Kumar 2018: Reset-Free Memoryless ΔΣ Analog-to-Digital Conversion

来源: R. S. A. Kumar, D. Behera, and N. Krishnapura, “Reset-Free Memoryless Delta-Sigma Analog-to-Digital Conversion,” IEEE TCAS-I, vol. 65, no. 11, pp. 3651-3662, Nov. 2018.

基本信息

项目内容
期刊IEEE TCAS-I (Regular Papers)
年份2018
作者R. S. Ashwin Kumar, Debasish Behera, Nagendra Krishnapura (IIT Madras)
领域无复位 ΔΣ ADC 实现逐样本 A/D 转换
工艺180 nm CMOS
DOI10.1109/TCSI.2018.2854707

论文定位

本文提出无需复位调制器或抽取滤波器即可实现逐样本(sample-by-sample)A/D 转换的新方法,使 ΔΣ ADC 可像 Nyquist ADC 一样用于多通道时分复用。

核心贡献:

  1. 方法 1:STF=1 的 DTDSM + Nyquist M-band 抽取滤波器(raised cosine),实现无 ISI 的逐样本转换
  2. 方法 2(新提出):多速率抽取滤波器 + Nyquist 率均衡器 ,大幅降低数字功耗
  3. 自适应 LMS 均衡器:克服模拟非理想性导致的 STF 偏差,将通道间串扰从 -77 dB 改善至 -89 dB

初学者提示:理解本文需要两个前置知识:(1) IADC(增量型 ADC)通过复位实现逐样本转换但有 SNR 损失(见 IADC原理与动机);(2) 抽取滤波器的脉冲响应长度决定了”记忆”的长度(见 ΔΣ调制器中的抽取与插值滤波)。


核心内容

§II. 现有无复位转换技术回顾

A. 多通道 A/D 转换的基本需求

仪器应用常需多个模拟输入被同一个 ADC 数字化。Nyquist ADC(SAR/Pipeline)是无记忆的——每个输出样本仅对应当前输入。但 ΔΣ ADC 的抽取滤波器有极长的脉冲响应,每个输出样本是多个输入的加权组合。

B. 现有方法的代价

方法原理代价
等待记忆衰减等脉冲响应衰减到零再切换通道有效 Nyquist 率 (本例 196 周期 vs 32 周期)
IADC(增量型)每 个周期复位调制器和滤波器~10 dB SQNR 损失 + 5.6 dB 热噪声损失(三阶)
每通道独立存储元件复制积分电容和滤波器寄存器难以扩展到多通道,串扰抑制有限

IADC 的定量损失(Fig. 4):

  • 三阶 IADC 的最佳抽取滤波器是 阶累加器 ,脉冲响应限制在 个周期
  • 量化噪声:IADC SQNR 比连续运行 ΔΣ ADC 低 ~10 dB(相同 OSR)
  • 热噪声:损失因子 3.6(5.6 dB),需要 3.6× 更大的输入电容/电阻/运放功耗

§III. 方法 1——Nyquist M-band 抽取滤波器

A. 核心思想

Nyquist 滤波器(通信系统中的 M-band 滤波器)有如下特性:

  • 脉冲响应 在 ()处精确为零
  • 频率响应关于 对称:

这意味着:虽然脉冲响应很长(远超过 个样本),但降采样 倍后等效为冲激——无 ISI!

Raised cosine 滤波器(Fig. 5)是一类 Nyquist 滤波器,滚降因子 控制过渡带宽和脉冲响应衰减速度的折衷。

B. 系统架构(Fig. 6-7)

零填充方案(Fig. 6):

  • ( 率采样)→ 上采样 倍(填充 个零)→ DTDSM → Nyquist 抽取滤波器 → 降采样 倍
  • DTDSM 需设计为 STF=1(使用前馈路径)→ 输入信号无记忆
  • 结果:Nyquist 滤波器在每 个样本中只有一个非零输出 → 逐样本转换

SNR 问题:零填充使输入幅度降低 倍 → SNR 恶化

零阶保持方案(Fig. 7):

  • 每个输入样本保持 个周期(零阶保持 ZOH)
  • SNR 损失降低为
  • ZOH 的传递函数 引入记忆 → 用数字域 inverse-sinc 均衡器补偿
  • RC-IS 滤波器 = Raised Cosine Nyquist 滤波器 + Inverse-Sinc 均衡器(级联实现为单个 346-tap FIR)

C. 局限性

  • 346-tap FIR 运行在 → 高数字功耗
  • 需要 STF=1 → 需要前馈/输入/DAC 路径的电容精确匹配
  • 量化器等效增益偏离 1(特别是单比特量化器)→ STF 不精确为 1 → 串扰

§IV. 方法 2——多速率抽取 + Nyquist 率均衡器(本文核心贡献)

A. 多相分解理论(Fig. 9-10)

关键定理: 率输入 → 上采样 → LTI 系统 ( 率)→ 降采样 的系统,等效为 在 率运行,其中 是 的 -path 多相分解的第一项:

证明(Fig. 10):

  • 上采样+延迟 +降采样 = 零(,因为降采样只采到零)
  • 仅 分支有非零输出 → 等效为

推论:

  • 如果 (S/H × STF × 抽取滤波器)
  • 当 , , 为 Nyquist 滤波器 → → 无记忆
  • 其他情况 → → 有记忆,但因为是 LTI 系统,可用逆滤波器 均衡

B. 新系统架构(Fig. 12(b))

  • 使用传统多速率抽取滤波器(CIC + 半带 FIR,仅 CIC 积分器运行在 )
  • 在 率添加均衡器 (FIR 实现 的近似)

实例():

  • : 为 32-tap ZOH, 为 173-tap 多速率抽取滤波器
  • 多相分解 → 为 7-tap FIR
  • 的 FIR 近似:14-tap FIR(良好折衷)

数字功耗对比:

  • 方法 1:346-tap FIR @ → 高功耗
  • 方法 2:CIC()+ 7-tap 半带()+ 14-tap 均衡器()→ 大幅降低

C. 放宽 STF 约束

  • 不再需要 STF=1 → 允许使用单比特量化器(量化器增益偏离 1 也能通过均衡器补偿)
  • 多速率抽取滤波器本身功耗低

§V. 自适应均衡器——降低通道间串扰

A. 问题

固定系数均衡器 的性能受限于:

  • STF 的精确形状未知(电容失配 + 量化器增益偏差)
  • S/H 的非理想性
  • 结果:实测串扰仅 -77 dB

B. 自适应 LMS 均衡器(Fig. 13)

LMS 更新规则:

其中 (输出与延迟理想输出的误差)。

训练方法:

  • 输入为周期 (在 率)的冲激串
  • 63 个零样本 + 1 个非零样本
  • 仅在 时更新系数(避免生成精确数字参考)
  • ISI 样本被强制趋零 → 训练后

C. 性能提升

  • 固定系数均衡器:串扰 -77 dB
  • 自适应均衡器:串扰 < -89 dB(改善 12 dB)
  • 自适应均衡器在 运行 → 功耗合理

§VI-VII. 芯片实现与测量结果

原型规格:

  • 180 nm CMOS, 1.8V, MHz,
  • 2 通道, 0.5 MSps/ch, 0.25 MHz BW/ch
  • 三阶 DTDSM,4-bit 量化器,OBG=2.8
  • CIFF 拓扑 + 直接输入前馈(STF=1 目标)
  • Flip-around S/H,ping-pong 采样, pF

S/H 噪声公式(Eq. 6):

第一项:采样开关 kT/C 噪声;第二项:运放 hold-mode 连续时间噪声(被 ΔΣ 过采样和抽取滤波器抑制)。

数字滤波器对比(Table I):

方案抽头数运行速率功耗面积
RC-IS @ 346高大
固定均衡器 @ 14最低最小
自适应均衡器 @ 24中中

测量结果(Table II):

指标数值
DR84.2 dB
峰值 SNR82.5 dB
峰值 SNDR80.1 dB
总功耗18.2 mA @ 1.8V
面积(S/H + DSM)2.76 × 1.4 mm²
串扰(自适应均衡器)< -89 dB
串扰(固定均衡器/RC-IS)-77 dB

与 IADC 对比:

  • 本设计无复位 → 无 IADC 的 ~10 dB SQNR 损失和 5.6 dB 热噪声损失
  • 有效信号带宽更高(0.25 MHz vs IADC 受复位限制)

与已有知识库的交叉引用

本文概念对应知识库页面关系
IADC 复位的代价IADC原理与动机本文的出发点:IADC 有 ~10 dB SQNR + 5.6 dB 热噪声损失
抽取滤波器ΔΣ调制器中的抽取与插值滤波CIC + 半带 FIR 的多速率实现
CIFF 拓扑CIFF与CRFF前馈环路滤波器拓扑三阶 CIFF + 前馈实现 STF=1
量化器增益量化器理论与线性模型量化器等效增益偏离 1 的问题
多相分解采样理论基础-path 多相展开的 Noble 恒等式
DWADAC失配问题与旋转选择DWA原理IDWA 用于 DAC 失配整形

核心公式速查

公式含义
多相分解第一项等效 率 LTI 传递函数
S/H 总噪声(采样 + 运放)
LMS 自适应均衡更新规则
IADC SQNR 损失 ~10 dB三阶 IADC vs 连续运行(相同 OSR)
IADC 热噪声损失 5.6 dB三阶 IADC 的固有热噪声因子 3.6
为 7-tap FIR本设计的等效传递函数阶数
为 14-tap FIR固定均衡器阶数(良好折衷)