一直以来,人类对太空的探索从未止步。卫星通过利用各种传感器来获取外界的物理信息。传感器读出系统负责将传感器输出的微弱电信号进行低噪声放大、成形和数字化。在传感器读出系统中,模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）负责模拟电信号的数字化,要求其具有高分辨率、小面积、低功耗以及抗辐照的特点。本文主要致力于应用在传感器读出系统的流水式逐次逼近模数转换器（Pipelined SAR ADC）的研究与实现,主要研究工作如下:（1）Pipelined SAR ADC数字校正和校准技术针对模拟前端微电子系统,采用CSMC 0.35μm CMOS工艺设计实现了一款10 bit1 MS/s Pipelined SAR ADC原型芯片。该芯片采用三级流水结构,每一级的分辨率为4bit,其中1 bit为冗余位。为了提高该款ADC的精度,采用了加法数字校正技术和基于权重的数字校准技术。测试结果表明,该芯片的微分非线性（DNL）为-0.47 LSB⁰.52LSB,积分非线性（INL）为-1.08 LSB¹.67 LSB,有效位（ENOB）为8.9 bit,功耗为8.2 mW。（2）高线性度Pipelined SAR ADC的研究与设计针对数字前端微电子系统,采用TSMC 0.18μm CMOS工艺设计实现了一款12 bit10 MS/s Pipelined SAR ADC原型芯片。该芯片采用两级流水结构,第一级的分辨率为6bit,第二级的分辨率为8 bit。为了提高该款ADC的线性度,采用了基于共模电平V_cm的流水级电路和DAC电容阵列一致性布线策略。测试结果表明,该芯片的DNL为-0.57LSB¹.06 LSB,INL为-1.54 LSB¹.38 LSB,ENOB为10.8 bit,功耗为10 mW。（3）低功耗Pipelined SAR ADC的研究与设计针对混合信号微控制器片上系统,采用TSMC 0.18μm CMOS工艺设计实现了一款12 bit 2 MS/s Pipelined SAR ADC芯片。该芯片被集成在微控制器片上系统中。为了降低该款ADC的功耗,第二级流水级电路采用单位桥电容SAR ADC结构。同时,采用随机码校准算法,消除由寄生电容引起的周期性失码现象。测试结果表明,该芯片的DNL为-0.53 LSB⁰.78 LSB,INL为-1.96 LSB¹.54 LSB,ENOB为10.21 bit,整个ADC功耗为12 mW,其中核心模块的功耗为5 mW。（4）Pipelined SAR ADC抗辐射加固设计在Pipelined SAR ADC芯片设计中,分别从版图方面和电路方面采取了抗辐射加固策略。在版图方面,为了提高ADC抗总剂量效应的能力,采用了环栅NMOS晶体管并在NMOS晶体管周围加入P+保护环。为了提高ADC抗单粒子闩锁的能力,分别在NMOS晶体管和PMOS晶体管之间加入P+与N+保护环。另外,采用差分电荷消除（Differential Charge Cancellation,DCC）版图来减轻单粒子效应对于差分模拟电路的影响。在电路方面,为了提高数字集成电路抗单粒子瞬变和单粒子翻转的能力,采用了双互锁存储单元（DICE）D触发器。本论文的主要创新点如下:（1）提出了一种余量放大器失调电压自消除的双极性MDAC和基于权重的数字校准技术。比较器和余量放大器的失调电压会导致传统单极性MDAC的输出电压发生溢出现象,余量放大器的非线性以及电容失配等会引入增益误差。针对这些问题,本文提出一种余量放大器失调电压自消除的双极性MDAC和基于权重的数字校准技术。首先,通过引入电容C_s并且利用加法数字校正技术消除比较器±1/2 LSB的失调电压,其次,通过引入电容C_os完全消除了余量放大器的失调电压,最后,利用单级流水级电路的每一个跳变点测量出每一个数字码对应的实际权重,提高了Pipelined SAR ADC的精度。（2）提出了一种基于共模电平V_cm的流水级电路及其版图优化策略。传统流水级电路以及DAC电容失配将会导致ADC出现较差的DNL和INL。针对此问题,本文提出一种高线性度流水级电路。首先,在电路方面,提出一种基于共模电平V_cm的流水级电路,其DNL和INL,相比于传统流水级电路,减小了约1/2。另外,在版图方面,提出一种新型的单位电容版图以及一致性布线策略。新型的单位电容版图是在工艺厂商提供的金属-绝缘体-金属（Metal Insulator Metal,MIM）电容版图的基础上加了一个环。在布线时,电容的上极板通过在环的四个拐角处加入接触孔连接到电路中,下极板通过在环的四边加入接触孔连接到电路中。这种布线方法保证了每类电容之间的比例与其连线引入的寄生电容之间的比例完全相同,提高了电容阵列中各类电容的匹配度。（3）提出了一种单位桥电容Pipelined SAR ADC结构和随机码校准算法。对于两级Pipelined SAR ADC,若第二级采用传统SAR ADC,那么第一级余量放大器的负载电容与第二级SAR ADC的分辨率k₂成指数关系,为2^k2C_u,C_u为单位电容,这么大的负载电容导致余量放大器的功耗非常大。针对此问题,本文提出一种新型的两级Pipelined SAR ADC拓扑结构,其中第二级采用单位桥电容SAR ADC,将余量放大器的负载电容减少为2^k2² C_u,由此,余量放大器的功耗减少为原来的1/2^k2。另外,针对单位桥电容SAR ADC中寄生电容产生的周期性失码现象,本文提出一种随机码校准算法,将丢失码相邻两侧的数字码以1/2的概率分配给丢失码,从而补偿丢失的数字码,消除失码现象。本文的研究成果对研发传感器读出系统和Pipelined SAR ADC芯片具有重要的理论意义和工程实用价值。