CIFF、CRFF 与 CIFF-B:前馈环路滤波器拓扑
CIFF(Cascade of Integrators with FeedForward)是 CIFB 的互补结构——积分器输出前馈到量化器输入端(而非反馈到积分器输入)。由于信号通过前馈路径直接从输入到达量化器,积分器内部只需处理整形噪声 ⇒ 摆幅小、线性度高、仅需一个反馈 DAC。CIFF-B 进一步结合前馈和反馈,兼顾前馈和反馈拓扑的优点。
前后关系
上下文:CIFB与CRFB反馈环路滤波器拓扑 揭示了 CIFB 的根本问题——积分器处理信号+噪声的大摆幅导致面积大、线性度差。CIFF 结构是对此的直接回应,其核心思想来自 MOD2替代架构 中的 Silva-Steensgaard 结构(调制器信号前馈)。
后续延伸:这些拓扑直接映射到 Ch.7(DT 开关电容实现)和 Ch.8(CT-ΔΣ调制)的连续时间实现中。CIFF 的 CT 等价物 在 CT-ΔΣ 中有不同的实现考量(快/慢路径解耦问题)。
原理介绍
CIFF 结构(图 4.28)
三阶 CIFF 由三级延迟积分器级联构成,各级积分器输出通过权重 前馈到量化器输入端(求和)。
环路滤波器 :
与 CIFB 的 对比:
| 结构 | 的形式 | 分子延迟 |
|---|---|---|
| CIFB | 不同 | |
| CIFF | 均为 |
关键差异:CIFF 中所有前馈路径分子都是 ——这是由延迟积分器结构决定的。
STF(输入系数 ,假设 使 dc 增益为 1):
直流时 等价于 (第一级输入积分器的直流输入为零)。
CIFF 的积分器状态
由于输入前馈路径的存在,积分器只需处理整形噪声(无信号成分):
- :二阶整形噪声
- :一阶+二阶整形噪声
- :量化器输入 ≈ + 整形噪声
与 CIFB 的对比:
| 状态 | CIFB | CIFF |
|---|---|---|
| + 二阶整形噪声 | 仅二阶整形噪声 | |
| + 一阶+二阶整形噪声 | 仅一/二阶整形噪声 | |
| + 所有阶整形噪声 | + 所有阶整形噪声 |
CIFF 的积分器输出无信号分量 ⇒ 摆幅大幅减小 ⇒ 线性度显著改善。
低失真 CIFF(图 4.29)
实现所有频率下 的 CIFF 变体——将输入直接前馈到量化器求和节点。
此时 ⇒ 并非在所有频率为 1。
更精确的低失真结构:输入分别通过前馈路径到求和节点(图 4.29 的等效),使:
这意味着信号分量完全从积分器中移除,积分器只处理整形后的量化噪声。
CRFF:复数 NTF 零点的 CIFF
在 CIFF 的两级积分器之间加入局部反馈 ,形成谐振器(图 4.30):
实现 NTF 的一对复共轭非零零点。CRFF = CIFF + 谐振器。
CIFF-B:混合前馈-反馈结构
CIFF-B(Cascade of Integrators with FeedForward and FeedBack,图 4.31):
- 双反馈:(高阶级)、(一阶级)
- 前馈:(二阶路径通过前馈实现)
优势:
- 快路径()和精路径()解耦 ⇒ 可独立优化
- 针对速度优化(快反馈的增益)
- 针对精度优化(高阶级的增益)
- 无信号分量 ⇒ 第一级增益可放大 ⇒ 减小面积和噪声
- 只有 2 个 DAC(比 CIFB 的 3 个少,比 CIFF 的 1 个多)
四种拓扑对比总结
| 特性 | CIFB | CIFF | CRFB | CRFF | CIFF-B |
|---|---|---|---|---|---|
| 反馈 DAC 数量 | 1 | 1 | 2 | ||
| 积分器信号分量 | 大 | 几乎为 0 | 大 | 几乎为 0 | 为 0 |
| 快/慢路径解耦 | ✅ | ❌ | ✅ | ❌ | ✅ |
| 复数零点支持 | ❌ | ❌ | ✅ | ✅ | ✅(内部反馈) |
| STF 平坦度 | 低通 | 平坦(低失真版) | 低通 | 平坦 | 适中 |
| 面积效率 | 差(小) | 好 | 差 | 好 | 好 |
| 连续时间实现友好 | ✅ | ❌ | ✅ | ❌ | ✅ |
关键洞察
- CIFF 的根本优势是积分器无信号分量——这直接解决了 CIFB 面积大、线性度差的问题
- CIFF 仅需一个反馈 DAC——面积和功耗显著优于 CIFB
- 低失真 CIFF 的 STF=1 是”免费”的——但前提是 的精确匹配
- CIFF-B 是最灵活的折中结构——两个 DAC、快慢路径解耦、积分器无信号分量——在实践中广泛采用
- CIFF 在连续时间实现中的挑战(将在 Ch.8 讨论):快路径(一阶)和精路径(高阶)共享同一个反馈路径 ⇒ 难以独立优化
- “天下没有免费的午餐”——每种拓扑都有取舍,选择取决于应用需求(面积、功耗、线性度、时钟频率)
参考文献
- S. Pavan, R. Schreier, and G. C. Temes, Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §4.7.2-4.7.3. IEEE Press/Wiley, 2017.
- J. Silva, U. Moon, J. Steensgaard, and G. Temes, “Wideband low-distortion delta-sigma ADC topology,” Electronics Letters, vol. 37, no. 12, pp. 737-738, 2001.
- J. Steensgaard-Madsen, High-Performance Data Converters. Ph.D. dissertation, Technical University of Denmark, 1999.
- S. R. Norsworthy, R. Schreier, and G. Temes, Delta-Sigma Data Converters: Theory, Design, and Simulation. IEEE Press, New York, 1997.
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