整体线性度下降幅度较小并处于理论预期范围内。以上结果显示,本设计满足高速高精度ADC的设计要求。