失配整形与多bit ΔΣ调制器
1-bit DAC 天然线性但限制了性能;多 bit DAC 性能优异但存在非线性。失配整形是一种将 DAC 元件失配误差噪声整形的技术,兼取两者之长。
前后关系
上下文:§1.5 在 §1.3-1.4 讨论高阶和 MASH 调制器之后,引入另一个实际问题——反馈 DAC 的非线性。多 bit 量化器可大幅提升调制器性能,但反馈 DAC 的失配会导致失真。
后续章节:
- Ch.6(DAC失配问题与旋转选择DWA原理、旋转实现与替代失配整形拓扑、高阶失配整形原理、三电平分段DAC与过渡误差整形)完整覆盖失配整形的原理、算法、实现
- Ch.13(ΔΣ DAC)讨论 ΔΣ DAC 中的失配整形
- Ch.5(MASH级联ΔΣ调制器原理)中 MASH 第二级的多 bit 量化可免 DAC 校正
原理介绍
单 bit vs 多 bit 量化
| 特性 | 单 bit 量化器 | 多 bit 量化器 |
|---|---|---|
| 量化噪声基数 | 大() | 小() |
| 环路稳定性 | 差(增益不确定) | 好(增益确定) |
| 输入摆幅 | 小(稳定性约束) | 大 |
| 所需 OSR | 高 | 低 |
| DAC 线性度 | 本征线性 | 需失配整形 |
DAC 线性度的关键性
在 ΔΣ 调制器中,反馈 DAC 出现在环路内部(如图 1.17):
u --->(+)---[环路滤波器]---[ADC]---> v (数字输出)
^ |
|-------[DAC (反馈)]<--------|
- 环路反馈迫使 DAC 输出信号在带内精确跟随输入
- 若 DAC 非线性,其输入(即调制器输出 )会被扭曲以补偿 DAC 的非线性 ⟹ 输出失真
- DAC 的线性度直接影响整个转换器的线性度
单 bit DAC 的本征线性
1-bit DAC 只有两个输出值,输入-输出关系可以用一条直线精确描述:
这是线性系统的严格定义——由于只有两个点,任何通过这两点的直线都是精确的。因此 1-bit DAC 不会产生谐波失真。
多 bit DAC 的非线性问题
假设 个 DAC 单元各自有增益误差 :
当 时,DAC 的传递函数不是直线,产生谐波失真。
失配整形原理
核心思想
在概念上与噪声整形完全对称——不是在环路中整形量化噪声,而是让 DAC 单元的选择逻辑将失配误差整形到带外。
类比 ΔΣ 噪声整形:
- 量化噪声整形:用环路滤波让量化噪声 的高频分量通过,低频被抑制
- 失配整形:用单元选择逻辑让 DAC 失配误差的高频分量通过,低频被抑制
典型实现:DWA(Data-Weighted Averaging)
基本的单元旋转算法:
- 维护一个指针指向下一次要使用的 DAC 单元
- 每次需要 个单元时,从指针位置顺序取 个
- 更新指针位置
效果:
- 一阶 DWA:将 DAC 失配误差整形为 的高通特性
- 二阶 DWA:将失配误差整形为
更高级的技术
| 技术 | 阶数 | 复杂度 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 随机选择 | 0 | 低 | 白化失配误差,无整形 |
| DWA | 1 | 低 | 一阶整形,最常用 |
| 二阶 DWA | 2 | 中 | 更强整形,逻辑复杂 |
| 树形 DEM | 可变 | 高 | 可任意阶,面积大 |
| VQ(向量量化) | 高 | 极高 | 理论最优 |
低 OSR 场景的处理
当 OSR 很低(例如 )时,噪声整形的优势减弱。此时可以采用数字校正方法:
- 测量:在工厂测试或系统启动时测量每个 DAC 单元的误差
- 存储:将测量结果存储在查找表(LUT)中
- 补偿:在实际工作时,根据选择的单元组合预失真数字输入
这种方法在原理上类似于仪器中的数字预失真(DPD)。
多 bit ΔΣ 的设计优势
综合来看,多 bit + 失配整形在以下场景特别有价值:
- 低 OSR 高速 ΔΣ:OSR = 8~16 时,多 bit 可大幅提高 SNR
- CT-ΔΣ:多 bit 量化器减少时钟抖动敏感度(量化步长更小)
- 宽带宽 ΔΣ:无需极高 OSR,即可覆盖 MHz 级带宽
参考文献
- Pavan, S., Schreier, R., & Temes, G. C. (2017). Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §1.5 & Ch.6. IEEE Press/Wiley.
- Baird, R. T., & Fiez, T. S. (1995). “Linearity Enhancement of Multibit ΔΣ A/D and D/A Converters Using Data Weighted Averaging.” IEEE Trans. Circuits Syst. II, 42(12), 753-762. (DWA 的原始论文)
- Galton, I. (1997). “Spectral Shaping of Circuit Errors in Digital-to-Analog Converters.” IEEE Trans. Circuits Syst. II, 44(10), 808-817.
相关页面
- MASH ΔΣ调制器
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- Pavan ΔΣ 数据转换器 Ch.1 深度解析
- Pavan ΔΣ 数据转换器 Ch.6 深度解析
- Rosa Sigma-Delta Converters Practical Design Guide 深度解析
📙 Rosa 补充(Ch.2 DEM 技术与双量化)
Rosa《Sigma-Delta Converters》Ch.2 对失配整形和多 bit ΣΔM 增加了实用 DEM 技术分类。
DEM 技术系统分类(§2.4)
Rosa 将 DEM 技术按复杂度和性能系统分类:
| DEM 方法 | 整形阶数 | 硬件复杂度 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 随机化(Randomization) | 0 | 低 | 白化失配,无整形 |
| 旋转选择(Barrel Shift) | 0 | 低 | 周期性旋转,产生 tone |
| DWA(Data-Weighted Averaging) | 1 | 低 | 一阶整形,最广泛 |
| ILA(Individual Level Averaging) | 1 | 中 | 每个电平独立平均 |
| CLA(Clocked Level Averaging) | 1 | 中 | 时钟控制轮换 |
| 二阶 DEM | 2 | 高 | 更强带内抑制 |
| Tree-structured DEM | 可变 | 很高 | 可任意阶,面积大 |
DWA 的 tone 问题与解决
Rosa 指出 DWA 在低阶调制器中可能引入 tone:
- 当输入为直流时,DWA 指针周期性循环,产生离散谱线
- 解决:在 DWA 指针中加入伪随机扰动(dithered DWA)
- 或者使用二阶 DEM 彻底消除 tone
双量化(Dual Quantization)技术(§2.4.2)
Rosa 详细介绍了前馈/反馈路径使用不同位数的技术:
- 前向路径用 位 ADC(决定量化噪声基底)
- 反馈路径用 位 DAC(决定反馈精度)
- 当 时,量化噪声被整形,DAC 失配误差仅受 DEM 处理
- 实际意义:降低反馈 DAC 复杂度而不损失性能
差异定位:Pavan Ch.6 侧重 DWA 的严格数学分析和高阶失配整形理论;Rosa 侧重 DEM 技术全景分类、DWA tone 解决方案和 双量化工程实现。