CT-ΔΣ调制

CT-ΔΣ 调制器直接处理连续时间输入信号,无需前置抗混叠滤波器(隐含反混叠),是 GHz 级时钟高速 ΔΣ ADC 的首选架构。


前后关系

上下文:§1.6 在之前讨论 DT-ΔΣ(离散时间 ΔΣ)的基础上,引入连续时间实现。CT-ΔΣ 与 DT-ΔΣ 的根本区别在于环路滤波器的工作域——CT 用 域(RC 积分器),DT 用 域(SC 积分器)。

后续章节:


原理介绍

从一阶 RC 滤波器到 CT-ΔΣ

第一步(图 1.18a):一个理想运放构成的一阶低通滤波器。

运放”虚短”使平均电容电流为 0 ⟹ ,即 。

第二步(图 1.18b):在输出端加入采样器,反馈通过 ZOH(零阶保持器)。

  • 采样使输出变成离散序列
  • ZOH 将 恢复为连续时间信号
  • 平均关系依然成立:( 是 ZOH 的输出)

第三步(图 1.18c):在采样器后加入量化器。

  • 输出 同时在时间和幅度上离散化
  • 环路迫使
  • 这就是最基本的一阶 CT-ΔΣ 调制器

隐含反混叠(Implicit Anti-Aliasing)

考虑输入 ,即频率等于采样频率的正弦波。

  • 由于运放虚短,(因为 平均为 0)
  • 因此 ,
  • CT-ΔΣ 调制器对 附近的输入无响应

这被称为隐含反混叠——CT-ΔΣ 调制器能区分 dc 附近输入和 附近输入,而传统采样 ADC 无法做到( 输入会混叠到 dc)。

CT-ΔΣ 的通用框图

               +---[L0(s)]---(+)---> [采样] ---> [量化器] --> v[n]
u(t) --->(+)---+              ^
         ^      |---[DAC]-----|
         |---[DAC/L1(s)]------|

这是一个”矛盾的集合体”:

  • 环路滤波器:线性、时不变(LTI)
  • 采样器:线性、时变(LTV)
  • 量化器:高度非线性
  • 所有模块被包在负反馈环路中

CT-ΔΣ vs DT-ΔΣ 对比

特性DT-ΔΣ(开关电容)CT-ΔΣ(RC/Gm-C)
工作域 域(采样数据) 域(连续时间)
抗混叠需前置抗混叠滤波器隐含反混叠
时钟频率受运放建立时间限制可达 GHz
系数精度电容比决定,精确RC 时间常数,工艺变化大
对时钟抖动较不敏感敏感
功耗中低(无 SC 开关活动)
设计复杂度中高(需考虑 ELD)

CT-ΔΣ 的关键挑战

1. 多余环路延迟(Excess Loop Delay, ELD)

量化器(尤其是多 bit 量化器)和 DAC 的延迟使环路多了一个或多个时钟周期的延迟。这不满足”调制器设计假设时钟周期内 DAC 输出完整”的前提。

后果:NTF 劣化,甚至不稳定。

Pavan 的贡献:系统化的 ELD 补偿理论(在 Ch.9 中详细讨论)。

2. 时钟抖动(Clock Jitter)

CT-ΔΣ 对 DAC 脉冲宽度的变化极其敏感:

  • 反馈 DAC 使用 ZOH 脉冲
  • 时钟抖动 ≫ DAC 脉冲边沿抖动 ⟹ 反馈电荷变化
  • 表现为带内噪声增加

缓解方法:

  • 使用 FIR DAC 反馈(Pavan 的贡献之一)
  • 使用归零(RZ)DAC 脉冲
  • 使用开关电容 DAC(SC DAC)代替电流舵 DAC

3. 时间常数变化

RC 时间常数在工艺角下变化可达 ±20-30%。

  • 直接影响环路滤波器的频率响应
  • 导致 NTF 偏离设计值
  • 需用频率调谐(如 PLL 调谐 RC 时间常数)

设计方法学

DT 到 CT 的转换

最常见的 CT-ΔΣ 设计方法:

  1. 先在 域设计 DT-ΔΣ 调制器
  2. 通过 DT→CT 变换(脉冲不变变换)得到 域环路滤波器
  3. 用 RC/RC 有源滤波器或 Gm-C 滤波器实现

变换条件:CT 环路滤波器的脉冲响应在采样瞬间需与 DT 环路滤波器的脉冲响应一致。


应用场景

场景采样率带宽典型需求
射频接收机1-10 GHz10-200 MHz低 OSR,高动态范围
软件定义无线电0.5-4 GHz20-100 MHz可调谐
高速有线通信10-50 GHz1-10 GHz极限速度

参考文献

  1. Pavan, S., Schreier, R., & Temes, G. C. (2017). Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §1.6 & Ch.8-10. IEEE Press/Wiley.
  2. Cherry, J. A., & Snelgrove, W. M. (2000). Continuous-Time Delta-Sigma Modulators for High-Speed A/D Conversion. Kluwer. (CT-ΔΣ 的经典专著)
  3. Pavan, S. (2008). “Excess Loop Delay Compensation in Continuous-Time Delta-Sigma Modulators.” IEEE Trans. Circuits Syst. II, 55(11), 1119-1123.

相关页面


📙 Rosa 补充(Ch.2 CT-ΣΔM 基本架构、DT-CT 变换与直接综合)

Rosa《Sigma-Delta Converters》Ch.2 对 CT-ΣΔM 增加了直观分析和设计方法。

CT-ΣΔM 直观分析(§2.6.1)

Rosa 给出 CT-ΣΔM 的直观理解:

  • 环路滤波器在信号带内提供高增益,迫使反馈 DAC 输出跟踪输入
  • 量化噪声被 NTF 推出带外,而信号通过 STF 传输
  • CT 环路滤波器隐式地充当抗混叠滤波器(与 Pavan 的隐含反混叠分析一致)

脉冲不变变换(IIT)系统化方法(§2.6.2)

Rosa 详细描述了 DT→CT 的脉冲不变变换方法:

  • 目标:,即 CT 环路滤波器的采样冲激响应等于 DT 环路滤波器
  • 对 NRZ DAC 脉冲:,结合 求 变换
  • 对 RZ DAC 脉冲:脉冲宽度 ,变换公式相应调整
  • 实际步骤:(1) 设计 DT NTF → (2) 求 → (3) IIT 得 → (4) 电路实现

CT-ΣΔM 直接综合(§2.6.3)

Rosa 介绍了不经过 DT 中介的 CT 直接综合方法:

  • 直接在 域设计环路滤波器,无 IIT 近似误差
  • 可优化 DAC 脉冲形状(NRZ/RZ/SC)对性能的影响
  • 优势:更灵活,可处理 ELD 和多反馈路径
  • 劣势:设计复杂度更高,缺乏 DT 域的直觉

CT vs DT 的工程选型指南

应用场景首选实现原因
音频( MHz)DT-SC电容比精确,工艺成熟
宽带通信( MHz)CT-RC/Gm-C无 SC 开关限制,隐式 AAF
RF 直接采样( GHz)CT-LC/Gm-C仅 CT 可达 GHz 时钟
低 OSR()CT + 多 bit多 bit 降低抖动敏感性
高精度( bit)DT-SC + MASHSC 电容比精确 + MASH 稳定性

差异定位:Pavan Ch.8 侧重 CT-ΣΔM 的矩方法和完整设计实例;Rosa 增加了 IIT 系统化步骤、CT 直接综合和 CT vs DT 工程选型指南。