Kumar 2022 Modulated-Sinc-Sum Filter 多通道 ADC 深度解析

基本信息

项目内容
作者R. S. Ashwin Kumar, Nagendra Krishnapura
机构IIT Madras, 印度
期刊IEEE TCAS-I, Vol. 69, No. 1, Jan 2022
DOI10.1109/TCSI.2021.3094679
工艺180-nm CMOS
电源1.8 V
每通道功耗~1 mW(含数字滤波器)
调制器面积1.02 mm²
数字滤波器面积1.29 mm²
时钟频率6.144 MHz
OSR64
通道数2(原型),可推广至 N
通道带宽~22 kHz(有 10% 带宽缩减)
SNR94.4 dB
DR98.5 dB
串扰< −93 dBc(全带宽、全温度范围)

论文定位

初学者提示:本文是 Kumar 2020 Multi-Channel CTDSM Without Reset 深度解析(Paper 8)的扩展和完善版。Paper 8 提出了 CT 域的多通道无复位方案和 π-shifted 滤波器概念,本文则:

  1. 将信号处理理论从 CT 推广到 DT 域
  2. 从 2 通道推广到 N 通道一般化理论
  3. 提出 Modulated-Sinc-Sum 滤波器名称和完整设计方法
  4. 给出优化后的数字滤波器实现(功耗降低 ~4×)
  5. 增加了温度变化测量验证

核心理论:将 DT DSM 变为多通道 ADC

问题描述

传统 ΔΣ ADC 的抽取滤波器有很长的脉冲响应(记忆效应),直接对复用输入做解复用会导致严重的通道间串扰。

传统解决方案:周期性重置 → 增量 ΔΣ(I-ΔΣ)→ 但 SNR/SQNR 显著下降。

本文方案:不重置 DSM,仅在数字端添加一个均衡滤波器 即可消除串扰。

信号处理推导框架

初学者提示:理解本文的关键在于多速率信号处理——系统中存在多个采样率(、、),需要仔细追踪各信号在不同采样率下的关系。

信号定义:

  • :第 路连续时间输入
  • :以 采样
  • :以 采样(奈奎斯特速率)
  • :上采样回 (补零)

推导路径:

  1. 无串扰基准系统:MUX → DEMUX 直接连接 → 天然无串扰
  2. 多路复用信号建模:输入 乘以调制序列 (周期 ,交错 样本)
  3. 引入脉冲序列 : 为周期 的脉冲串 →
  4. 滤波器 :将 调制后的信号转换为 调制后的信号
  5. 等效传输函数:,其中
  6. 多相分解: 在 倍上下采样之间只有第一多相分量 起作用
  7. 均衡器: 补偿 的影响

零串扰条件

当滤波器 位于 MUX-DEMUX 之间时,零串扰要求:

等价于频域条件: 以 为周期。

两种均衡器方案

方案均衡器原理阶数(2 通道)
逆滤波器218
-shifted 滤波器 周期 163

初学者提示:-shifted 滤波器更优,因为它只需要满足必要条件(周期 ),而不是更严格的充分条件(恒等于 1),因此所需阶数更低。


Modulated-Sinc-Sum 滤波器

命名由来

观察 的频率响应:

  • 的频率响应在子带内近似为常数(有小的纹波)
  • 的响应类似 个砖墙滤波器的叠加
  • 每个砖墙滤波器的脉冲响应是 sinc 函数,被调制到

因此称为 Modulated-Sinc-Sum(调制 sinc 求和)滤波器。

N 通道推广公式

滤波器阶数 vs 通道数

通道数 滤波器阶数功耗(估计)
216378 μW
418180 μW
821995 μW
16228102 μW

关键发现:滤波器阶数随 增长缓慢( 从 2 到 16,阶数仅从 163 增至 228),因为 的大部分系数接近零。


性能退化分析

SQNR 损失

  • 加入 滤波器后 SQNR 损失 dB
  • 对应 OSR 仅需增加 即可补偿

SNR 损失

通道数SNR 退化
1.4 dB(最大)
dB

退化最大的原因: 的频率响应从 1 跳变到 (单次跳变),对噪声提升最大; 时跳变被分散为多步,每步平滑过渡。

带宽缩减

通道数带宽缩减(串扰 < −100 dBc)
2~10%
16~30%

原因: 有 个尖锐不连续点,有限阶 FIR 无法精确实现 → 带宽缩减。


vs 增量 ΔΣ ADC 功耗对比

方案功耗增加因子(vs 独立 DSM)
本文方法1.15×
三阶 I-ΔΣ≥ 1.8×
四阶 I-ΔΣ≥ 2.3×
优势≥ 1.57× 功耗效率提升

初学者提示:增量 ΔΣ 重置后丢失所有历史信息 → SQNR 下降 > 15 dB(三阶)→ 必须提高 OSR 或降低阻抗 → 功耗大幅增加。本文方法不重置 → 保留 DSM 全部性能 → 仅加数字滤波器(功耗微小)。


两通道原型实现

DSM 设计

  • 拓扑:三阶 CIFF(级联前馈积分器)
  • 输入前馈路径:确保 STF = 1,消除积分器信号摆幅
  • 第一积分器: 斩波抑制闪烁噪声
  • 量化器:3-bit Flash ADC
  • DAC 线性化:Incremental DWA (IDWA)
  • 半周期延迟补偿:DAC 电容配置实现无延迟 SC 积分器

OTA 参数

参数第一积分器 OTA求和放大器 OTA
架构套筒式共源共栅同左(缩小版)
电流250 μA75 μA
DC 增益53 dB53 dB
UGB380 MHz450 MHz

数字滤波器优化

相比前作 [7],功耗大幅降低(1.41 mW → 360 μW):

  1. 对称化 :
    • 唯一系数减半 → 乘法器减半 → 功耗约降 2×
  2. 使用标准单元内置乘法器(比自定义乘法器更优)

复用器设计

  • (而非 ):每个输入采样 63 个周期,最后 1 个周期短接到地
  • 目的:确保输入电容无残留电荷 → 消除 MUX 层面的串扰
  • 使用自举开关确保信号无关的导通电阻

测量结果

两通道模式

参数数值
SNR(峰值)94.4 dB
SNDR(峰值)93 dB
DR98.5 dB
串扰(无均衡器)−13 dBc
串扰(有均衡器)< −93 dBc
串扰(典型)< −98 dBc

多通道验证(离线处理)

通道数均衡器阶数串扰
4181< −95 dBc
8219< −95 dBc

温度鲁棒性

  • 全温度范围(具体温度未标注,跨多温度点测量)
  • 串扰始终 < −93 dBc
  • 滤波器系数在所有芯片和温度下通用 → 技术鲁棒性验证

交叉引用


公式速查表

公式含义
零串扰必要条件
零串扰频域等价条件
N 通道均衡器
第一多相分量
两通道特殊情况
对称化脉冲响应
功耗增加 1.15× vs I-ΔΣ 的 1.8×功耗效率优势