CT-ΔΣ 环路滤波器非线性分析与辅助运放技术
§10.9 建立弱非线性 OTA 的电流注入分析框架——利用 缩放法将弱非线性调制器分解为两个线性系统的级联,优雅地分离信号失真、噪声混叠和交叉调制效应。§10.9.1 介绍辅助运放技术——通过已知电流的”外部补偿”使 OTA 几乎无电流流过,从根本上消除非线性。
前后关系
上下文:§10.8 解决了 OTA 有限带宽对 NTF 的影响(通过系数调谐恢复)。§10.9 解决另一维度的 OTA 非理想性——非线性。即使带宽无限,OTA 的 项也会导致信号失真和噪声混叠。
前置知识:
- CT-ΔΣ积分器实现与OTA架构 — OTA-RC 积分器结构
- CT-ΔΣ系统化设计定心与闭环拟合 — 线性非理想性的系统化补偿
- CT-ΔΣ调制基础与一阶CT-MOD1 — CT-MOD1 基本工作原理
- 量化器理论与线性模型 — 加性噪声模型
后续内容:
- 16-bit音频CT-ΔΣ调制器设计实例 — FIR DAC 缓解非线性
- CT-ΔΣ比较器与反馈DAC设计 — 辅助运放在单/多比特时的功耗
原理介绍
弱非线性 OTA 模型
假设全差分且弱非线性,输出电流可写为:
三种简化模型(图 10.42):
- 单级 OTA:单一跨导的非线性
- 前馈补偿 OTA:多个跨导各自的非线性
- 通用弱非线性跨导: 修正
电流注入法—— 缩放分离
考虑 CT-MOD1(图 10.43a),弱非线性 OTA 模型如图 10.43b(含有限 、输入/输出寄生 )。
节点方程(矩阵形式,式 10.37):
其中 为节点电压向量, 为非线性项。
缩放法核心(图 10.44,式 10.39-10.42):
假设若将输入 和量化噪声 缩放 倍, 和 也应相应变化。但非线性 的存在导致:
代入并比较 和 的系数:
线性系统( 阶,式 10.41):
这就是非线性关闭的 CT-MOD1——输出 即为理想调制器的输出。
三次系统( 阶,式 10.42):
含义:输入 和量化噪声 置零、量化器旁路,但在线性 CT-MOD1 的内部节点注入电流源 。输出 完全是非线性导致的附加项。
总输出:
三阶 CIFF 验证(图 10.45)
9 级量化器、6.144 MHz 采样、前馈补偿 OTA 的 CT-ΔΣ:
- 理想 SNDR:125.7 dB
- 含弱非线性 OTA(SPICE):91.2 dB
- 电流注入法预测:92.4 dB(与 SPICE 仅差 ~1 dB)
SNDR vs 输入幅度曲线(图 10.46):电流注入法与 SPICE 高度吻合。
的组成:
- 展开后有三类分量:
- 信号失真( 项)
- 噪声混叠( 型——整形量化噪声自混合后折回带内)
- 交叉调制( 和 )
改善线性度的电路技术(§10.9.1)
方法 1:增大 OTA (暴力法)
- 更大 → 虚拟地节点摆幅更小 → 更小 → 更小
- 代价:功耗增加
方法 2:辅助运放技术(Assisted Opamp,图 10.47,Pavan 2010)
根本问题:单比特 NRZ DAC 反馈 轨到轨跳变,有限 下虚拟地电压需随反馈跳变摆动。大幅摆幅激发 OTA 非线性。
关键洞察:OTA 需要灌入的电流是已知的——即 。
实现(图 10.47):
- 辅助跨导 :将 注入虚地点
- 辅助电流舵 DAC:将 注入虚地点
- OTA 仅需处理辅助电流与实际电流的失配——几乎无电流流过
优点:
- 虚拟地电位 (即使有限 )
- 辅助电路噪声/失真折合到输入被 衰减(因为噪声注入点在 OTA 输出端)
- 不改变极点位置( 时辅助消失)
缺点:
- 多比特/FIR DAC 时辅助电流可能超过 OTA 自身电流 → 辅助功耗上升
关键要点
- 电流注入法利用 幂次差异优雅分离线性和非线性响应——线性部分 ,三次部分 。这使复杂非线性调制器的分析降维为两个线性系统的级联
- 非线性附加项 包含三类分量:信号失真(HD₃)、噪声混叠(整形 的自混合)、交叉调制( 和 )——这是 CT-ΔΣ 中 SNR 退化中难以直觉预测的部分
- 电流注入法可以扩展到任意阶 CT-ΔΣ,且与 SPICE 仿真高度吻合(~1 dB 误差)——是系统级评估非线性影响的强大工具
- 辅助运放的核心思想是将”未知”电流变为”已知”——既然输入和 DAC 输出都是可访问的信号,就不应让 OTA 承担处理这些大电流的任务
- 辅助运放不改变稳定性和极点位置—— 时辅助消除,恢复为无辅助积分器
- 辅助运放在多比特/FIR DAC 下的功耗需仔细评估——辅助电流可能超过 OTA 原生电流
参考文献
- Pavan, S. (2020). “Efficient simulation of weak nonlinearities in continuous-time oversampling converters.” IEEE Trans. Circuits Syst. I, 67(12), 4837–4847.
- Pavan, S. & Sankar, P. (2010). “Power reduction in continuous-time delta-sigma modulators using the assisted opamp technique.” IEEE J. Solid-State Circuits, 45(7), 1365–1374.
- Enz, C. & Temes, G. C. (1996). “Circuit techniques for reducing the effects of opamp imperfections.” Proc. IEEE, 84(11), 1584–1614.
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