高阶 ΔΣ 调制器的 MSA 改进与系统化 NTF 设计
直接采用 的高阶 NTF 因高频增益过大而过早失稳。本章核心对策:将 NTF 极点从 移至靠近 的位置,以此降低带外增益(OBG),换取更大的稳定输入范围。§4.3 进一步提供了基于 Butterworth 原型高通滤波器的完整系统化设计流程。
前后关系
上下文:高阶ΔΣ调制器稳定性与MSA 揭示了量化器过载导致有效增益下降、根轨迹移出单位圆的失稳机制。NTF 的高频增益是过载的罪魁祸首—— 在 处的增益为 8(18 dB)。
后续延伸:高阶NTF零点优化与Bode积分 从理论上证明了带内/带外增益的此消彼长是基本原理(Bode 积分),而 §4.4 的零点优化可进一步降低带内噪声。
交叉引用:广义二阶结构与最优NTF设计 在二阶调制器中已经展示了极点移动的初步思想( 系数)。MOD2替代架构 中的 Boser-Wooley 结构也有有限运放增益导致极点偏移的问题。
原理介绍
问题陈述
三阶 NTF 的幅频特性:
- dc 处:(完美抑制)
- 处:(过大增益 ⇒ 量化噪声被强烈放大 ⇒ 过载 ⇒ 失稳)
核心思想:低通滤波 NTF
将 NTF 乘以低通函数 :
的理想特性:,即 dc 附近增益大、 附近增益小。
极点移动等价性:与其引入新极点,不如直接将 NTF 原有极点从 移到靠近 的位置:
其中 ,根接近 。
几何解释(图 4.8-4.9):频率响应 等于零点向量长度积除以极点向量长度积。 的极点距 最远(因子 2),移近 后 显著降低。
带内性能的代价
⇒ 带内 NTF 增益不再为零:
带内 RMS 噪声与 成正比——低 OBG ⇒ 高带内噪声。 的典型值:0.042(OBG=1.48)⇒ 带内 NTF 增益是 的 倍。
MSA vs SQNR 权衡
这是 ΔΣ 调制器设计的中心权衡:
- 更极端的极点移动(更小的 OBG)⇒ 更大的 MSA ⇒ 更大的带内噪声 ⇒ 更小的 SQNR
- 更小的极点移动(更大的 OBG)⇒ 更小的 MSA ⇒ 更小的带内噪声 ⇒ 更大的 SQNR
设计者需要在 MSA 和 SQNR 之间找到最佳平衡点。
系统化 NTF 设计流程
设计步骤(6 步法)
以三阶、OSR=64、16 电平量化器、目标 SQNR > 115 dB 为例:
步骤 1:选原型高通滤波器族。常用:Butterworth、Chebyshev、inverse Chebyshev、Elliptic。本例选 Butterworth,3-dB 截止频率 。
步骤 2:用 MATLAB 获得滤波器系数。
[b, a] = butter(3, 1/8, 'high')
% H(z) = (0.6735 - 2.0204z^{-1} + 2.0204z^{-2} - 0.6735z^{-3})
% / (1 - 2.2192z^{-1} + 1.7151z^{-2} - 0.4535z^{-3})步骤 3:缩放满足 。 ⇒ :
OBG(Out-of-Band Gain) = 。
步骤 4:计算环路滤波器 。
采用 的特殊结构(图 4.12)实现调制器。
步骤 5:仿真验证。MSA ≈ 85% FS,峰值 SQNR ≈ 102 dB——距离目标 115 dB 还差 13 dB。
步骤 6:增加截止频率。将 Butterworth 拐角从 增至 ⇒ OBG ↑ 2.25,MSA ↓ 80%,SQNR ↑ 116 dB——达标。
过程总结
| 设计变量 | OBG | MSA | 峰值 SQNR | 是否达标? |
|---|---|---|---|---|
| 1.48 | 85% | 102 dB | ❌ | |
| 2.25 | 80% | 116 dB | ✅ |
随着 OBG 增加:NTF 更激进 ⇒ 带内衰减更强 ⇒ SQNR ↑;但量化噪声放大更严重 ⇒ MSA ↓。
关键洞察
- NTF 极点移动是稳定性与精度的”旋钮”——通过单一参数 的极点位置即可连续调节整个 MSA-SQNR 权衡空间
- 标准滤波器族是捷径:Butterworth(最大平坦)、Chebyshev(更陡过渡带)、Elliptic(最陡但有通带/阻带波纹)均可——关键是 MATLAB 可提供现成系数
- 结构是方便但不完美的选择——它使设计简化但 STF 被锁定为低通特性,后续将看到 CIFF 等更灵活的结构
- OBG 的典型范围:1.4-3.0。小于 1.4 时带内噪声失控;大于 3.0 时 MSA 过小
参考文献
- S. Pavan, R. Schreier, and G. C. Temes, Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §4.2-4.3. IEEE Press/Wiley, 2017.
- S. R. Norsworthy, R. Schreier, and G. Temes, Delta-Sigma Data Converters: Theory, Design, and Simulation. IEEE Press, New York, 1997.
- R. Schreier, “An empirical study of high-order single-bit delta-sigma modulators,” IEEE Trans. Circuits Syst. II, vol. 40, no. 8, pp. 461-466, 1993.
- K. C. Chao, S. Nadeem, W. L. Lee, and C. G. Sodini, “A higher order topology for interpolative modulators for oversampling A/D converters,” IEEE Trans. Circuits Syst., vol. 37, no. 3, pp. 309-318, 1990.