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高精度器件的应用越来越显著，随着科技的不断发展，特别是在宇航与医疗等方面。传统的乃奎斯特转换器对元件精度和模拟部分的电路性能要求比较高，要达到16bit精度，对于现有的工艺有一定的设计难度。而Sigma-Delta模数转换器利用噪声整形，过采样和数字滤波等技术，有效降低了输出信号带内的量化噪声，有效的提高了信噪比，降低了生产成本，简化了模拟电路的设计。本文首先介绍了Sigma-Delta调制器的调制原理，并着重分析了MASH结构Sigma-Delta调制原理，对影响调制器性能的参数做了详尽的分析，并且对各个参数的具体影响也进行了分析。本设计是应用于硅陀螺的16位sigma_delta模数转换器的设计，在MATLAB环境下进行系统仿真，并且在cadence和Hspice进行电路设计。首先通过系统建模，理论分析确定调制器的各个细节设计，着重对级联2-1结构和级联2-1-1结构进行了设计，通过二者参数的对比确定更加合适的结构。此外还详尽的分析了非理性因素对调制器的影响，包括系数失配、运放有限直流增益、热噪声、时钟抖动、MOS开关误差等，并将这些非理性因素加入到系统模型中进行系统级仿真。通过理想和非理性情况下的仿真得到如下结果：理想情况下，当输入信号乃奎斯特带宽是200kHz时，2-1结构采用过采样率为128，信噪比达到110.3dB，有效位数达到18.02位；2-1-1结构采用过采样率为64，信噪比为121.8dB，有效位数达到19.93位。加入非理性因素，输入同样的信号，，2-1结构采用过采样率为128，信噪比为104.7dB，有效位数达到17.09位；2-1-1结构采用过采样率为64，信噪比达到111.6dB，有效位数达到18.82位。都能满足16位的设计要求。通过对比，可以明显的发现，整体性能2-1-1结构更加有优势，本设计最后采用2-1-1结构。由于信号的带宽较大，并且采用的过采样率较高，因此对电路要求较高。在完全满足设计要求的前提下，对电路的各个模块进行了分别设计，主要包括积分器，运算放大器，一位量化器，带隙基准源以及噪声抵消逻辑电路等，其中运放的直流增益约为78dB，相位裕度61.6°，单位增益带宽102MHz，满足了行为级仿真要求运放增益大于80dB，单位增益带宽大于100MHz的要求。在负载电容3pF时，摆率为142V/μs，满足行为级仿真要求摆率大于100V/μs的要求。比较器的延迟是32ns，满足设计要求。将各个模拟和数字模块综合到一起，可以正确的实现功能，并且对整个电路系统进行仿真发现，有效位数达到18.6位，满足16位的设计要求，并为版图设计留有一定的余度。