MASH级联ΔΣ调制器原理
MASH(Multi-stAge noise-SHaping)将第二级从 Leslie-Singh 的静态 ADC 升级为 ΔΣ 环路,使第二级的量化误差 也得到噪声整形。2-2 MASH 实现”二阶稳定性 + 四阶整形”的理想组合。
前后关系
上下文:§5.1 Leslie-Singh 结构展示了”取消”策略的有效性,但第二级是静态 ADC, 未经整形。§5.2 将这一思想推至极致——第二级也用 ΔΣ 环路,使 也获得整形。
前置知识:
- 多级ΔΣ调制器与Leslie-Singh结构:L0 级联的基本”取消”架构
- 二阶ΔΣ调制器MOD2原理:2-2 MASH 中第二级的构建模块
- 高阶ΔΣ调制器稳定性与MSA:MASH 试图绕过的单环路稳定性问题
后续章节:
- MASH噪声泄漏与失配效应:揭示取消条件的实际脆弱性
- Sturdy-MASH鲁棒级联架构:以鲁棒性换取精度的改进方案
原理介绍
两阶 MASH 结构
图 5.3 所示的两阶 MASH 中,两级均为 ΔΣ 调制器:
u --> [Stage 1 (ΔΣ)] -- v1 --> H1(z)=STF2(z) --->(+)
| ^
|-- (提取 e1) --> [Stage 2 (ΔΣ)] -- v2 --> H2(z)=NTF1(z) --->(+)
[数字输出 V]
第一级输出( 域):
第二级输出(将 作为输入):
取消条件
数字滤波器 , 需满足 取消条件:
最简单选择:
其中 通常只是纯延迟, 容易实现。
总输出:
2-2 MASH 示例
两级均为二阶调制器:
总输出:
意义:
- NTF 阶数:4(四阶整形!)
- 稳定性行为:2(两级各自稳定)
- 噪声整形效果 ∝
- 实现了”二阶的稳定性 + 四阶的整形”
若取消条件不精确满足( 或 ), 泄漏到输出,效果严重退化(见 MASH噪声泄漏与失配效应)。
级间缩放
馈入第二级前需缩放以适配第二级的稳定输入范围:
- 一阶单 bit 首级:缩放因子通常为
- 多 bit 首级:缩放因子可大于 1
- 中需包含缩放的倒数 以确保取消
三阶 MASH 扩展
三阶 MASH(图 5.5)在第二级后再加一级来取消 :
u --> [Stage 1] -- v1 --> H1 --> (+)
| ^
|-- e1 --> [Stage 2] -- v2 --> H2 --> (+)
| ^
|-- e2 --> [Stage 3] -- v3 --> H3 --> (+)
[数字输出 V]
取消条件:
总输出:
3-3 MASH:三级均为二阶 → 总 NTF 等效 6 阶,稳定性由各低阶级分别保证。
MASH 的关键优势
1. 第二级多 bit 量化无需 DAC 校正
第二级 DAC 非线性误差经 滤波—— 是高通函数,带内 DAC 非线性被抑制。且第二级输入为 (噪声而非信号),不产生谐波失真。
2. 减少 tone 和杂散
第二级的输入 本身就是类噪声,使 接近真正白噪声。即使首级包含 tone(如 附近的 3 次谐波),在图 5.4 的仿真中,V 的输出中该谐波从 -64 dBc 降至 -101 dBc,减少约 37 dB。
MASH vs 单环路高阶
| 特性 | 单环路高阶 | MASH |
|---|---|---|
| NTF 阶数 | (受限稳定性) | |
| 稳定性 | 需精心设计 NTF 峰值() | 各级分别稳定即可 |
| 对模拟精度 | 较不敏感 | 极敏感(取消条件) |
| 带外 NTF 峰值 | 受 Lee 准则约束 | 可较高 |
| 输入摆幅 | 受 MSA 严格限制 | 相对宽松 |
| 设计复杂度 | 中等 | 高(数字滤波器 + 级间缩放) |
参考文献
- Pavan, S., Schreier, R., & Temes, G. C. (2017). Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §5.2. IEEE Press/Wiley.
- Hayashi, T., et al. (1986). “A Multistage Delta-Sigma Modulator without Double Integration Loop.” ISSCC Digest, 182-183. (首个 MASH 提案)
- Matsuya, Y., et al. (1987). “A 16-bit Oversampling A-to-D Conversion Technology Using Triple-Integration Noise Shaping.” IEEE JSSC, 22(6), 921-929.
- Candy, J. C., & Huynh, A.-N. (1986). “Double Interpolation for Digital-to-Analog Conversion.” IEEE Trans. Commun., 34(1), 77-81.
相关页面
- 多级ΔΣ调制器与Leslie-Singh结构
- MASH噪声泄漏与失配效应
- Sturdy-MASH鲁棒级联架构
- 高阶ΔΣ调制器与NTF
- 二阶ΔΣ调制器MOD2原理
- Pavan ΔΣ 数据转换器 Ch.5 深度解析
- Rosa Sigma-Delta Converters Practical Design Guide 深度解析
📙 Rosa 补充(Ch.2 MASH/SMASH 架构与级联设计)
Rosa《Sigma-Delta Converters》Ch.2 对 MASH 级联架构增加了 SMASH 和双量化级联。
SMASH(Sturdy MASH)架构(§2.3.2)
Rosa 详述了 SMASH 架构作为传统 MASH 的鲁棒替代:
- 传统 MASH 的数字取消逻辑 对模拟 NTF/STF 失配敏感
- SMASH 用噪声整形替代精确取消:第二级的量化误差被第一级的 NTF 整形而非直接消除
- 数字取消逻辑简化为纯延迟,消除模拟-数字失配问题
- 代价:总 NTF 阶数略低于传统 MASH
双量化级联(Dual Quantization)(§2.3.3)
Rosa 介绍了级联中前馈/反馈路径使用不同位数量化器的技术:
- 第一级用粗量化(1–2 bit)保证稳定性
- 第二级用细量化(4–5 bit)提高精度
- 级间缩放需匹配各级的动态范围
MASH vs 单 loop 的工程决策指南
| 考虑因素 | 选 MASH | 选单 loop |
|---|---|---|
| 需要高阶整形 + 稳定性 | ✓ | 困难 |
| 模拟精度有限(电容失配) | 不推荐 | ✓ |
| 多 bit 反馈 DAC 线性度不足 | ✓(第二级免校正) | 需 DEM |
| 数字面积成本高 | 不推荐 | ✓ |
| 宽带宽低 OSR | ✓ | 困难 |
差异定位:Pavan Ch.5 侧重 MASH 取消条件的严格推导和噪声泄漏分析;Rosa 增加了 SMASH 鲁棒架构、双量化级联和 MASH vs 单 loop 工程决策指南。