Kumar 2020: Multi-Channel ADC Using a CTDSM Without Reset
来源: R. S. Ashwin Kumar and N. Krishnapura, “Multi-Channel Analog-to-Digital Conversion Techniques Using a Continuous-Time Delta-Sigma Modulator Without Reset,” IEEE TCAS-I, vol. 67, no. 11, pp. 3693-3703, Nov. 2020.
基本信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 期刊 | IEEE TCAS-I (Regular Papers) |
| 年份 | 2020 |
| 作者 | R. S. Ashwin Kumar, Nagendra Krishnapura (IIT Madras) |
| 领域 | 使用无复位 CTDSM 实现多通道 ADC,消除通道间串扰 |
| 工艺 | 180 nm CMOS |
| DOI | 10.1109/TCSI.2020.3013691 |
论文定位
本文是 Kumar 2018(Kumar 2018 Reset-Free Memoryless ΔΣ ADC 深度解析)的多通道扩展,提出两种消除多通道串扰的数字滤波器技术:
- 自适应逆均衡器 (沿用自 2018)
- π-Shifted 滤波器 (本文核心创新)
初学者提示:本文与 Paper 6 的核心区别在于——Paper 6 关注单通道无复位转换(使 ΔΣ ADC 具有 Nyquist ADC 的”无记忆”特性),而本文关注多通道复用场景下如何消除通道间串扰(cross-talk)。
逐节深度解析
Section I: Introduction — 多通道 ADC 的挑战
问题背景:
- 多传感器应用需要宽动态范围的多通道 ADC
- 典型实现:MUX → 单 ADC → DMUX
- ADC 必须无记忆(memoryless),否则产生通道间串扰
IADC 的代价:
- 增量型 ΔΣ ADC(IADC)每转换周期复位,天然无记忆
- 但 SQNR 和热噪声 SNR 均退化
- 三阶 IADC 需 OSR 增大 1.8× 以补偿 SQNR 损失
- 热噪声退化 2.6 dB(三阶)/3.6 dB(四阶)
- 总功耗增大 3.24×(三阶)/4.1×(四阶)
DTDSM 方案回顾(Kumar 2018):
- 方法 1:Unity STF + raised-cosine 抽取 + inverse-sinc 均衡(RC-IS)
- 方法 2:常规 STF + 自适应逆均衡器
本文动机:将 DTDSM 替换为 CTDSM
- CTDSM 比 DTDSM 功耗更低
- DTDSM 的 S/H 驱动开关电容负载 → S/H 占总功耗 ~40%
- CTDSM 隐含反混叠
Section II: Cross-Talk 理论 — 核心数学
两通道 MUX/DMUX 模型(Fig.1):
在 MUX 和 DMUX 之间引入滤波器 ,定义四个传递函数:
- , :信号传递函数
- , :串扰传递函数
零串扰的充要条件:
的奇数样本必须为零。即 当 为奇数。
频域等价条件:(关于 对称)
初学者提示:这个条件的物理含义很直观——如果等效冲激响应的奇数样本为零,那么经过 2× 下采样后,信号仅包含偶数样本(通道 1)和奇数样本(通道 2)互不干扰。
两种实现策略:
| 策略 | 条件 | 滤波器 |
|---|---|---|
| 充分条件() | 逆均衡器 | |
| 必要条件(奇数样本=0) | π-Shifted 滤波器 |
Section III: DTDSM 多通道方案回顾
方法 A(RC-IS):Unity STF + raised-cosine 抽取 + inverse-sinc
- 要求 STF=1,对 CTDSM 难以实现
- 对 和 STF 的偏差敏感
- 均衡器运行在 高速率 → 高功耗
方法 B(自适应逆均衡器):
- 在降采样速率 运行 → 功耗更低
- 可自适应跟踪模拟传递函数变化
- 使用 LMS 算法训练:
Section IV: CTDSM 多通道实现
CTDSM 的独特挑战:
- Unity STF 在 CTDSM 中不易实现(输入和反馈脉冲形状 需精确匹配)
- 电路仿真显示串扰无法抑制到 -80 dBc 以下
三种方案对比:
| 方案 | 可行性 | 串扰 | 功耗 | 面积 |
|---|---|---|---|---|
| A: S/H + Unity STF CTDSM + RC-IS | 差(脉冲匹配困难) | > -80 dBc | 高 | 大 |
| B: S/H + CTDSM + 自适应均衡器 | 好 | < -77.8 dBc | 中 | 中 |
| C: S/H + CTDSM + π-Shifted 滤波器 | 好 | < -80.1 dBc | 低 | 小 |
π-Shifted 滤波器的关键优势:
- 无需 LMS 自适应:直接从测量的 计算
- 阶数更低:7 阶(有效 4 阶)vs 自适应均衡器 24 阶
- 功耗低 3×:210 μW vs 645 μW
- 面积小 2×:0.24 mm² vs 0.58 mm²(含抽取滤波器)
Section V: 两通道原型芯片
系统参数:
- MHz,OSR = 64 → 每通道带宽 24 kHz
- 三阶 CIFF-B 环路滤波器 + 3-bit 量化器 + 2-tap FIR DAC
- STF 峰值限制在 3 dB
设计选择解析:
- 为何不用单比特:单比特 + 12-tap FIR → STF 峰值 > 15 dB → S/H 的 MUX 频谱副本导致量化器饱和 → MSA 降低 > 12 dB
- 为何用 CIFF-B:CIFF 低功耗但 STF 有峰值;CIFB 线性但功耗高;CIFF-B 折中
各模块功耗:
| 模块 | 功耗 |
|---|---|
| S/H(含 mux) | 225 μW |
| CTDSM(含抽取滤波器) | 1276 μW |
| 自适应均衡器 | 645 μW |
| π-Shifted 滤波器 | 210 μW |
| 总计(自适应) | 1330 μW/通道 |
| 总计(π-shifted) | 860 μW/通道 |
S/H 噪声:
Section VI: 与 SAR/IADC 对比
vs IADC 功耗优势:
- 三阶 IADC:功耗增大 3.24×
- 四阶 IADC:功耗增大 4.1×
- 本文 π-shifted:功耗增大仅 2.6×(含 S/H 热噪声)
vs SAR:
- 输入阻抗类似(开关电容)
- 但 CTDSM 过采样 + 噪声整形 → SNR 更高
- SAR 仅 11-bit ENOB;ΔΣ 可达 > 14-bit
Section VII: 测量结果
| 指标 | 自适应均衡器 | π-Shifted 滤波器 |
|---|---|---|
| 串扰 | < -77.8 dBc | < -80.1 dBc |
| 峰值 SNR | 91.7 dB | 90.5 dB |
| 峰值 SNDR | 84.9 dB (含 HD2) | 83.7 dB (含 HD2) |
| DR | 98 dB | 97 dB |
| 功耗/通道 | 1.33 mW | 0.86 mW |
| Schreier FoM | 170.1 dB | 169.4 dB |
Appendix A: N 通道推广
N 通道零串扰条件: 仅在 ()处非零
N 通道均衡器:
- 对于 : ✓
- 有效阶数 < 12(),远优于自适应均衡器的 ≥ 25 阶
交叉引用表
| 本文概念 | Wiki 页面 |
|---|---|
| 无复位 ΔΣ ADC | 无复位ΔΣ ADC技术 |
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| CT-ΔΣ 调制 | CT-ΔΣ调制 |
| FIR 反馈 DAC | CT-ΔΣ时钟抖动缓解与FIR反馈DAC |
| CIFF-B 拓扑 | CIFF与CRFF前馈环路滤波器拓扑 |
| 增量型 ADC | IADC原理与动机 |
| 抽取滤波器 | ΔΣ调制器中的抽取与插值滤波 |
公式速查表
| 公式 | 含义 |
|---|---|
| π-Shifted 滤波器传递函数 | |
| π-Shifted 滤波器冲激响应 | |
| 两通道零串扰频域条件 | |
| LMS 自适应算法 | |
| S/H 带内噪声功率 | |
| N 通道均衡器 |