CT-ΔΣ 器件噪声分析与噪声预算分配

§10.5 分析 CT-ΔΣ 环路滤波器中电阻和 OTA 的热噪声模型,给出输入等效噪声 PSD 的闭式表达式(式 10.10/10.13),论证 STF 零点如何保护热噪声不被采样混叠。§10.5.1 讨论热噪声与量化噪声的最优功率分配——热噪声应占总噪声预算约 75%。


前后关系

上下文:前几节 (§10.1-§10.4) 讨论了 OTA 的增益/带宽/稳定性。§10.5 转向热噪声——CT-ΔΣ 中除量化噪声外的第二大噪声源。——所有电阻和晶体管都注入热噪声(和 噪声)。

前置知识:

后续内容:


原理介绍

单级 OTA-RC 积分器的热噪声(图 10.12)

噪声源:电阻 ,OTA 输出电流噪声 ( 取决于设计细节)。

输入等效噪声 PSD:

在优良积分器中 ,因此 。

功耗—噪声折衷:想降低 3 dB → R 减半 → 为保持 和 不变, 和 均加倍 → 功耗增加 2×。

环路滤波器总噪声与 STF 保护(二阶 CIFF 示例,图 10.13)

图 10.13 的二阶 CIFF CT-ΔΣ 中,噪声源包括:输入电阻 、DAC 电阻 、第一/二级 OTA,以及第二级电阻 。

等效模型(图 10.14):所有噪声源折合到输入端为 ,调制器输出受 STF 和 NTF 分别整形。

关键洞察 —— STF 零点防止噪声混叠(图 10.15):

虽然在采样点 b 处,噪声会由 附近折回带内,但 CT-ΔΣ 的 STF 在 整数倍处有零点。因此 附近的噪声在采样前已被抑制。带内热噪声 PSD 为:

推论:若环路滤波器是时变的(如 SC DAC 反馈),STF 零点退化 → 需考虑 附近噪声的折叠(见 CT-ΔΣ比较器与反馈DAC设计)。

各级噪声折合到输入的二阶效应

二阶 CIFF 的低频输入等效噪声:

  • 第一项:输入电阻和 DAC 电阻贡献
  • 第二项:第二级噪声被第一级增益抑制(,在信号带内很大)

重要结论:第二级及之后的积分器可大幅阻抗缩放,对带内热噪声几乎无影响。这也意味着增加 NTF 阶数(加积分器)的额外功耗很小——后级积分器可阻抗缩放。

CIFF/CIFF-B vs CIFB 的噪声优势:CIFF/CIFF-B 的后级噪声被第一级增益抑制,CIFB 无此特性——因此在相同功耗下 CIFF 类拓扑在噪声方面更优。

热噪声 vs 量化噪声的预算分配(§10.5.1)

CT-ΔΣ 的带内总噪声由热噪声 和整形量化噪声 组成:

三种分配策略(图 10.16):

  • A: 主导(量化噪声最大)
  • B:
  • C: 主导

功率最优论证:

假设从策略 A 开始, 加倍(),则 需稍微降低 < 2× 以补偿。

  • 增 2× → 阻抗缩放 2× → 功耗减半
  • 降 可通过:更激进 NTF(不影响功耗)、升 OSR/阶数(微增功耗)

因此增 总体上降低功耗。

经验法则:热噪声约占 75% 总噪声,即 比 低约 12 dB。

另外两个保持 的理由:

  1. 可重复,但多 bit 情况下需校准和额外设计裕量
  2. 含谐波分量(空闲音/idle tone)

关键要点

  1. STF 零点保护热噪声不被采样混叠——这是 CT-ΔΣ 隐含反混叠特性在噪声域的另一体现。前提是环路滤波器时不变(SC DAC 会破坏此优点)
  2. 后级积分器可大幅阻抗缩放而不影响带内热噪声(受第一级增益抑制),意味着高阶 NTF 可”几乎免费”增加
  3. 功率最优噪声分配是热噪声主导(~75%),因为降低热噪声需改变无源器件阻抗、直接增加功耗,而降低量化噪声成本低得多
  4. 保持 比 低约 12 dB 不仅是最优的,还提供了对抗 不可重复性和谐波分量的设计裕量

参考文献

  1. Pavan, S. (2011). “Alias rejection of continuous-time modulators with switched-capacitor feedback DACs.” IEEE Trans. Circuits Syst. I, 58(2), 233–243.
  2. Pavan, S., Schreier, R., & Temes, G. C. (2017). Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §10.5. IEEE Press/Wiley.
  3. Cherry, J. A. (1998). Theory, Practice, and Fundamental Performance Limits of High Speed Data Conversion Using Continuous-Time Delta-Sigma Modulators. Ph.D. dissertation, Carleton University.

相关页面


📙 Rosa 补充(Ch.4 NRZ/SC 反馈 DAC 噪声分析)

Rosa《Sigma-Delta Converters》Ch.4 对 CT-ΣΔM 的 DAC 反馈噪声给出了系统化分析。

NRZ DAC 的噪声特性(§4.6.1)

  • NRZ DAC 电流源的热噪声 PSD:(与电阻成反比)
  • 等效输入噪声:(与输入电阻串联)
  • 设计约束: 应足够大以降低噪声,但不能过大以致限制电流摆幅

SC DAC 的噪声特性(§4.6.2)

  • SC DAC 在每次切换时将 噪声注入积分器
  • 带内 SC DAC 噪声:
  • SC DAC 的优势:抖动敏感性低(电荷由电容决定而非脉冲宽度)
  • SC DAC 的劣势:高峰值电流破坏积分器线性度 + 削弱隐含反混叠

NRZ vs SC DAC 噪声对比

特性NRZ DACSC DAC
噪声机制电阻热噪声 采样噪声
抖动敏感性高低
积分器线性度好(恒定电流)差(脉冲电流)
隐含反混叠保持削弱
适用场景高线性度 CT-ΣΔM抖动受限 CT-ΣΔM

差异定位:Pavan Ch.10 侧重 OTA/电阻热噪声和噪声预算分配;Rosa Ch.4 增加了 NRZ vs SC DAC 的系统对比和 SC DAC 噪声特性的定量分析。