CT-ΔΣ 过量延迟分析与补偿

过量延迟(Excess Loop Delay, ELD)是 CT-ΔΣ 调制器中最突出的非理想性。量化器及 DEM 逻辑的有限延迟破坏了脉冲不变变换的前提,使 NTF 偏离设计值甚至导致失稳。Pavan 提出的基于 Taylor 级数的 ELD 补偿方法避免了繁琐的 s↔z 域变换,可系统化处理任意阶数和任意 DAC 脉冲形状。


前后关系

上下文:在 Ch.8 中,CT-ΔΣ 调制器设计基于脉冲不变变换,假设 DAC 脉冲在采样时刻前完整输出。然而实际电路中(图 9.1),量化器采样(clk_adc)后需时间完成再生和 DEM 逻辑,DAC(clk_dac)只能在若干延迟后启动。这个延迟破坏了设计假设。

相关概念:

后续章节:

  • Ch.9 §9.2-§9.6 讨论其他非理想性
  • Ch.10 给出 ELD 补偿 DAC 的电路实现方式

原理介绍

ELD 的物理来源

如图 9.1 所示,量化器由 ADC(比较器)和 DAC 级联实现:

  1. ADC 再生延迟:比较器(如 StrongARM 锁存)的再生时间与输入幅度成反比
  2. DEM 逻辑延迟:多比特量化器中,DWA/DEM 算法引入组合逻辑延迟
  3. DAC 建立时间:DAC 需满足建立时间要求

综合结果:clk_dac 必须相对于 clk_adc 延迟 个时钟周期。

CT-MOD1 的 ELD 效应(§9.1.1)

考虑归一化一阶 CT-ΔΣ 调制器(图 9.2),NRZ DAC,过量延迟 。

脉冲响应:环路滤波器输出(断裂环路,采样):

相比于理想响应 ,第一个采样点从 1 变为 。

环路增益和 NTF:

关键结论:

  • 系统阶数从 1 增至 2(增加的极点来自 DAC 延迟)
  • 极点随 增大向单位圆移动, 时落在单位圆上(临界稳定)
  • 带内 NTF 幅度不变( 与 无关)

补偿方法(图 9.4):在积分器旁并联增益为 的直接路径。物理本质是在环路增益中添加零点以改善相位裕度。

重要事实:经过补偿后只有采样值相等,连续时间波形并不相等——这对 NTF 恢复已经足够。

不同 DAC 脉冲的 ELD 容忍度(图 9.6):

  • NRZ DAC:可容忍 但需直接路径
  • RZ DAC:可容忍 (半周期内脉冲已回零)
  • Impulsive DAC:可容忍 (脉冲宽度趋近于零)

CT-MOD2 的 ELD 效应(§9.1.2)

二阶 CT-ΔΣ 调制器(图 9.7),NRZ DAC,理想 时 NTF = 。

环路滤波器传输函数:

含延迟后, 和 路径的采样 z 变换分别为:

极点轨迹(图 9.8): 时极点移出单位圆,系统不稳定。MSA 随 急剧下降。

补偿方法(图 9.9):在量化器旁添加直接路径增益 ,重新求解系数方程组:

令环路脉冲响应采样与 DT 原型 L(z) = (2z - 1)/(z - 1)^2 匹配:

求解得到:

注意: 路径增益不变;直接路径增益随 增大而增大。

高阶 CT-ΔΣ 的 ELD 系统化补偿(§9.1.3)

上述 s↔z 变换方法在二阶时已显繁琐。Pavan [2] 提出基于 Taylor 级数的 ELD 补偿方法,从根本上避免了域变换。

核心思想:考虑 阶 CIFF 拓扑(图 9.10-9.11),延迟 后的 路径输出 可通过 Taylor 级数展开为无延迟输出 :

其中 正是前级积分器的输出。

三阶 CIFF 示例():

无延迟环路滤波输出:

使用 Taylor 展开代入:

合并得到延迟后的等效系数:

其中:

关键条件:当 对于 (即延迟脉冲在采样点前结束),则 ,无需直接路径!

NRZ DAC 的情况: 延伸至 后,仅有 处的采样值不匹配,需要通过直接路径补偿这个差值:

公式的指数形式:补偿相当于将 乘以 (预补偿延迟),展开至 项:

四阶设计实例

目标:四阶 Butterworth NTF,OBG = 1.5,NRZ DAC,过量延迟 。

设计步骤:

  1. 使用 ΔΣ Toolbox 综合 NTF:
  2. 计算无延迟 CT 系数(CIFF 拓扑):
  3. 应用 ELD 补偿公式:
  1. 计算 处的采样值差,确定直接路径增益

关键要点

  1. ELD 的数学本质:将 CT-ΔΣ 的有效系统阶数增加 1,极点向单位圆移动。 阶变为 阶。
  2. 补偿的物理本质:系数调谐调整低阶路径权重 + 直接路径引入零点,改善相位裕度,恢复 NTF。
  3. Pavan Taylor 级数方法的优势:避免 s↔z 变换,系数修正公式简洁可手算,适用于任意 DAC 脉冲形状,且当 在 内结束时可省略直接路径。
  4. ELD 的普遍影响:即使调制器保持稳定,ELD 也会降低 MSA。高阶、高 OBG 的调制器对 ELD 更敏感。

参考文献

  1. Cherry, J. A. & Snelgrove, W. M. (1999). “Excess loop delay in continuous-time delta-sigma modulators.” IEEE Trans. Circuits Syst. II, 46(4), 376–389. — ELD 分析与补偿(传统方法)。
  2. Pavan, S. (2008). “Excess loop delay compensation in continuous-time delta-sigma modulators.” IEEE Trans. Circuits Syst. II, 55(11), 1119–1123. — 基于 Taylor 级数的通用 ELD 补偿方法。
  3. Pavan, S. (2014). “Continuous-time delta-sigma modulator design using the method of moments.” IEEE Trans. Circuits Syst. I, 61(6), 1629–1637. — 矩方法,ELD 补偿的数学基础。
  4. 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. — CT-ΔΣ 基础理论。

相关页面


📙 Rosa 补充(Ch.4 ELD 直观分析 + IIT 分析 + 替代补偿)

Rosa《Sigma-Delta Converters》Ch.4 对 ELD 补偿增加了多种视角和替代方案。

ELD 的直观分析(§4.8.1)

Rosa 给出 ELD 的直观理解:

  • DAC 脉冲延迟 等效于将采样点从 延迟到
  • 这导致环路滤波器输出与“应采样值”之间存在误差
  • 误差量与信号变化率成正比:
  • 对高频信号(快速变化)影响更大,等效于高频相位裕度降低

基于 IIT 的 ELD 分析(§4.8.2)

Rosa 使用脉冲不变变换分析 ELD:

  • 延迟后的 DAC 脉冲 的采样值不同于原始
  • 在 域中,延迟引入额外极点 (非整数延迟时为分数阶)
  • 补偿目标:修改环路滤波器系数使采样点处的脉冲响应与无延迟时一致

替代 ELD 补偿方案(§4.8.3)

Rosa 介绍了 Pavan Taylor 级数方法之外的替代方案:

  • 前馈路径修改:在量化器前加入 ELD 补偿前馈,而非修改反馈系数
  • 数字补偿:在数字域预测并补偿延迟效应
  • 半周期延迟 DAC 时钟:将 DAC 时钟延迟 ,配合 ELD 补偿将亚稳态和 ELD 同时解决

差异定位:Pavan Ch.9 侧重 Taylor 级数方法的严格推导;Rosa 增加了 ELD 的直观理解、IIT 视角分析和 多种替代补偿方案。