模数转换器(ADC)是连接模拟电路和数字电路的重要接口。随着手机、手环、平板电脑等移动消费电子产品的广泛使用以及新兴的可穿戴设备的出现,高性能、低功耗的ADC已经成为广大模拟电路和数模混合电路领域的研究者们关注的对象和追求的目标。在医疗技术水平飞速发展的今天,医疗设备检测和分析生理信号的能力至关重要,不管是体温计、血压计,还是绘制心电图、脑电图,检测模拟信号依靠传感器,而分析模拟信号的核心单元则是ADC。因此,模数转换器的性能直接决定着医疗设备的性能好坏。Sigma-delta ADC通过利用过采样、噪声整形和降采样数字抽取滤波等技术,在模拟领域通过要求不高的模拟电路处理低精度信号,降低模拟电路设计难度,而在数字域进行高精度的信号处理,充分应用了数字电路强大的信号处理能力。以较低的功耗和简单的电路获得极高的有效位数,应用于高精度音频电路、高精度测量仪器以及生理信号测量中,现有的SOC也广泛采用成熟的ADC IP。Sigma-delta ADC因为其高分辨率、高线性度、低成本等特点得到越来越广泛的应用与逐步深入的研究。本文首先分析了模数转换器的宏观工作原理,在对大部分种类的ADC有了系统了解的基础上,然后通过对比各类转换器的优缺点与适用场合,结合目标应用领域的输入信号特点,选定Sigma-delta ADC作为设计方案。接下来对Sigma-delta调制器的工作原理进行深入地分析,通过比较各种架构方式的优缺点以及使用时的要求,在对Sigma-delta调制器性能与调制器的阶数、过采样率和量化器之间的关系加以总结之后,在simulink中采用SD Toolbox工具箱对Sigma-delta调制器进行matlab建模与仿真,选定二阶单环一位量化的CIFB结构作为目标,得出各电路模块对应的大致参数要求。在具体的电路设计过程中,一方面采用工程上比较先进的电路结构(如高性能低功耗的开关电容运算放大器、开关电容共模反馈等),另一方面引入一些能够显著优化调制器电路性能的技术手段(如斩波技术等)。最后在SMIC 0.18μm CMOS工艺条件下,采用3.3V模拟电压和1.8V数字电压供电,在cadence中完成了24位输出的二阶Sigma-delta ADC模拟调制器部分的电路设计,设计目标为有效位数达到16位。仿真结果显示在输入信号幅度为1.08V,频率为2.5k Hz时,将输出信号采样并在matlab中进行FFT分析,得到调制器输出信噪比为98.3d B,即获得有效位数为16.03位,芯片功耗为21.6m W,达到了预期设计目标。