高阶 CT-ΔΣ 调制与 DAC 脉冲形状效应

从 CT-MOD2 到 阶 CT-ΔΣ,DAC 脉冲形状对 NTF 的影响随阶数增加而增加——CT-MOD1 仅依赖脉冲面积,CT-MOD2 依赖面积和延迟, 阶 CT-ΔΣ 依赖前 个矩。Pavan 引入的矩方法为系统分析脉冲形状效应提供了统一框架。


前后关系

上下文:在 CT-MOD1(§8.1-§8.2)建立脉冲不变变换和隐含反混叠基本原理后,§8.3-§8.4 将分析推广到二阶和高阶。

前置知识:

后续章节:


原理介绍

CT-MOD2(§8.3)

CT-MOD2 采用 CIFF 结构(图 8.14),其 DT 原型 为:

CT 环路滤波器假定形式为:

系数求解

对于一个单位冲激输入, 和 路径在 NRZ DAC 下的采样脉冲响应可由表 8.1 查得:

CT 传输函数采样脉冲响应的 变换(NRZ DAC)

令加权组合等于 :

两边同乘 并令系数相等,解得:

重要观察:CT-MOD2 的环路滤波器不是简单地将 DT 积分器替换为 CT 积分器—— 和 路径需要适当加权,且权重依赖于 DAC 脉冲形状。

CT-MOD2(CIFF)的 STF

  • 直流增益为 1
  • STF 在 处有零点(来自前馈结构),高频渐近滚降
  • 在 整数倍处仍为零——隐含反混叠保留

CT-MOD2(CIFB)的 STF

  • 高频渐近滚降 ——比 CIFF 更好的抗混叠
  • 脉冲响应为三角形脉冲(宽度 )

DAC 脉冲形状对 CT-MOD2 的影响(§8.3.1)

路径的脉冲响应

当 (脉冲已结束):

采样后:

关键结论:CT-MOD2 的采样脉冲响应仅依赖于 DAC 脉冲的两个特征——面积 和 平均延迟 。对于面积相同、延迟相同的脉冲(NRZ/RZ/Raised Cosine),NTF 完全相同(图 8.18)。

高阶 CT-ΔΣ 调制器(§8.4)

对于 阶 CT-ΔΣ,DT 原型如图 8.19a 所示, 和 分别为输入和反馈的环路滤波器。CT 实现如图 8.19b。

设计约束

  • 为使 STF 直流增益为 1, 和 在 时必须趋近
  • NTF 在 处有 个零点 → 有 个 极点
  • 由 映射 → 和 都必须有 个 极点( 个积分器)

系统化系数求解(图 8.20)

  1. 从 NTF 确定
  2. 确定 的脉冲响应
  3. 确定各 路径在给定 DAC 脉冲下的采样脉冲响应
  4. 解超定线性方程组:

该方程组虽然是超定的,但存在唯一解(与 CT-MOD2 类似)。

高阶 STF

对于 CIFF 结构(,图 8.21),STF 在 整数倍处有与 NTF 同阶的零点,保持良好的隐含反混叠。

矩方法:脉冲形状影响的高阶推广(§8.4.1)

分析框架

对于 阶 CT-ΔΣ,考虑最慢路径 。其脉冲响应 通过 与斜坡 的卷积得到。当 :

展开二项式并提取矩:

其中第 阶矩定义为:

关键定理

阶 CT-ΔΣ 的 NTF 完全由 DAC 脉冲的前 个矩()决定。 若两个不同脉冲具有完全相同的前 个矩,则 NTF 完全相同。

常用 DAC 脉冲的矩(表 8.2)

DAC 类型(面积)(延迟)(惯性矩)
Impulse()1000
NRZ10.51/31/4
RZ(50% 占空比)10.251/121/32
指数()1

脉冲形状变化时的系数修正

若脉冲从 变为 ,要保持相同 NTF,系数需按以下公式调整(以三阶为例,):

实际意义:在实际高阶 CT-ΔΣ 中, 通常远小于 ,因此仅控制 和 就足够使 NTF 对脉冲细节高度不敏感。

仿真验证(图 8.24)

四阶 CT-ΔΣ,使用四种脉冲(NRZ、延迟 RZ、Raised Cosine、延迟 Impulse),均具有相同的 和 。结果:

  • OBG = 1.5(单 bit 典型值):NTF 曲线几乎无法区分
  • OBG = 3.0(多 bit 上限值):NTF 仅微小差异
  • 原因:高 OBG 需要更大的 → 对矩差异更敏感

参考文献

  1. Schreier, R. & Zhang, B. (1996). “Delta-sigma modulators employing continuous-time circuitry.” IEEE Trans. Circuits Syst. I, 43(4), 324–332.
  2. Cherry, J. A. (1998). Theory, Practice, and Fundamental Performance Limits of High Speed Data Conversion Using Continuous-Time Delta-Sigma Modulators. Ph.D. dissertation, Carleton University.
  3. Pavan, S. (2014). “Continuous-time delta-sigma modulator design using the method of moments.” IEEE Trans. Circuits Syst. I, 61(6), 1629–1637.

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