本文设计了一款10位20MSPS的流水线结构的模数转换器，它是高性能大动态范围CMOS图像传感器的一个子模块。文章通过比较现在通用的几种ADC的综合性能，并结合CMOS图像传感器的具体要求，确定采用流水线ADC对像素采集到的模拟信号进行模数转换，因为流水线ADC可以同时实现高速度和高精度；文章重点分析了如何采用开关电容(SC)电路来实现采样和量化，以及SC电路的噪声、功耗、速度之间的相互制约关系和采样电容大小的选取原则，并在此基础上建立起整个流水线ADC的架构和电路；最后对内部各模块逐一进行了分析，并给出了模拟结果。该流水线ADC采用标准的CMOS工艺来实现。与普通的分步式子区间ADC不同，流水线ADC中的每个模块都包含有采样/保持电路来保持模拟输入信号或余数信号，因此流水线ADC的每一级在完成对一个信号的采样量化后可立即对新采样进行处理，所以显著地提高了数据吞吐率。流水线ADC每一级的量化由一个低分辨率的并行ADC完成。量化信号从输入信号中减去，所得的余数经过级间放大器放大后可被下一级的电路采样，这些操作可由一个叫做增益DAC（MDAC）的模块完成。MDAC模块具有数模转换、减法、放大和采样/保持功能，该模块采用全差分的开关电容电路来实现；通过电荷在输入电容和反馈电容之间的重新分配，MDAC可精确地实现减法和余数的放大，同时极大地简化了电路结构。对应于同一输入信号的各级并行ADC的输出需要输入到数字校正逻辑进行同步。在流水线各级之间引入冗余位，这样各级分辨率的和就大于流水线ADC的整体分辨率，然后通过数字校正算法消去这些冗余位，这样做可以消除比较器和级间放大器的偏移所带来的影响。为了节约功耗，采用一个STBY控制信号可使电路工作在低功耗模式；在低功耗模式时，STBY可降低转换器内部放大器和比较器的偏置电路的工作电流。