MASH噪声泄漏与失配效应
核心问题:MASH 的”取消”操作要求模拟传递函数与数字滤波器精确匹配。实际中,电容失配和运放有限增益导致 泄漏到输出——这是 MASH 架构的根本脆弱性。
前后关系
上下文:§5.2 展示了 MASH 在理想条件下的完美性能(2-2 MASH 四阶整形),但前提是取消条件 精确满足。§5.3 转向现实——模拟电路非理想性导致的噪声泄漏。
前置知识:
- MASH级联ΔΣ调制器原理:理想的 MASH 取消机制
- 量化器理论与线性模型:线性化分析的基础假设
后续章节:
- Sturdy-MASH鲁棒级联架构:以鲁棒性换取精度的改进方案——根本动机正是 MASH 的泄漏问题
原理介绍
问题本质
单环路高阶调制器面对模拟非理想性(电容失配、运放有限增益)相当鲁棒:只要带内 , 几乎不受影响,SQNR 仅下降几 dB。
MASH 则不同——它的高 SQNR 依赖于 的精确取消,而 仅被低阶 NTF 整形。取消条件涉及模拟与数字混合信号传递函数的匹配,这是一个病态条件问题。
泄漏传递函数
考虑两阶 MASH 的实际传递函数 和 (下标 表示实际值):
当 时, 泄漏到输出,乘以 。
简化假设
- 泄漏比 泄漏次要: 中的项代表更高阶噪声整形(例如 2-2-1 MASH 中 为 4 阶, 仅为 2 阶)
- 的误差主导: 误差经 滤波(高通), 误差经 (带内近似单位增益)直通
- 设 ,则:
- 利用 进一步简化:
1-1 MASH 的泄漏定量分析
一阶首级使用延迟型 SC 积分器(图 5.6):
电容比误差 和运放有限增益 导致实际传递函数变为:
其中(, ):
泄漏传递函数为():
关键发现:
- 未滤波泄漏分量:(与运放增益成反比)
- 一阶滤波泄漏分量:
- 高 SQNR 需要极高增益的运放(降低未滤波泄漏)和高精度电容匹配(降低滤波泄漏)
2-0 MASH(Leslie-Singh)泄漏分析
当首级为二阶低失真 CIFF 结构时,泄漏传递函数可围绕 展开为泰勒级数:
系数值(假设 , ):
其中 , 为积分器系数。
物理意义:
- (直通泄漏):∝ ,极小
- (一阶滤波泄漏):∝ ,由运放增益主导
- (二阶滤波泄漏):由电容失配 主导
OSR 对泄漏的影响
项在带内的衰减因子随 OSR 快速增加:
- 线性项():OSR=64 时衰减约 1/30
- 二次项():OSR=64 时衰减约 1/1000
- 三次项():OSR=64 时衰减约 1/30000
因此实践中仅前三项显著。
数值示例
对于 (60 dB)、:
- (可忽略)
- 至 在 0.001 到 0.2 范围
- 经 OSR 滤波后,一般可满足 16-bit 精度需求
关键洞察
- MASH 的根本脆弱性:取消是病态条件操作。单环路 时 SQNR 几乎不影响,MASH 中同样 导致可观的噪声泄漏
- 误差主导泄漏:因为 在带内为增益 1, 的误差直通到输出;而 的误差经 高通滤波
- 二阶首级优于一阶首级:(二阶首级)vs (一阶首级),这是因为二阶环路中环路增益更高
- OSR 是天然的保护:泄漏项中的 因子在带内提供显著的衰减,高 OSR 设计对 MASH 更友好
参考文献
- Pavan, S., Schreier, R., & Temes, G. C. (2017). Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §5.3. IEEE Press/Wiley.
- Kiss, P., et al. (2000). “Adaptive Digital Correction of Analog Errors in MASH ADCs.” IEEE Trans. Circuits Syst. II, 47(7), 629-638.