电容传感器广泛应用于温湿度、压力、位置、成分等测量中,涉及的领域包括生物医学、汽车电子等。电容传感器包括前端感应元件和电容读取电路,由于感应元件不消耗静态功耗,电容传感器的主要功耗来源于读取电路。并且随着电容传感器的发展应用,电容传感器待测电容值可能为pF量级甚至是更小的量级,因此对电容读取电路的研究具有重要的意义。本文设计了一款基于sigma-delta调制的电容数字转换器(CDC)。本设计CDC系统框架包含感应电容Cx和sigma-delta调制器,其中感应电容Cx直接作为sigma-delta调制器第一级采样电容,实现电容-数字转化。本设计的sigma-delta调制器是CDC的核心模块,采用3阶CIFF拓扑结构。首先利用Matlab软件搭建系统级理想模型,通过公式迭代、仿真并综合考虑各级积分器输出摆幅,合理确定各级增益系数。行为级仿真充分考虑了 kT/C热噪声、运放有限直流增益等非理想因素,为MOS管级电路实现奠定基础。管级电路实现方面,为了弥补本设计较小参考电容0.4pF,补偿电容Coff与感应电容Cx采用反相的激励进行驱动,使得CDC输入电容为Cx-Coff,即“zoom-in”,从而降低了 sigma-delta调制器的要求。为了扩大电容测量范围,感应电容Cx由7个二进制加权的电容矩阵组成,补偿电容Coff由8个二进制加权的电容矩阵组成,并由相应的数字信号进行控制。Sigma-delta调制器中的运放均采用电流饥饿型OTA,提高电流利用率;利用自归零技术,降低OTA输入失调电压;采用一个前置放大器和一个动态锁存器组成的比较器,实现快速准确的比较。基于Cadence IC615,实现对整体电路模块前仿真、版图设计以及后仿真。本设计采用SMIC 0.18μm工艺,并已顺利流片,芯片的有效面积为0.496mm2。利用LabVIEW、DAQ Board和Matlab软件组成的芯片测试系统对数据进行采集和处理。本文设计的CDC采样频率为250KHz,供电电压为2V,调制器消耗电流18.6μA。对芯片输出码流进行FFT分析得到信噪比74.15dB,品质因数FOM为7.26pJ/step。在参考电容0.4pF下,通过控制电容矩阵,电容测量范围为0-8pF。CDC等效输入与输出曲线实现良好的线性度。