SC-ΔΣ 调制器的高层设计与开关电容积分器

涵盖章节:§7.1–§7.3,书页 165–173 前后关系:在 Ch.4(NTF 理论/环路拓扑)和 Ch.5(MASH 级联架构)之后,本章进入实际电路实现。后续概念页分别讨论放大器设计、开关/比较器/时钟,以及高阶调制器与高级技术。


前后关系


原理介绍

§7.1 SCMOD2 设计概述

SCMOD2 是一个完整的二阶单 bit SC ΔΣ ADC 设计案例,目标规格:

  • 信号带宽 kHz
  • 动态范围 dB
  • 采用高阶的 OSR = 500 因二阶环路能力有限
  • 单 bit 量化(仅 1 个比较器)保证 DAC 本征线性
  • 1.8 V 电源电压,单端输入

§7.2 高层设计

NTF 选择:使用 MATLAB Delta-Sigma Toolbox 生成二阶 NTF:

  • synthesizeNTF(2, 500, 1) → 得到零点在 z=1 的二阶高通 NTF
  • 单比特 () 量化器,量化步长
  • 仿真 SQNR 曲线验证理论值

拓扑与动态范围缩放:选择 CIFB(Cascade of Integrators with Distributed Feedback)拓扑,因反馈结构适合单端输入。关键步骤:

form = 'CIFB';
swing = 0.5;                 % 放大器输出摆幅 ±0.5 V
umax = 0.9*M;                % 输入最大 90% 满幅
[a,g,b,c] = realizeNTF(ntf,form);
b(2:end) = 0;
ABCD = stuffABCD(a,g,b,c,form);
ABCD = scaleABCD(ABCD, M+1, [], swing, [], umax);
[a,g,b,c] = mapABCD(ABCD, form);
% a = [0.1131 0.1829]; b = 0.1131; c = [0.4517 4.2369]

缩放后各积分器输出限制在 V。

§7.3 开关电容积分器

基本结构(图 7.5):一个两相时序( / )的积分器。

工作原理:

  • (采样相): 充电至 , 保持上一周期电荷
  • (传输相): 左端接地,电荷被迫转移到

电荷守恒推导:

取 z 变换:

代入 ,:

寄生不敏感特性:无论杂散电容出现在左端还是右端,均不改变传输函数。这是 SC 电路实用化的关键。

多输入求和积分器(图 7.7):

第二条输入支路可作为 1-bit DAC 反馈。

时序一致性检查(图 7.8):

验证需逐条确认各状态变量在正确相位时刻可用。本书采用直接差分方程验证法(而非传统 z 域模块法),因 SC 电路中各输入可能具有不同的延迟属性。

§7.3.1 积分器变体

差分积分器(图 7.9):输入和 DAC 电容独立,提供最大设计自由度。需满足:

  • 输入共模
  • 参考共模
  • 若 (放大器输入共模),将引入共模误差

共享电容积分器(图 7.10):同一电容组在 采样输入、 作 DAC 反馈。噪声比图 7.9 低 3 dB,但要求 ,且对共模失配敏感。

单端转差分积分器(图 7.11):特别适合单端输入应用(如电压监测),输入范围为 。采用电源轨作为参考的实用方案需要两步粗/细充电滤波器以抑制电源噪声 [1]。

第二积分器(图 7.12):使用差分短路开关替代独立的共模电压节点,自动确定共模电平。

双采样参考积分器(图 7.13):DAC 电容在 连接到相反参考极性,等效参考电压翻倍 → 噪声更低。

输入缩放(图 7.14):通过电容分压将输入衰减 20% 以防调制器过载,代价是 2 dB SNR 损失和直流精度依赖于电容匹配。


关键洞察

#洞察
1高 OSR 是电路简化的”免费午餐”:OSR=500 使二阶环路也能达到 100+ dB DR,但代价是数字滤波更复杂
2动态范围缩放是系统级到物理级的桥梁:通过 scaleABCD 将抽象 NTF 系数映射为实际电压摆幅约束,确定电容比
3寄生不敏感 SC 积分器是 ΔΣ 电路的核心发明:两相电荷转移原理、叠加求和特性、杂散电容免疫,共同使得高精度系数由电容比决定
4时序一致性验证替代传统 z 域方法:SC 电路中同一模块对不同输入可能有不同延迟属性,直接验证差分方程比抽象 z 域分析更可靠

参考文献

  1. Yang, Y., et al. (2003). “A 114 dB 68 mW chopper-stabilized stereo multi-bit audio A/D converter.” ISSCC, 64-65.
  2. Pavan, S., Schreier, R., & Temes, G. C. (2017). Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §7.2-§7.3. IEEE Press/Wiley.
  3. Delta-Sigma Toolbox (Appendix B), MATLAB Central File Exchange.

相关页面


📙 Rosa 补充(Ch.3 SC 积分器建立误差行为模型)

Rosa《Sigma-Delta Converters》Ch.3 对 SC 积分器的非理想效应给出了系统化的行为建模。

建立误差行为模型(§3.3)

Rosa 将积分器建立误差分解为三个独立机制:

  1. 线性建立误差(有限 GBW):时间常数 ,建立误差
  2. 非线性建立误差(有限 SR):当 时进入摆率限制,建立时间延长
  3. 开关电阻效应: 与采样电容形成额外时间常数

等效行为模型:每个积分器的输出可表示为

其中 综合了 GBW、SR、 三个机制的总建立误差。该模型可直接在 SIMULINK 行为仿真中实现。

有限 GBW 的线性效应

Rosa 推导了有限 GBW 对积分器传递函数的影响:

  • 等效增益常数衰减:
  • 极点从 内移到 ,与有限增益效应类似
  • 对 NTF 的影响:零点从 dc 偏移,带内噪声增加

差异定位:Pavan Ch.7 侧重完整 SCMOD2 设计案例;Rosa Ch.3 侧重 建立误差行为模型的系统化分解和 SIMULINK 可实现的行为模型。