Pavan《Understanding Delta-Sigma Data Converters》Ch.11 带通与正交ΔΣ调制 深度解析

本章内容:阐述如何将 ΔΣ 转换器的噪声整形能力从基带扩展到中频/射频,涵盖带通 (Bandpass) 和正交 (Quadrature) 两种架构。核心内容包括 N-path 频率变换、谐振器电路实现、完整设计实例(65nm CMOS 可编程 ADC)、正交信号理论与多相处理。

衔接:Ch.1 (§1.7) 简介了带通 ΔΣ 的概念。Ch.2-4 建立的低通 NTF 综合与架构选择方法在本章的直接推广。 后续:Ch.13 (ΔΣ DAC) 和 Ch.14 (抽取/插值滤波器) 提供完整系统的数字部分。 附录:附录 B (ΔΣ 工具箱) 提供带通 NTF 综合的 MATLAB 代码支持,附录 C (LPTV 系统) 提供 N-path 变换的理论基础。


第 11 章目录结构

节号标题核心内容
11.1带通转换的需求 (The Need for Bandpass Conversion)5种接收机架构对比、频率交织
11.2系统概述 (System Overview)BP-ΔΣ 与 Q-ΔΣ 系统框图、OSR 定义
11.3带通 NTF (Bandpass NTFs)NTF 设计、MATLAB 综合、零极点优化
11.3.1N-Path 变换 (N-Path Transformation)z→-z², z→-z^m, z→e^{jθ}z 三种变换
11.4BP-ΔΣ 架构 (Architectures for BP-ΔΣ Modulators)拓扑选择、谐振器实现
11.4.1拓扑选择 (Topology Choices)反馈/前馈/混合拓扑、DAC 消除
11.4.2谐振器实现 (Resonator Implementations)LDI 环路、SC、Gm-C、有源 RC、LC 谐振器
11.5带通调制器设计实例 (Bandpass Modulator Example)65nm CMOS 可编程 ADC
11.5.1LNA共栅-共源噪声抵消 LNA
11.5.2衰减器 (Attenuator)集成可编程衰减器、噪声分析
11.5.3放大器 (Amplifiers)5阶前馈放大器 A1/A3
11.5.4测量结果 (Measurements)STF/NSD/SNR/FoM
11.6正交信号 (Quadrature Signals)基本原理、正交混频、正交滤波
11.6.1正交混频 (Quadrature Mixing)复数下变频、镜像抑制比 IRR
11.6.2正交滤波器 (Quadrature Filters)格型结构、失配影响、多相滤波
11.7正交调制 (Quadrature Modulation)复 NTF、失配影响、正交 DAC 实现
11.8多相信号处理 (Polyphase Signal Processing)三相处理、3LO 消除、三阶失真抵消
11.9结论 (Conclusions)BP-ΔΣ 优势总结

核心内容深度解析

11.1 带通转换的需求

五种接收机架构对比(Figure 11.1):

架构模拟复杂度ADC 要求I/Q 失配DC/1/f噪声灵活性
(a) 超外差高(多级混频/滤波)低无不敏感低
(b) 直接变频中(正交混频)中有敏感中
(c) BP-ADC @ 第一 IF中中高无不敏感高
(d) Q-ADC @ 第一 IF中中高部分不敏感高
(e) RF BP-ADC极低高无不敏感极高

关键洞察:

  • 带通 ADC 兼具超外差(对 DC/1/f 噪声不敏感)和直接变频(结构简单)的优点
  • RF BP-ADC 省去全部模拟下变频,支持快速跳频
  • 当前(2017)商业产品中心频率上限约 450 MHz [5],GHz 级产品即将面世

频率交织(Frequency-Interleaving, Figure 11.2):

  • 类比于时间交织 ADC 的宽带化思路:频率交织 使用多个 BP-ADC 覆盖不同频段
  • 失配影响不同:TI-ADC 失配产生杂散/噪声,FI-ADC 失配仅导致频率响应不平坦
  • 对接收机而言,线性度和无杂散动态范围远优先于传递函数平坦度,因此 FI 更具吸引力

11.2 系统概述

BP-ΔΣ ADC 系统(Figure 11.3):

  • IF/RF 输入 → BP-ΔΣ 调制器 → 数字正交混频器 → 抽取滤波器 → 复基带数据
  • OSR 定义与低通相同:(中心频率 不影响 OSR)
  • 输出数据率为 (复数),降采样因子最大为 (低通为 OSR)

Q-ΔΣ ADC 系统(Figure 11.4):

  • 正交信号输入 → Q-ΔΣ 调制器 → 数字正交混频 → 抽取滤波 → Nyquist 基带数据
  • Q-ΔΣ 的量化噪声阻带只需在正频率(或负频率)一侧,效率更高
  • Nyquist 频带为 ,总信息带宽为
  • OSR 定义不同:,因此 Q-ΔΣ 有显著的 SQNR 优势
  • 输出数据率为 ,抽取因子为 OSR

11.3 带通 NTF

NTF 设计要点:

  • 带通 NTF 在通带内有 个零点 负频率侧也有 个零点 阶调制器对应低通 阶
  • Lee 准则(|NTF|∞ < 2 或 < 1.5 条件)同样适用于二进制带通调制器
  • 零点优化同样有效

MATLAB 设计示例(使用 ΔΣ Toolbox):

% 创建带通 NTF
osr = 32;
f0 = 1/6;
ntf = synthesizeNTF(6, osr, 1, [], f0);
% CRFB 拓扑实现
form = 'CRFB';
[a, g, b, c] = realizeNTF(ntf, form);
% 单输入注入
b(1) = abs(b(1) + b(2)/c(1)*(1 - exp(-2i*pi*f0)));
b(2:end) = 0;
ABCD = stuffABCD(a, g, b, c, form);
% 仿真
M = 16; N = 2^15;
ftest = round((f0 + 0.25/osr)*N)/N;
u = undbv(-1)*M*sin(2*pi*ftest*(0:N-1));
v = simulateDSM(u, ABCD, M);

该示例展示了 6 阶 的 BP-ΔΣ,SQNR ≈ 102 dB @ OSR=32(Figure 11.7)。

11.3.1 N-Path 变换

N-path 变换是将低通原型映射为带通的核心技术,包含三种方法:

1. 变换(两路)(Figure 11.9-11.10):

  • 两路交替极性系统,复合传递函数
  • 低通 NTF( 个零点在 ) 带通 NTF( 个零点在 , 个在 )
  • 阶带通调制器的稳定性和 SNR 与低通 阶完全相同
  • 块级实现:每个延迟 z⁻¹ 替换为两个延迟 + 一个反相(Figure 11.11)

2. 变换(多路):

  • 推广到 路,传递函数
  • 零点搬移至 的整数倍

3. 变换(旋转):

  • 将低通 NTF 的零极点按 旋转至任意中心频率
  • 最灵活但电路实现最复杂

N-path 变换在失配整形中的应用(Figure 11.12):

  • 对失配整形逻辑同样适用,如 MTF (旋转方案,Figure 11.12(a))
  • MTF (两路交织,Figure 11.12(b))

11.4 BP-ΔΣ 架构

11.4.1 拓扑选择

基本拓扑(Figure 11.13):

  • 反馈拓扑:量化器输出反馈至每个积分器输入端(优点:STF 平坦)
  • 前馈拓扑:每个积分器输出前馈至量化器输入(优点:信号摆幅小)
  • 混合拓扑:两者结合

带通反馈拓扑(Figure 11.14-11.15):

  • 谐振器可从第一个或第二个积分器输出取信号
    • 第二个积分器输出:低通型传递函数
    • 第一个积分器输出:带通型 传递函数 (有 DC 零点,低通调制器不可用)

DAC 消除技术(Figure 11.16):

  • 添加前馈路径可消除一个反馈 DAC,对 NTF 无影响但 STF 改变
  • 可消除除最后一个外所有谐振器段的 DAC,节省近 50%

通用四参数耦合(Figure 11.17):

  • 谐振器间通过四个增益块 耦合,囊括所有拓扑变体

11.4.2 谐振器实现

谐振器是 BP-ΔΣ 与 LP-ΔΣ 实现的核心差异。谐振器 Q 值不足的退化效应类似于 LP-ΔΣ 中积分器有限 DC 增益的效应:均降低 SQNR 并增加空闲音倾向。SQNR 退化在 时显著,因此高 OSR 需要高 Q。

1. LDI 环路(SC 实现)(Figure 11.18):

  • 无损离散积分器(LDI)环路,特征方程:,
  • 极点 ( 时),位于单位圆()
  • 谐振频率:
  • 频率灵敏度:,随 增大而增加。@ (即 ),1% 电容变化仅产生 0.6% 的 变化——电容匹配远优于 1%,精度充足
  • 有限运放增益 下 ,易实现 (@ dB)

2. 两路 SC 谐振器(Figure 11.19-11.20):

  • 利用 2-path 变换,单运放 即可实现 谐振器(Figure 11.19)
  • 中心频率由拓扑决定而非电容比,电容误差不引起中心频率偏移
  • 镜像问题(Figure 11.19 的固有缺陷):
    • 路径失配(特别是 C 和 C’ 电容的失配)导致电路周期时变
    • 信号与 及其谐波混频, 混频产生产生镜像——信号关于 的频域反转副本
    • 的大幅度时钟泄漏到信号频带,产生带内音调
  • 改进型(Figure 11.20):C 和 C’ 仅用于电荷存储,电荷-电压转换由路径无关的 执行 隐藏时变性;且不使用 时钟,消除杂散产生机制

3. Gm-C 谐振器(Figure 11.21):

  • ,片上 和 容差 ,必须调谐
  • 自激调谐法:谐振器加少量正反馈变成振荡器 测量振荡频率 调节 (偏置电流)或 (电容阵列)
  • 离线校准:要求 随温度的漂移足够小,否则需连续调谐(缩放副本法)
  • Q 限制因素与缓解:
    限制因素物理机制缓解技术
    有限输出阻抗寄生电阻消耗能量级联(cascode)提升输出阻抗
    Gm 非零相移寄生极点引入相位延迟宽带 Gm(过设计)、电容串联小电阻补偿

4. 有源 RC 谐振器(Figure 11.22):

  • ,RC 容差 ,必须调谐
  • 调谐方法:
    • 调节 R:MOS 管连续调节(范围 )或电阻阵列(6-8 bit 数字控制)
    • 调节 C:电容阵列(最实用,)
    • 两者结合:粗调 R + 精调 C
  • 共振器变振荡器同样可行且无需副本模块,但仅能离线校准

5. LC 谐振器(Figure 11.23):

  • 三重优势:电感/电容无噪声(噪声优势不消耗功率)、高度线性、不消耗电压余度 最大化信号摆幅
  • 同时获得噪声、失真和功率三重优势,在电路设计中非常罕见
  • 缺点:
    • 片上电感仅几个 nH(>1 GHz 有效);低于 1 GHz 需外接电感
    • 外部电感容差()可通过片上电容阵列调谐补偿
    • 中心频率可编程范围有限(电感不可电调,< 1 倍频程)
    • 二阶系统需两个自由度控制

LC 谐振器的可控性/可观性问题(Figure 11.24-11.26):

  • 反馈拓扑需要电流 DAC(并联电容,实用)和电压 DAC(串联电感,低阻电压 DAC 会降低 Q)两类 DAC
  • 前馈拓扑需要感知电容电压(容易)和电感电流(困难,不降 Q 的情况下)
  • 三种解决方案:
    1. 前馈路径法(Figure 11.24):从前端 LC 到后端有源 RC 的第二个积分器添加前馈,创造两个自由度补偿 LC 缺失的两个自由度
    2. 多反馈 DAC 时序法(Figure 11.25):使用不同时序的 DAC 对,如 [0 0.5] + [0.5 1],恢复缺失自由度
    3. 小电容分压反馈(Figure 11.26):仅连接一小部分电容 到电压 DAC,,电压 DAC 输出阻抗 的影响被衰减 倍

11.5 完整带通调制器设计实例

本节以一个 65nm CMOS 可编程 ADC [1] 展示完整的带通调制器设计。

系统架构(Figure 11.27-11.28):

  • DC-1 GHz 输入、最高 100 MHz 带宽
  • 6 阶 CT 反馈拓扑、16 级量化、[1, 2] 反馈时序
  • 第一个谐振器为 LC,后两个为有源 RC
  • 高度可编程:DAC LSB、Flash ADC LSB、积分电容、跨导均 8-bit 控制
  • 支持 BP 模式(200-1000 MHz)和 LP 模式(DC-200 MHz)
  • 两组外部电感:43 nH (150-220 MHz) / 20 nH (220-380 MHz)

典型 NTF/STF(Figure 11.29):

  • 70 MHz 带宽、65 dB 量化噪声衰减、带外 NTF 增益 ~10 dB
  • STF 在 DC 处有零点(LC 谐振器的自然特性),低中心频率时 STF 平坦化较困难
  • ()时 STF 极宽且平坦,群延迟变化小

11.5.1 LNA(Figure 11.30-11.31)

  • 共栅 (CG) 晶体管提供 50Ω 匹配 + 可编程宽度共源 (CS) 晶体管提供 12 dB 增益范围
  • 噪声抵消原理(6 dB 增益设置):
    • CG 和 CS 跨导均为
    • CG 管的噪声电流一半流入 至地,经 CS 管取反后与正向路径抵消
    • 在 6 dB 增益设置下,CG 噪声表现为共模信号,被后级抑制
    • CS 管的噪声不被抵消——与标准噪声抵消电路不同

11.5.2 衰减器(Figure 11.32-11.33)

  • 利用共栅管的虚地特性实现宽带可编程衰减,噪声特性优于传统匹配衰减器
  • 噪声因子推导:
    • 导通分压比 ,从输入到输出的跨导为
    • 源电导 的噪声电流密度:
    • 噪声因子:(集成式)vs. (匹配式)
    • 12 dB 衰减时:NF = 11.5 dB(集成式)vs. 15 dB(匹配式)
    • 将更多信号链集成到 ADC 内可改善 NF-衰减的权衡

11.5.3 放大器(Figure 11.34-11.36)

  • A1 放大器(第一个有源 RC 谐振器,LP 模式):

    • 5 阶前馈补偿(Figure 11.34),1st-5th 阶路径平滑过渡
    • 从 DC 到 250 MHz 保持 60 dB 增益 → GBW = 250 GHz
    • 实际单位增益频率 6 GHz(得益于高阶滚降),相位裕度 75°
    • 功耗 100 mW(前端和后端各~50 mW)
  • A3 放大器(第二/三谐振器):

    • 7 阶前馈补偿,DC-1 GHz 保持 40 dB 增益
    • GBW ≈ 150 GHz,,相位裕度 64°
    • 1V 核心供电

11.5.4 测量结果(Figure 11.37-11.41, Table 11.1)

参数值
范围200-400 MHz(43 nH / 20 nH 两组电感)
2-4 GHz
全摆幅-4 至 +23 dBm
最大带宽100 MHz
NSD-157 dBFS/Hz @ 75 MHz BW、12 dB 衰减
电流消耗110 + 620 + 20 mA (2.5V/1.0V/2.5V)
总功耗~1 W(含数字滤波器)
工艺65nm CMOS

关键指标:

  • STF 变化 < 0.5 dB 跨 100 MHz(Figure 11.37)
  • NSD 最低 -161 dBFS/Hz(优化设置)
  • U 形带内 NSD 源自 LC 谐振器通带边缘增益降低
  • 单音 SNR = 72.4 dB @ 75 MHz BW(Figure 11.38),最大杂散 -103.1 dBc
  • 双音 IMD3 < -87 dBc → IIP3 ≈ 31 dBm(Figure 11.39)
  • 瞬时 DR = 80 dB,总 DR = 112 dB(LNA + 衰减器控制,Figure 11.40)
  • FoM = 159 dB(Figure 11.41,与同期 BP ADC 对比处于先进水平)

11.6 正交信号

正交信号 是两个实信号的复数组合,频谱不必关于 对称。

11.6.1 正交混频(Figure 11.42-11.43)

  • 正交下变频: 复基带信号
  • 输入 :
    • 输出包含 (有用)和 (可滤除)
  • 镜像抑制比 (IRR):对于小误差,
- 2% 幅度不平衡 (0.17 dB) 或 0.02 rad (1.1°) 相位误差 → IRR ≈ 40 dB - Figure 11.43 给出了精确的 IRR vs. 幅度/相位误差曲线 #### 11.6.2 正交滤波器(Figure 11.44-11.48) **格型实现**(Figure 11.44): - $H = H_R + jH_I$ 分解为两个实传递函数 - 输出:$V = (H_R U_I - H_I U_Q) + j(H_R U_Q + H_I U_I)$ - 四个实滤波器构成格型结构 **失配影响**(Figure 11.45, 式 11.11-11.13): - 通用双输入双输出实线性系统可表示为两个复滤波器:$H$(正常信号)和 $H_{\text{im}}$(共轭信号) - $H_{11} \neq H_{22}$ 和/或 $H_{12} \neq -H_{21}$ 导致镜像传递函数 $H_{\text{im}}$ - 镜像传递函数在正负频率间转移能量 **设计示例**: 1. **正交谐振器**(Figure 11.46):$H(s) = \omega_0/(s + j\omega_0)$ 仅需两个实积分器 2. **多相滤波器**(Figure 11.47-11.48): - 四路对称 RC 网络,采用**四分一电路**简化分析 - 传递函数 $H = (G + j\omega C)/(G + sC)$,在 $s = j\omega = jG/C$ 处有零点 - 用于从差分正弦波产生正交 LO 信号 - 级联多个多相滤波器可展宽频率范围 --- ### 11.7 正交调制 **复 NTF**(Figure 11.49-11.51): - 零极点分布不必关于实轴对称(与实调制器的本质区别) - 零点仅位于正频率通带内,SQNR ≈ 99 dB @ OSR=32(16 级量化) - 通过低通 NTF 零极点乘以 $e^{j2\pi f_0/f_s}$ 旋转得到 **路径失配影响**: - 0.1% 的路径失配(如第一正交谐振器反馈 DAC 满量程失配)足以使 SQNR 降低 > 6 dB - 通带量化噪声比镜像带噪声低 ~65 dB,0.1% 失配即反射足够噪声 - **两种对抗方法**: 1. 在 NTF 中增加镜像零极点:降低失配灵敏度但牺牲量化噪声抑制和稳定输入范围 2. 正交失配整形:仅适用于 DAC 失配 [15] **拓扑结构**(Figure 11.52-11.53): - 反馈/前馈/混合拓扑均适用于正交调制器 - 复数反馈系数可通过旋转(乘以 $e^{\pm j\theta}$)变为实数,简化 DAC 实现 - 镜像谐振器应**并行**而非级联放置(Figure 11.53),避免衰减带内信号,同时产生镜像带 STF 零点 **正交 DAC 实现**(Figure 11.54-11.55): - 方法一:两个独立实数 DAC(各元件固定分配给 I 或 Q 通道) - 方法二:**4 路切换** 电流 DAC(元件可贡献给 I 和 Q),信号幅度比方法一高 3 dB **高 Q 正交谐振器**(Figure 11.56): - 无源正交共振在自然界中不存在(不存在正交 LC 的等效物) - 但有源 RC 实现具有独特优势:使用普通跨导器即可实现高 Q - 分析(式 11.23-11.26):极点 $s = j\frac{G}{C(1+G/g_m)}$,**始终在虚轴上**(无限 Q),有限 $g_m$ 仅影响极点位置而非 Q --- ### 11.8 多相信号处理 **三相扩展**(Figure 11.57-11.58): - 正交 = 2 相,扩展到 $N=3$ 相:$z = a + qb + q^2c$,$q = e^{j2\pi/3}$ - **优势 1**:方波混频器中的 **3LO 项消除** - 三相非交叠 LO 的频谱不含镜像和 3LO 分量,射频滤波要求放松 - 基波幅度为总 LO 功率的 $3/\pi$(仅比总功率低 0.4 dB),正交方波混频有 1 dB 损失 - **优势 2**:**三阶失真抵消** - 非线性 $f(x) = 4x^3 - 3x$(三阶 Chebyshev 多项式)作用于三相正弦波 - 失真项:$a_3 = \cos(3\omega t)$, $b_3 = \cos(3\omega t + 3\phi)$, $c_3 = \cos(3\omega t - 3\phi)$ - $z_3 = a_3 + q b_3 + q^2 c_3 = (1+q+q^2)\cos(3\omega t) = 0$(因为 $1+q+q^2=0$) - 三阶失真表现为共模信号,被复信号合成抵消 - **局限性**:差项 ($2\omega_1 \pm \omega_2$) 不抵消,非失真万能解决方案 **六相谐振器**(Figure 11.58): - 可用于多相差分 BP-ΔΣ 调制器的环路滤波器 - 随着相数增加,面积开销与性能优势的权衡 --- ### 11.9 结论 BP-ΔΣ ADC 的优势总结: 1. **简化超外差接收机实现** 2. **完美的 I/Q 平衡**(单路 BP-ADC 不涉及 I/Q 分离) 3. **对 DC 失调和 1/f 噪声免疫** 4. **偶数阶失真产物落在带外** 5. **有望实现对 RF 信号的直接数字化而无需模拟混频** 关键技术进步:利用物理谐振(如 LC 谐振器)可实现高性能 BP-ADC,支撑频率达数百 MHz 的商用器件。正交 BP-ADC 尚处于研究阶段,尚未商业化。 --- ## 关键公式汇总 | 公式 | 说明 | |------|------| | $\text{OSR} = f_s/(2f_B)$ | BP-ΔΣ 的 OSR 定义(与 LP 相同) | | $\text{OSR}_Q = f_s/f_B$ | Q-ΔΣ 的 OSR 定义(LP 的两倍) | | $H(z) \to H(-z^2)$ | 2-path 变换 | | $H(z) \to H(-z^N)$ | N-path 变换 | | $H(z) \to H(e^{j\theta}z)$ | 旋转变换(任意中心频率) | | $\text{IRR} \approx 6/[10\log_{10}((\Delta A/A)^2 + (\Delta\phi)^2)]$ | 镜像抑制比 | | $H = (G + j\omega C)/(G + sC)$ | 多相滤波器传递函数 | | $s = jG/[C(1+G/g_m)]$ | 正交有源 RC 谐振器极点(无限 Q) | | $z = a + qb + q^2c,\ q = e^{j2\pi/3}$ | 三相复信号表示 | --- ## 参考文献 1. H. Shibata et al., "A DC-to-1 GHz tunable RF ΔΣ ADC achieving DR = 74 dB and BW =150 MHz at f0 = 450 MHz using 550 mW," *IEEE JSSC*, vol. 47, no. 12, pp. 2888–2897, Dec. 2012. 2. J. Harrison et al., "An LC bandpass ADC with 70 dB SNDR over 20MHz bandwidth using CMOS DACs," *ISSCC*, pp. 146–148, Feb. 2012. 3. J. Ryckaert et al., "A 2.4 GHz low-power sixth-order RF bandpass ΔΣ converter in CMOS," *IEEE JSSC*, vol. 44, no. 11, pp. 2873–2880, Nov. 2009. 4. L. Luh et al., "A 4 GHz 4th-order passive LC bandpass Delta-Sigma modulator with IF at 1.4 GHz," *VLSI Symp.*, pp. 168–169, Feb. 2006. 5. AD6676 Wideband IF receiver subsystem datasheet, Analog Devices, Nov. 2014. 6. A. Hairapetian, "An 81 MHz IF receiver in CMOS," *IEEE JSSC*, vol. 31, no. 12, pp. 1981–1986, Dec. 1996. 7. H. Khorramabadi and P. R. Gray, "High-frequency CMOS continuous-time filters," *IEEE JSSC*, vol. 19, pp. 939–948, Dec. 1984. 8. F. Krummenacher and N. Joehl, "A 4-MHz CMOS continuous-time filter with on-chip automatic tuning," *IEEE JSSC*, vol. 23, pp. 750–758, June 1988. 9. J. Van Engelen and R. Van De Plassche, *Bandpass sigma delta modulators*, Kluwer, 1999. 10. O. Shoaei and W. M. Snelgrove, "A multi-feedback design for LC bandpass delta-sigma modulators," *ISCAS*, vol. 1, pp. 171–174, May 1995. 11. F. Bruccoleri et al., "Wide-band CMOS low-noise amplifier exploiting thermal noise canceling," *IEEE JSSC*, vol. 39, pp. 275–282, Feb. 2004. 12. R. Bagheri et al., "An 800-MHz, 6-GHz software-defined wireless receiver in 90-nm CMOS," *IEEE JSSC*, vol. 41, no. 12, pp. 2860–2876, Dec. 2006. 13. B. Razavi, *RF Microelectronics*, Prentice-Hall, 1997. 14. R. Schreier, "Quadrature mismatch-shaping," *ISCAS*, vol. 4, pp. 675–678, May 2002. 15. K. Philips, "A 4.4 mW 76 dB complex ΔΣ ADC for Bluetooth receivers," *ISSCC*, pp. 64–65, Feb. 2003. 16. H. Chae et al., "A 12 mW low power continuous-time bandpass ΔΣ modulator with 58 dB SNDR and 24 MHz bandwidth at 200 MHz IF," *ISSCC*, pp. 148–149, Feb. 2012. 17. C. Y. Lu et al., "A sixth-order 200 MHz IF bandpass Sigma-Delta modulator with over 68 dB SNDR in 10 MHz bandwidth," *IEEE JSSC*, vol. 45, no. 6, pp. 1122–1136, Jun. 2010. --- --- ### 补充细节:正交格型滤波器与多相信号处理 > **G28 正交格型滤波器失配的精确 IRR 公式**(原书 §11.6.2, Fig 11.43): > - 精确 IRR 表达式:$\text{IRR} = \frac{|H_I + j H_Q|^2 + |H_I - j H_Q|^2}{|H_I + j H_Q|^2 - |H_I - j H_Q|^2}$,其中 $H_I, H_Q$ 为 I/Q 两路的实际传递函数(含失配)。 > - **小误差近似**($\Delta A/A \ll 1, \Delta\phi \ll 1$):$\text{IRR} \approx \frac{4}{(\Delta A/A)^2 + (\Delta\phi)^2}$,即 $\text{IRR}_{dB} \approx 6 - 10\log_{10}[ (\Delta A/A)^2 + (\Delta\phi)^2 ]$。 > - **3D 频率依赖**:实际 $\text{IRR}(f)$ 随频率增大而恶化,因为 $H_I, H_Q$ 的群延迟失配随频率线性积累。@ 1% 增益失配 + 1° 相位失配,带内 $\text{IRR}_{min} \approx -35$ dBc,带边恶化至 -28 dBc。 > **G29 多相信号处理的六相谐振器实现**(原书 §11.8, Fig 11.58): > - **六相谐振器电路结构**:6 个跨导器 $g_m$ 交叉连接,形成 $60^\circ$ 相位间隔的谐振网络。传递函数 $H(s) = g_m / (sC + g_m e^{j\pi/3})$,谐振频率 $\omega_0 = g_m/(C \cdot \tan(\pi/6))$。 > - **3LO 消除机制**:六相处理利用奇次谐波相消特性,$3^{rd}$ LO 谐波在六相求和节点反相对消($3 \times 60^\circ = 180^\circ$),无需额外滤波。 > - **三阶失真抵消**:跨导器的 $g_{m3}$ 非线性在六相平衡结构中被自然抵消($\cos^3(\omega t + n\pi/3)$ 的 $n=0\dots5$ 求和为零)。 > **G30 正交 DAC 的路切换与 3dB 信号幅度优势**(原书 §11.7, Fig 11.54-11.55): > - **两种实现方式**:(a)I/Q 独立 DAC 输出后求和——$V_{out}(t) = V_I(t) + j V_Q(t)$,需两组 DAC;(b)路切换 DAC——单组 DAC 在 I/Q 之间时分复用,$V_{out}[n] = a_I[n] + j a_Q[n]$ 映射到 4 种状态。 > - **3dB 优势**:路切换 DAC 的输出信号幅度为 $|V_{out}| = \sqrt{a_I^2 + a_Q^2}$,最大可达 $\sqrt{2}$ 倍单位元素幅度,较独立 I/Q DAC 的 $\max(|a_I|,|a_Q|)$ 提升 3dB。 > - **映射公式**:$V_{out,I} = (a_I + a_Q) - (b_I + b_Q)$,$V_{out,Q} = (a_I - a_Q) + (b_I - b_Q)$,其中 $a_I,b_I,a_Q,b_Q$ 为 DAC 单元的控制信号。 ## 相关概念页 - [[带通ΔΣ调制器]](现有概念页,约 168 行——本文件是其深度扩展) - [[ΔΣ调制器性能FoM]] - [[CT-ΔΣ调制]] - [[高阶ΔΣ调制器与NTF]] - [[Pavan ΔΣ 数据转换器 深度解析]]