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X射线探测器是一种能将宇宙中肉眼看不见的X射线辐射能量转换为数字信号的装置。由于X射线具有很强的穿透性，因此X射线探测器被广泛应用于医疗成像、海关检查和宇宙观测中。X射线探测器的主要单元有信号探测电路、数据读出电路和数字信号处理模块。在X射线探测器的数据读出系统，与芯片级读出电路和列级读出电路不同的是，像素级数据读出电路需要像素单元匹配。对于h行h列的像素阵列，需要h×h个数据读出电路，这对读出电路的面积和功耗设计提出了挑战。模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）作为像素级读出电路中连接模拟信号和数字信号的模块，同样地，低功耗和小面积成为像素级模数转换器研究与设计的难题。 为了满足10kHz帧频、64×64像素阵列的X射线探测器数字读出电路对小面积和低功耗ADC的要求，本文先对ADC建立理想模型，确定采用循环型模数转换器(Cyclic ADC)架构设计低功耗和小面积的ADC。然后在理想模型中加入非理想因素建模，定量地分析热噪声和电容失配对ADC的影响。在确定ADC的架构后，根据设计指标研究并实现了一种12位，采样频率为31kHz的循环型模数转换器（Cyclic ADC）。为了减小ADC的面积、降低ADC的功耗，系统设计上采用运放共享技术，减少电容和运放的使用量。 本文设计和实现的循环型模数转换器基于SMIC的CMOS工艺。电路和版图设计完成后，在3.3V电源电压和31kHz的采样速率的条件下对ADC进行仿真，后仿真结果表明，ADC的有效位数达到11.63位，信噪比为72.14dB，无杂散动态范围为85.86dB，信噪失真比为71.76dB。其中面积和功耗达到了ADC的设计指标，ADC的整体版图面积为119um×75um，功耗为0.11mW。