CT-ΔΣ N-Path 斩波与 FIR 反馈组合技术
将 N 个相位偏移的斩波路径与 FIR 反馈 DAC 相结合,在保持低物理斩波频率的同时,实现高等效斩波频率和低混叠噪声。
核心思想
在 CT-ΔΣ 调制器的输入积分器中:
- 斩波消除 OTA 的 噪声,但使成形噪声从 整数倍处混叠到带内
- FIR 反馈在反馈波形中引入谱零点,降低混叠源的强度
- N-Path 斩波将 个 sub-OTA 以相位偏移 并行斩波,等效将斩波频率提升 倍
组合效果:斩波频率可降至 ,而无需巨大的 FIR DAC(大 )或不可行的布局(大 )。
初学者提示:理解本技术需要三个前置知识:(1) 斩波原理(见 失调消除技术);(2) FIR 反馈 DAC 原理(见 CT-ΔΣ时钟抖动缓解与FIR反馈DAC);(3) LPTV 系统基础(见下方详解)。
详细技术内容
1. LPTV 系统分析框架
斩波积分器是线性周期时变(Linear Periodically Time-Varying)系统。
二维冲激响应: — 输入在 时刻施加冲激,在 时刻观察输出。周期性:。
时变增益的傅里叶展开:
谐波传递函数(Harmonic Transfer Functions, HTF): 量化从输入频率 到输出频率 的增益。
LPTV 对复指数的响应:
对斩波积分器的特殊性质:
- 单路径斩波积分器:(半周期对称)
- 所有奇数次 HTF 为零 → 混叠仅来自 整数倍
2. N-Path 斩波原理
结构:
- 个 sub-OTA(每个阻抗缩放 倍),总跨导不变
- 各 sub-OTA 以相同 斩波,相邻时钟偏移
- 所有输出合并
奇数 N vs 偶数 N:
| 特性 | 奇数 N | 偶数 N |
|---|---|---|
| 唯一区间数 | ||
| 等效斩波频率提升 | 倍 | 倍 |
| 冲激响应周期 | ||
| 非零 HTF |
初学者提示:奇数 N 优于偶数 N 的原因在于:奇数 N 时,在任意时刻,N 个 sub-OTA 的斩波状态组合都是唯一的(形成 个不同状态),而偶数 N 时某些状态重复。
3. N-Path 的性能优势
DC 增益改善:
物理原因:每次斩波边沿仅切换 的总输出寄生电容 ,等效开关电容电阻增大 倍。
混叠噪声减小:
- 每次斩波边沿注入虚拟地的电流减小 倍(因为切换的 减小 倍)
- DC 增益增大 倍
- 两者效果抵消后,低频混叠增益与单路径高频斩波几乎相同
- 高频混叠增益额外降低 dB
4. 与 FIR 反馈的组合
FIR 反馈原理(回顾 CT-ΔΣ时钟抖动缓解与FIR反馈DAC):
- M-tap 等系数 FIR DAC 在 整数倍处引入谱零点
- 选择 ,使混叠频率落在 FIR 零点上
组合公式:
等效关系:
| 方案 | 参数 | 复杂度 |
|---|---|---|
| 纯 FIR(单路径斩波) | tap | STF 峰值 + 大面积 |
| 纯 N-Path(无 FIR) | path | 布局不可行 |
| FIR + N-Path(本文) | tap + path | 适中 |
设计实例:
- MHz, kHz,OSR = 128
- 目标: kHz
- 本文方案:8-tap FIR + 9-Path → ✓
- 等效于:72-tap FIR 单路径 或 144-Path 无 FIR
5. 路径失配的影响与鲁棒性
失配机制:sub-OTA 寄生电容 、 的失配导致非零 ( 不是 的整数倍),产生额外混叠。
残余误差估算:
- 路径中,每次仅切换 的总寄生
- 完美匹配时这些电流在信号带内完全抵消
- 失配时残余误差约为 dB
Monte Carlo 结果(32-Path, ):
- 理论 SNDR:~106 dB
- 最差情况:~97 dB(仅降 ~9 dB)
- 结论:N-Path 斩波对路径失配相当鲁棒
设计约束与折衷
| 设计参数 | 约束 | 影响 |
|---|---|---|
| 必须为奇数 | 否则等效频率仅提升 | 选择 |
| Sub-OTA 匹配 | 可接受 | 输入寄生 匹配最关键 |
| 时钟偏斜 | N 路时钟需精确 偏移 | 布线寄生需严格控制 |
| FIR 抽头数 | 不宜过大(STF 峰值) | 为宜 |
| 总等效 | 受限于目标 和 | 典型值 32-144 |
与已有知识联系
| 概念 | 关系 |
|---|---|
| 失调消除技术 | 斩波是失调/1/f消除的主要手段,N-Path 是斩波的改进 |
| CT-ΔΣ时钟抖动缓解与FIR反馈DAC | FIR 反馈 DAC 的矩方法理论 |
| CT-ΔΣ调制 | CT-ΔΣ 调制器整体框架 |
| 16-bit音频CT-ΔΣ调制器设计实例 | 12-tap FIR DAC 的实际应用案例 |
| Pavan 2018 N-Path Chopping FIR Feedback 深度解析 | 本概念的来源论文详解 |
参考文献
- S. Pavan, “Improved Chopping in Continuous-Time Delta–Sigma Converters Using FIR Feedback and N-Path Techniques,” IEEE TCAS-II, 2018.
- S. Billa, A. Sukumaran, and S. Pavan, “A 280μW 24kHz-BW 98.5dB-SNDR chopped single-bit CTDSM,” ISSCC, 2016.
- S. Billa, A. Sukumaran, and S. Pavan, “Analysis and design of continuous-time delta–sigma converters incorporating chopping,” JSSC, 2017.
- S. Pavan, “Analysis of chopped integrators, and its application to CT-ΔΣ modulator design,” TCAS-I, 2017.
- L. A. Zadeh, “Frequency analysis of variable networks,” Proc. IRE, 1950.(LPTV 经典论文)
- K. Thompson et al., “Segmented chopping amplifier,” U.S. Patent 10 687 416, 2004.(N-Path 斩波专利)