模数转换器(ADC)作为模拟信号与数字信号之间的桥梁,在数字化程度不断加深的现代电子系统中至关重要,已成当代电子信息技术不可或缺的部分。随着无线传感网络、便携式消费电子产品、可穿戴医疗监控设备等低功耗电子系统的快速发展,具有高集成度的高速低功耗ADC市场需求不断增加。面对市场的巨大需求,ADC逐渐采用更加先进的制造工艺,已从亚微米级的0.35μm-0.18μm工艺转向纳米级的90nm-32nm工艺。纳米级工艺制约了传统模拟电路系统的性能,从而改变了ADC的研究思路和发展趋势。目前,逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)因其结构简单、面积小、数字化程度高等特点,已成为了纳米级工艺下ADC的主要研究方向,具有重要的研究价值和巨大的市场潜力。因此,基于65nm CMOS工艺,研究和设计高速低功耗SAR ADC具有重要意义。本文首先分析了SAR ADC在高速、低功耗方向的发展现状,明确了论文的研究目标和研究内容,并制定了具体设计指标。然后,介绍了SAR ADC的工作方式和基本结构;分析了电容转换能耗和匹配性,研究了高能效电容转换方案;讨论了动态比较器的失调、噪声和亚稳态误差对SAR ADC性能的影响;并结合SAR ADC工作方式研究了SAR ADC的逻辑实现技术。在以上研究的基础上,基于1.2V 65nm CMOS工艺,完成了10位80MSPS异步SAR ADC的电路设计工作:在分析高速低功耗SAR ADC面临的技术瓶颈的基础上,提出了一种新型高能效电容转换方案,减少了电容状态的改变次数、比较器工作次数和数字电路翻转次数,降低了SAR ADC整体功耗;并采用二进制校正技术解决了电荷再分配式数模转换器(C_DAC)短时间内建立不稳定的技术难题,提高了SAR ADC速度。之后,设计了SAR ADC各子模块电路;即采用栅压自举技术,设计了一种高线性度的栅压自举开关;通过延长放大阶段时间,在不增加功耗的情况下,减小了动态比较器的输入等效噪声;提出了带绕过机制的异步SAR逻辑和电容状态控制逻辑,控制各子模块电路实现了模数转换功能;通过简化二进制校正技术的纠错算法,设计了一种结构简单的带溢出校正功能的数字纠错电路(DEC),完成了二进制编码输出的功能。完成电路设计工作后,使用Cadence Virtuso软件设计了SAR ADC版图并完成后仿真验证。在电源电压为1.2V,转换速率为80 MSPS时,无杂散动态范围SFDR达到72.5dB,信噪比SINAD达到59.67dB,整体功耗仅为0.87mW,优值FOM为13.8 fJ/conv.step。后仿真结果表明:本文设计的SAR ADC在较高的转换速率下,具有高无杂散动态范围、高信噪比和低功耗的特性,达到论文设计指标;其中,SAR ADC的优值FOM已达到国内领先水平。