Márkus 2004: Theory and Applications of Incremental ΔΣ Converters

来源: J. Márkus, J. Silva, G. C. Temes, “Theory and Applications of Incremental ΔΣ Converters,” IEEE TCAS-I, vol. 51, no. 4, pp. 678-690, Apr. 2004.

基本信息

项目内容
期刊IEEE TCAS-I (Regular Papers)
年份2004
作者János Márkus (BUTE), José Silva (OSU), Gabor C. Temes (OSU)
领域增量型 ΔΣ ADC (IADC) 理论与设计
DOI10.1109/TCSI.2004.826202

论文定位

本文是增量型 ΔΣ 转换器 (IADC) 的奠基性理论论文,系统阐述了:

  • 一阶到高阶 IADC 的工作原理与数学推导
  • 数字滤波器设计(CoI / Sinc / 交错零点)
  • Dither 技术突破一阶 IADC 的速度/分辨率限制
  • 电路级设计考虑

与已有知识库的关系:

  • IADC原理与动机(Pavan Ch.12)提供了 IADC 的概览级介绍
  • 本文提供了原始数学推导和滤波器设计方法论,是 Pavan Ch.12 的理论源头

核心内容

§II. 一阶增量型转换器

工作原理:类似于双斜率 ADC,但输入和参考交替积分。每次转换开始时,模拟积分器和数字计数器均复位。执行 步积分后( 为目标分辨率比特数),得到:

其中 为比较器输出。由此导出:

其中 为反馈施加的时钟周期数。量化误差为:

初学者要点:一阶 IADC 本质上是一个周期复位的过采样转换器,每次转换独立进行,无记忆效应。其分辨率直接由步数 决定: bit 需要 个时钟周期。

与常规 ΔΣ 的区别:

  1. 不连续运行,每次转换后复位
  2. 模拟和数字积分器均在每次转换后清零
  3. 数字滤波器结构简单(一阶仅需计数器)

§II-B. 扩展架构

一阶 IADC 最大缺点是速度慢:-bit 分辨率需要 个时钟周期。多种加速方案:

方案原理周期数
MASH 增量两阶一级联,检测残余误差符号获得额外 1 bit(16-bit: ~256 vs 65536)
残余误差数字化将积分器末端 用 Nyquist ADC 量化显著减少
逐次逼近转换末期用递减参考进行 SAR 操作对数级
算法式复用同一硬件,每步将量化误差减半 步

§III. 高阶增量型转换器

核心架构:以三阶 CIFF 结构为例(Fig. 4),所有存储元件在每次转换起始复位。

三个积分器的输出序列(时域推导):

由于环路稳定,,整理得到输入估计:

LSB 电压:

等效比特数 (ENOB):

推广到任意 阶 CIFF:

设计优化流程(迭代法确定最优 ):

  1. 选择最大允许输入 (二阶约 ,三阶约 )
  2. 设 由公式初估
  3. 仿真获取积分器最大摆幅,由此确定缩放系数
  4. 用新 更新
  5. 重复 2-3 次收敛

示例:三阶调制器(NTF 最大增益 1.5),16-bit 分辨率需 个周期。二阶则需 。

§IV. 数字滤波器设计

A. 级联积分器 (CoI) 滤波器

概念最简:直接实现时域三重求和公式。但权重函数非对称(前几个样本权重最大),因此:

  • 不能自动抑制工频干扰
  • 输入前馈路径确保前几个样本已包含有效信号信息

B. Dither 技术(本文核心创新之一)

问题:一阶 IADC + 高阶 CoI 滤波器时,零输入附近的量化误差异常大(“死区”问题)。原因:极小输入不触发比较器翻转,环路不工作。

解决方案:在量化器前注入 dither 信号,强制环路工作。

  • Dither 被 NTF 整形(高通滤波),对直流测量影响小
  • 零均值伪随机 dither(长度 )可完全消除附加误差
  • Dither 幅度约 0.3-0.6 LSB

效果:一阶 IADC + 二阶 CoI + dither → 相同周期数分辨率提升 3.5 bit (21 dB)!

  • 13-bit 分辨率:一阶 + 计数器需
  • 一阶 + 二阶 CoI + dither 仅需 量级

动态范围退化公式(dither 为 时):

(dither = 0.5 LSB)时仅退化 0.97 dB (0.16 bit)。

C. Sinc 滤波器

阶 sinc 滤波器传递函数:

零点位于 (),可设计第一零点抑制工频噪声:

设计手册:

  1. 选调制器阶数
  2. 定 sinc 滤波器阶数
  3. 迭代确定 ,增加至 的整数倍
  4. 令
  5. 仿真验证分辨率

关键对比:二阶调制器 + 三阶 sinc(),16-bit 需 ;仅二阶 sinc 需 (效率低);理想 CoI 需 (最高效但无工频抑制)。

D. 交错零点 (Staggered Zeros) 滤波器

标准 sinc 的工频抑制带宽窄。使用 Rotated Sinc (RS) 滤波器将零点在 附近展开:

当 略偏离 时,在 范围内提供 dB 抑制。

E. 高斯输入噪声分析

输入为 ( 为零均值高斯噪声)时,滤波器输出方差:

其中 为滤波器权重。对二阶 CoI:;三阶 CoI:。

因此 (二阶),说明高阶 IADC 能有效抑制输入噪声,但效率略低于简单平均的 。

§V. 电路级考虑

主题要点
环路设计使用标准 ΔΣ 方法,但 NTF 零点不应分散(IADC 要求最佳直流抑制)
低失真架构输入前馈路径直达量化器,积分器不处理输入信号,降低运放非线性影响
失调消除极性翻转双转换法:正常转换 + 反极性转换,两次输出相加以消除失调和不对称误差
电荷注入使用延迟浮动开关使注入信号独立
电容非线性20+ bit 分辨率时电容非线性成为瓶颈;可用反极性电容并联/串联一阶消除
多比特量化结合 DWA + dither,残余失配误差界:

§VI. 设计实例对比

一阶 IADC 对比(10-bit 分辨率):

滤波器所需周期 工频抑制备注
计数器1024✗面积最小
二阶 CoI512✗速度翻倍
二阶 CoI + dither~130✗最快,需 dither 硬件
三阶 Sinc~1100✓有工频抑制

高阶 IADC 对比(16-bit 分辨率):

结构周期 工频抑制
二阶 + CoI + 符号检测192✗
二阶 + 三阶 Sinc333✓
三阶 + CoI + 符号检测57✗
三阶 + 四阶 Sinc~80✓

跨来源对比

维度Márkus 2004 (本文)Pavan Ch.12
定位IADC 原始理论推导IADC 系统化教材综述
一阶理论完整推导含死区分析简述
高阶理论CIFF 时域三重求和 → ENOB 公式推广到任意拓扑
Dither原创:证明 dither 突破死区引用本文
滤波器CoI / Sinc / Staggered Zeros 完整设计级联累加器 + Lagrange 优化
电路级失调消除 / 电容非线性 / 多比特更全面的电路实现

关键公式速查

公式含义
阶 CIFF IADC 的 ENOB
三阶 IADC 的 LSB 电压
Dither 导致的动态范围退化
阶 Sinc 滤波器
多比特 IADC 中 DWA 残余失配误差

相关页面