随着消费电子产业和物联网的发展,传感器被广泛应用在各个领域。模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)作为传感器信号的接口,是传感器应用系统中不可缺少的部分。Σ-ΔADC由于其高分辨率特性和较低的工艺要求,被广泛应用在各传感器信号处理系统中。但由于其内在的结构特性,为防止信号过载,实际应用中往往需要限制信号输入范围,同时降低了ADC的动态范围(Dyanmic Range,DR)。在满足传感器信号处理系统高精度要求的同时,实现对Σ-ΔADC动态范围的优化是设计中急需解决的问题。本文首先从Σ-Δ调制器的实现原理出发,结合电路设计中的问题,分析了影响Σ-ΔADC动态范围的因素;然后基于参考电压动态调节的思路,设计了一种SAR_ΣΔ调制器,采用5位SAR ADC和三阶调制器的混合结构,采样频率5.12MHz,信号带宽10kHz。本设计引入了前置的SAR ADC对输入信号进行粗转换,转换结果用于动态调整Σ-Δ调制器的参考电压;在减小量化噪声优化动态范围的同时,减小了对调制器阶数和过采样率(Over-sampling Rate,OSR)的要求,增强了系统稳定性。相比传统的多比特量化器方案,减小了电路规模与功耗。此外,引入数据加权平均(Data-weighted Averaging,DWA)算法,优化由参考电压DAC电容失配导致的谐波失真。本文首先通过Matlab建模,对SAR_ΣΔ调制器进行了系统级设计;然后基于SMIC 0.18μm CMOS工艺完成了电路设计;最后采用Virtuoso和Calibre EDA平台完成了版图设计和后仿真。仿真结果表明,调制器动态范围达到105dB,最高SNDR为101.2dB,功耗1.6mW,FOM_S为172.9dB。系统整体版图面积0.34mm~2。在满足传感器信号处理SoC对调制器10kHz带宽和16bit分辨率要求的同时,实现了较低的功耗和版图面积,有利于SoC内部的多路集成。