Sturdy-MASH鲁棒级联架构

SMASH(Sturdy-MASH)用噪声整形替代噪声取消,以约 3 dB 的噪声增量为代价,大幅降低对模拟电路精度的要求——即使在运放增益仅 35 dB 时仍可达到 74 dB SNDR。


前后关系

上下文:§5.3 揭示了 MASH 的根本脆弱性——取消条件对电容失配和运放增益极其敏感。§5.4 提出的 SMASH 是对此问题的直接回应:通过修改拓扑结构来消除对精确取消的依赖。

前置知识:

后续章节:


原理介绍

SMASH 的两项关键修改

与标准 MASH(图 5.3)相比,SMASH(图 5.7)有两处本质差异:

标准 MASH:                       SMASH:
u --> [Stage 1] -- v1 --> H1 -->(+)   u --> [Stage 1] -- v1 ---------->(+)
        |                          ^          |                        ^
        |-- e1 --> [Stage 2] -- v2 --> H2 -->(+)|       |-- e1 --> [Stage 2] -- v2 --(+)--> 反馈回首级
                                                                          |
                                                                       [直接输出 V]
  1. 第二级输出耦合回第一级环路: 被反馈到第一个环路中(而非独立处理)
  2. 消除噪声取消逻辑: 和 数字滤波器不存在

核心公式

SMASH 的输出为:

与标准 MASH 的 对比:

分量标准 MASHSMASH
信号(更干净)
(相同)
被取消()(噪声整形)

取消 vs 整形的转换

标准 MASH 中:取消条件为 SMASH 中: 项变为

关键是:即使 不能是无延迟函数(物理可实现), 在带内可以很小。选择:

则 SMASH 输出变为:

分析:

  • 从精确取消变为 整形——仍然是高阶整形
  • 和 是独立噪声 → 噪声功率相加
  • 若 ,噪声增量约 3 dB
  • 但这是低灵敏度噪声整形而非病态条件的精确取消

2+2 SMASH 示例

图 5.8 展示了 的 2+2 SMASH(注意”+“表示 SMASH,”-“表示标准 MASH):

总输出:

噪声注入的良性特性

SMASH 中增加的噪声 在第一级量化器 的输出端注入,经环路滤波器 后才到达 的输入端,因此不会导致 过载——这是反馈”吸收”额外噪声的体现。


SMASH vs MASH 对比

特性标准 MASHSMASH
噪声处理方式精确取消 噪声整形
对模拟精度要求极高(运放增益、电容匹配)低(可用 35 dB 运放)
项理想为零
噪声增量0(理想)~3 dB()
数字滤波器需要 , 不需要
稳定性各级独立稳定需整体考虑(闭环相互作用)
典型 SNDR高(需高精度模拟)74 dB @ OSR=16, A=35 dB

关键洞察

  1. 以精度换鲁棒:SMASH 放弃精确取消,接受 3 dB 噪声增量,换来对运放增益和电容匹配的极低敏感度——这在深亚微米工艺中尤为重要
  2. 消除取消逻辑:, 的消除意味着更低的数字功耗和更简洁的架构
  3. 的精心设计: 是关键技巧——将 变为高通函数,使 也获得高阶整形
  4. 后续改进:混合阶数 SMASH(如 2+1 SMASH)和更复杂的反馈方案可以进一步改善性能

参考文献

  1. Pavan, S., Schreier, R., & Temes, G. C. (2017). Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §5.4. IEEE Press/Wiley.
  2. Maghari, N., et al. (2006). “Sturdy MASH Δ-Σ Modulator.” Electronics Letters, 42(22), 1269-1270. (SMASH 首次提出)
  3. Maghari, N., et al. (2009). “74 dB SNDR Multi-Loop Sturdy-MASH Delta-Sigma Modulator Using 35 dB Open-Loop Opamp Gain.” IEEE JSSC, 44(8), 2212-2221. (SMASH 实验验证)
  4. Maghari, N., & Moon, U.-K. (2008). “Multi-Loop Efficient Sturdy MASH Delta-Sigma Modulators.” IEEE ISCAS, 1216-1219.
  5. Maghari, N., et al. (2007). “Mixed-Order Sturdy MASH Δ-Σ Modulator.” IEEE ISCAS, 257-260.

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