CT-ΔΣ 系统化设计定心与闭环拟合
§10.8 解决一个核心工程问题:真实 OTA 的有限带宽使积分器变为高阶系统,导致实际 NTF 严重偏离设计值。开环脉冲响应拟合(式 10.31)的系数随采样点数剧烈变化(病态),而闭环拟合(式 10.36)利用 NTF 零点对极点扰动的抵消效应,得到与采样点数几乎无关的鲁棒系数。
前后关系
上下文:前几节分析了各个模块(积分器/OTA/ADC/DAC)的设计和非理想性。§10.8 回答:将这些”真实”模块组合成调制器后,如何恢复期望的 NTF?——这是从理想走向现实的最后一步系统化流程。
前置知识:
- CT-ΔΣ积分器实现与OTA架构 — OTA 有限带宽导致积分器寄生极点
- CT-ΔΣ调制基础与一阶CT-MOD1 — 脉冲不变变换与脉冲响应匹配
- 高阶CT-ΔΣ调制与DAC脉冲形状效应 — 矩方法系数求解
- CT-ΔΣ设计实例 — §8.9 的理想系数求解
后续内容:
- CT-ΔΣ环路滤波器非线性分析与辅助运放技术 — 非线性问题独立解决
- 16-bit音频CT-ΔΣ调制器设计实例 — 实例中使用闭环拟合
原理介绍
问题陈述
设计流程:NTF 综合 → DT 环路滤波器 → CT 系数求解 → 动态范围缩放。以上均假设理想 OTA。
当真实 OTA 接入后(图 10.36-10.37):
- OTA-RC 积分器有有限 → 寄生极点
- 二级/高级结构有内部高频极零点
- 结果:NTF 严重偏离设计值——某些极点移向单位圆(图 10.37)
直觉:积分器变”慢”了,相当于给环路增加了额外延迟,与 ELD 类似。
两个选项:
- 设计更快 OTA → 功耗高,不经济
- 调整系数使真实 OTA 也能恢复 NTF → 设计定心的核心思路
开环脉冲响应拟合——直观但病态(式 10.31)
以二阶 CIFF 为例(图 10.33-10.34):环路包含直接路径 、一阶积分路径 、二阶积分路径 。
方法:断开环路,用 DAC 脉冲激励连续时间环路滤波器,测出 (直接/一阶/二阶路径的采样脉冲响应),代入方程:
其中 是理想 DT 环路滤波器 的脉冲响应。
令人不安的事实(表 10.1,):
| N | k₀ | k₁ | k₂ |
|---|---|---|---|
| 5 | 0.8803 | 0.7579 | 1.8707 |
| 15 | 0.9670 | 0.7000 | 1.9308 |
| 25 | 1.2136 | 0.5350 | 2.0348 |
系数随 剧烈变化→ NTF 也剧烈变化(图 10.38)——该方法不可靠。
根因:真实 OTA 使积分器变为高阶系统。 对近单位圆极点的扰动极其敏感。理想积分器 (随 线性增长),有限增益积分器 ( 大时)。大 时二者偏差大→为减小误差, 随 增→ 也被迫变化。
闭环拟合——优雅且鲁棒(§10.8.1,式 10.36)
核心思想:不再拟合开环响应 ,而是拟合闭环 NTF。
NTF 与环路滤波器关系:
写为时域形式, 为 NTF 脉冲响应:
定义 ,得:
整理为:
惊人结果(表 10.2):
| N | k₀ | k₁ | k₂ |
|---|---|---|---|
| 5 | 0.9023 | 0.7420 | 1.9093 |
| 15 | 0.9003 | 0.7423 | 1.9010 |
| 25 | 0.8988 | 0.7425 | 1.8951 |
系数随 $N$$ 变化极小→ NTF 几乎不可分辨(图 10.39)。
物理直觉(图 10.40):
为什么 对极点扰动不敏感而 敏感?
理想 NTF 零点 = (即 dc 处的阶数 = 环路滤波器阶数)。 中,NTF 的零点抵消了 的极点(pole-zero cancellation)。当 OTA 非理想扰动 的极点时:
- 剧烈变化(极点位置直接决定脉冲响应衰减/增长速率)
- 几乎不变(NTF 零点仍接近 的原始极点位置,抵消效应仍然有效)
图 10.40 直观展示了这一效应: 在理想/真实 OTA 下差异显著,但 几乎没有变化。
实际实现流程
- 提取后布局寄生参数后做瞬态仿真,获取真实
- 与理想 NTF 脉冲响应 做卷积得
- 解式 (10.36) 的最小二乘解求
- 布线后的寄生可能导致系数变后积分器加载改变 → 通过 1-2 次迭代即可收敛
可以刻意使用慢 OTA 吗?
虽然设计定心可以”修复”有限 OTA 带宽的 NTF 退化,但过慢 OTA 有以下风险:
- NTF 对 OTA 带宽变化更敏感(PVT 裕量小)
- 对寄生电容更敏感(有限 时虚地不再是零)
- 非线性增大(内部节点摆幅更大→非线性电流 增加)
因此 OTA 带宽是功耗与鲁棒性之间的折衷选择(§10.9 非线性分析进一步支撑此结论)。
关键要点
- 开环拟合的病态性源于 对近单位圆极点的敏感性——真实有限增益积分器的长周期行为与理想积分器迥异
- 闭环拟合通过 的卷积操作,利用 NTF 零点对极点的抵消效应,使 对极点扰动几乎不敏感——这是该方法优雅且鲁棒的根本原因
- 闭环拟合的系数几乎与拟合点数 无关,可以直接基于电路仿真结果(含后提取寄生)使用
- 该方法的普遍意义:任何环路滤波器(任意阶数、任意 DAC 脉冲形状、含 ELD)均可用此框架恢复 NTF
- 设计定心不能无限补偿 OTA 带宽不足——过慢 OTA 导致 NTF 敏感度增高、寄生敏感性增高、非线性增大——这是一个工程折衷
参考文献
- Pavan, S. (2014). “Systematic design centering of continuous-time oversampling converters.” IEEE Trans. Circuits Syst. I, 61(6), 1629–1637.
- 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.
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