由于物联网等相关技术的发展,使得包括MEMS电容式加速度计在内的MEMS传感器在可穿戴设备中有广泛的应用,所以加速度计在设计过程中受到尺寸与功耗的限制。同时,制造MEMS传感器的CMOS工艺与MEMS工艺中的特征尺寸为了顺应MEMS传感器高度集成化的趋势而减小。这都会导致加速度计的供电电源电压降低并极易受到寄生电容中噪声的干扰,从而降低加速度计的动态范围。因此本文在设计MEMS电容式加速度计的过程中对低功耗与宽输入动态范围的特性进行了深入的研究并提出相应的实现方法。本文首先根据电容式敏感单元的物理结构特征建立了可用作电路整体仿真的敏感单元模型。在详细研究了电容式加速度计的工作机理后,在理想力学模型的基础上引入热噪声、寄生电容以及静电力吸合效应等非理想因素,并基于Verilog-A语言建立了敏感单元的行为模型。通过分析模型的瞬态特性以及频率特性,得出所建立的模型能够准确反映实际敏感单元的工作特性且能够与读出电路进行整体仿真。其次本文通过研究不同电容电压转换器(CVC)的工作原理并分析其优缺点,选择了由开关电容电荷放大器构成的全差分开环结构实现电容值读出。为了降低寄生的电容对读出电路中的输入偏移误差以及增益误差的恶化,引入了输入共模反馈补偿结构以及过采样逐次逼近读出技术。在分析两种电路结构的不足后,提出一种采用平均降噪读出技术的CVC。该技术可通过减小CVC中噪声使CVC的输入动态范围可达到98d B,同时减小了读出电路的整体功耗。为了使加速度计输出稳定的数字信号,本文设计了一款一位量化单环CRFF结构的二阶Sigma-Delta调制器,该调制器有线性度高、功耗低的特点。在研究调制器的工作原理以及工作时的稳定性条件后,提出电路实现方案,最终调制器的有效位数为12bits,信噪比为74d B。最后本文基于Dongbu HiTek 0.18μm BCD工艺,在Spectre中对设计的电路系统进行仿真验证。仿真结果显示本文设计的读出电路在电源电压为1.8V的情况下的有效识别量程为±10g。随着输出采样频率的降低,CVC的输出噪声增幅被抑制在3d B以内,实际值与理论值的误差为1.08%,并且通过优化整体电路结构减小了读出电路的功耗。带隙基准模块的温度系数为12.7ppm/℃,上升时间小于5μs,满足设计要求。