多级ΔΣ调制器与Leslie-Singh结构

核心思想:与其用高阶环路滤除量化噪声(面临稳定性挑战),不如测量并取消它。Leslie-Singh 结构用一个 L 阶 ΔΣ 调制器级联一个静态(0 阶)多 bit ADC,将首级量化误差 替换为远小于它的 ,从而获得 25-30 dB 的 SQNR 提升。


前后关系

上下文:§4 全面分析了高阶单环路 ΔΣ 调制器的设计,揭示了稳定性对 NTF 峰值的根本约束。§5.1 开始探索替代路径——多级结构。单环路用”大增益除以噪声”,多级用”测量并取消噪声”。

前置知识:

后续章节:


原理介绍

L0 级联结构

Leslie-Singh 结构(图 5.1)由一个 L 阶 ΔΣ 调制器作为第一级,和一个静态(零阶)多 bit ADC 作为第二级组成:

u --> [L阶 ΔΣ 调制器] -- v1 --> H1(z)=z^{-k} --->(+)
        |                                      ^
        |-- (提取 e1) --> [多 bit ADC] -- v2 --> H2(z)=NTF1(z) --->(+)
                                                        [数字输出 V]

两级输出经数字滤波后组合:

  • (与第二级 ADC 延迟匹配的纯延迟)
  • (第一级的噪声传递函数)

核心公式

第一级输出:

第二级输出(量化 ):

组合输出:

关键结果:输出中 被取消,替换为 。由于第二级是多 bit pipeline ADC(可以有任意延迟,无需在反馈环内), 可以远小于 ,SQNR 提升 25-30 dB。

误差提取的两种方式

方式一:直接减法提取

在量化器前/后分别获取信号,相减得到 。问题:量化器延迟导致减法无法直接实现,需在减法前对 延迟。

方式二:使用 (量化器输入信号)替代 ()

此时调整数字滤波器:

  • 总输出为(假设完美取消):

在信号带内 ,因此 SQNR 与方式一非常接近。

方式二的缺点: 包含 ,第二级必须能处理更大的输入摆幅且具有低失真。

低失真结构作为首级

当首级采用低失真 CIFF/CIFB 结构(§4.7),且满足 和 时,。末级积分器的输出为:

这个信号不含 ,直接作为第二级输入。第二级的输入摆幅更小,线性度要求更低。

以图 5.2 的二阶低失真 CIFF 为例:, ,第二积分器输出 ,可直接馈入第二级。


关键洞察

  1. 取消操作的病态性:本质上,取消是一个”病态条件”操作——模拟传递函数的微小偏差会导致 大量泄漏到输出
  2. 级间缩放:馈入第二级的信号必须仔细缩放——既不能过载(保证动态范围),又要充分利用第二级的输入范围
  3. 方式一 vs 方式二的本质区别:方式一 () 第二级输入纯噪声;方式二 () 含信号,线性度要求更高

参考文献

  1. Pavan, S., Schreier, R., & Temes, G. C. (2017). Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §5.1-5.1.1. IEEE Press/Wiley.
  2. Leslie, T., & Singh, B. (1990). “An Improved Sigma-Delta Modulator Architecture.” IEEE ISCAS, 372-375.

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