CT-ΔΣ 比较器亚稳态分析
比较器的信号相关延迟是 CT-ΔΣ 调制器中不同于时钟抖动的另一种脉冲宽度调制机制。当量化器输入幅度极小时,比较器再生时间显著增长,导致 DAC 反馈脉冲的下降沿被调制。这种数据相关抖动(data-dependent jitter)退化带内 SNR 的效果与时钟抖动类似,但来源是量化器而非时钟源。
前后关系
上下文:
- §9.6 在完成了 ELD、时间常数变化和时钟抖动三个非理想性的分析后,讨论比较器亚稳态(Comparator Metastability)这一与量化器相关的非理想效应
- 亚稳态在 DT-ΔΣ 中也有影响(参见 SCΔΣ调制器的开关比较器时钟与全系统调试),但在 CT-ΔΣ 中更为严重——因为 CT-ΔΣ 中 DAC 脉冲边沿直接暴露在比较器延迟的调制下
与时钟抖动的类比:
- 时钟抖动:时钟边沿的随机变化 → 调制 DAC 脉冲 →
- 比较器亚稳态:比较器延迟的输入相关变化 → 调制 DAC 脉冲 →
与其他概念的联系:
- CT-ΔΣ过量延迟分析与补偿 — 比较器延迟是 ELD 的主要来源之一
- CT-ΔΣ时钟抖动缓解与FIR反馈DAC — FIR DAC 同时缓解亚稳态和时钟抖动
- SCΔΣ调制器的开关比较器时钟与全系统调试 — DT-ΔΣ 中 StrongARM 比较器的亚稳态分析
原理介绍
StrongARM 锁存器的操作原理(图 9.35)
图 9.35(a) 显示常用的 StrongARM 锁存 [12],工作过程分为三个阶段:
1. 复位阶段(clk = 0):
- M7、M8 将输出节点 、 拉至电源电压
2. 输入积分阶段(clk → 1):
- M9 导通,尾电流开始流动
- M1、M2 进入饱和区,差分输入 转化为差分电流
- 该电流在寄生电容上积分,在 上产生差分电压
- M3、M4 相继导通,提供额外增益
3. 正反馈再生阶段:
- M5、M6 导通,M1、M2 进入三极管区,形成交叉耦合反相器对
- 等效电路如图 9.35(b):
解为指数增长:
判决时间: 达到 时,后级 RS 锁存可识别:
关键特征:当 极小时(即比较器输入 接近过零点), 发散到无穷大。这就是亚稳态(metastability)——锁存器无法在有限时间内做出有效判决。
信号相关延迟的仿真结果(图 9.36)
对嵌入在 1 GHz 单比特 CT-ΔΣ 中的 StrongARM 比较器进行仿真:
- 延迟 vs 输入幅度: 越接近 0,延迟越大
- 延迟的散布: 很小时,延迟散布大——因为积分阶段的 波形细节(斜率、方向)对 有显著影响
对 CT-ΔΣ 的影响
建模(图 9.37):比较器的信号相关延迟 相当于在 DAC 输出上叠加了一个宽度随输入变化的误差脉冲。
对于 NRZ DAC 的单比特调制器,误差可等效为 DAC 输入端的附加序列:
与时钟抖动模型 形式上完全相同,但 是输入相关的确定性量,而非随机量。
带内噪声功率:
假设 ,transition 概率 ,transition 高度 2,则:
带内 SNR:
仿真验证
图 9.38:CT-MOD2, GHz,OSR = 32,。
| 比较器类型 | SNR |
|---|---|
| 理想比较器 | 52 dB |
| StrongARM( ps) | 27.9 dB |
| 公式 (9.38) 估计 | 27.8 dB |
公式估计与晶体管级仿真结果高度一致,验证了模型的有效性。
缓解策略
1. 半周期延迟 DAC 时钟
原理:故意引入 的过量延迟(图 9.39),使 DAC 在 ADC 采样后 才被钟控。此时 ADC 几乎必然已做出有效判决(),。
结果:SNR 从 27.9 dB 恢复到 49 dB(仅比理想情况低 3 dB)。
关键技术点:引入的半周期延迟可通过 ELD 补偿技术(系数调谐 + 直接路径)补偿,NTF 可精确恢复。
2. 多比特量化器
双管齐下:
- 所需 OSR 降低 → 增大 → 减小
- 接近过零点的单个比较器出错时,仅影响总反馈波形的一小部分
3. 冲击/SC DAC
如果 DAC 脉冲的面积不受脉冲边沿位置变化的影响(如冲击 DAC 或 SC DAC),则比较器延迟变化不影响反馈电荷。
4. FIR 反馈 DAC(图 9.40)
- 的权重 可设为 0(即延迟一个周期),避免直接依赖刚判决出的
- 由触发器链重定时,重复生成了干净的时钟边沿 → 无数据相关抖动
- FIR DAC 同时是缓解时钟抖动和比较器亚稳态的最优雅方案
关键要点
- 比较器亚稳态的退化机制:信号相关的再生延迟 调制 NRZ DAC 脉冲宽度,效果等同于数据相关抖动。跨导 、负载电容 、时钟频率共同决定 ,决定了延迟大小。
- 与时钟抖动形式等价但本质不同:抖动是随机过程;亚稳态是确定性的信号相关函数。但两者在 SNR 退化公式上结构相同。
- 最直接的缓解方法:在 ADC 和 DAC 之间插入 延迟。DAC 时钟晚半个周期,此时比较器几乎必然已做出有效判决。延迟可通过 ELD 补偿技术恢复 NTF。
- FIR DAC 的额外收益:通过延迟链重定时, 不再携带数据相关抖动——这是 FIR DAC 相对于直接路径 DAC 的又一优势。
参考文献
- Cherry, J. A. & Snelgrove, W. M. (1999). “Clock jitter and quantizer metastability in continuous-time delta-sigma modulators.” IEEE Trans. Circuits Syst. II, 46(6), 661–676. — 亚稳态的数学模型。
- Mitteregger, G. et al. (2006). “A 20 mW 640 MHz CMOS continuous-time ADC with 20 MHz signal bandwidth, 80 dB dynamic range and 12 bit ENOB.” IEEE J. Solid-State Circuits, 41(12), 2641–2649. — 半周期延迟 DAC 时钟缓解亚稳态。
- Abidi, A. & Xu, H. (2014). “Understanding the regenerative comparator circuit.” Proc. IEEE CICC, 1–8. — StrongARM 锁存的深入分析。
- Pütter, B. M. (2004). “ΣΔ ADC with finite impulse response feedback DAC.” ISSCC Dig. Tech. Papers, 76–77. — FIR DAC 同时缓解亚稳态。
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📙 Rosa 补充(Ch.4 亚稳态的电路级分析)
Rosa《Sigma-Delta Converters》Ch.4 对比较器亚稳态增加了电路级分析视角。
亚稳态的电路级机制(§4.9)
Rosa 从电路角度分析亚稳态:
- StrongARM 锁存比较器的再生时间常数
- 当输入差分 时,再生时间指数增长:
- 对 CT-ΣΔM:输入信号接近零时比较器延迟最大,形成信号相关的延迟调制
亚稳态对性能的影响量化
Rosa 推导了亚稳态导致的 SNR 退化:
- 等效抖动:(与 NRZ 抖动公式结构相同)
- 带内噪声增加:
- 典型值: ps, GHz 时 ps,影响可忽略
半周期延迟的工程实现
Rosa 详述了半周期延迟 DAC 时钟的实际实现:
- DAC 时钟延迟 :确保比较器已充分再生
- 延迟后的 ELD = :需用 ELD 补偿恢复 NTF
- 实际效果:亚稳态等效抖动降低 10–20 dB,同时 ELD 补偿可精确控制
差异定位:Pavan Ch.9 侧重亚稳态的数学模型和与抖动的类比;Rosa 增加了 电路级分析、性能退化量化和 半周期延迟的工程实现细节。