Pavan 2010: Systematic Design Centering of Continuous Time Oversampling Converters

来源: S. Pavan, “Systematic Design Centering of Continuous Time Oversampling Converters,” IEEE TCAS-II, vol. 57, no. 3, pp. 158-162, Mar. 2010.

基本信息

项目内容
期刊IEEE TCAS-II (Express Briefs)
年份2010
作者Shanthi Pavan (IIT Madras)
领域CT-ΔΣ 调制器环路滤波器系数设计
DOI10.1109/TCSII.2010.2041814

论文定位

本文解决了 CT-ΔΣ 调制器设计中的核心实际难题——当使用真实运放(有限增益、多余极点/零点)时,如何稳健地确定环路滤波器系数以实现目标 NTF。传统方法(开环拟合)在非理想运放下数值不稳定,本文提出闭环拟合方法,通过对 NTF 关系式 进行拟合来避免此问题。


核心内容

§I. 引言——问题定义

CT-ΔΣ 设计流程:

  1. 选择目标 NTF(如 )
  2. 计算离散时间环路滤波器:
  3. 利用脉冲不变变换(impulse invariance)+ DAC 脉冲形状 + 过量环路延迟 → 确定连续时间滤波器
  4. 确定系数

方法一:解析法——将 和 转换为 z 域等效表达式,然后解方程。

问题:代数运算繁琐,且对非理想运放(有限增益 → 极点不在 )无解。

方法二:数值法(开环拟合)——采样脉冲响应构造矩阵方程:

其中 是第 条路径的 个采样脉冲响应, 是目标 的脉冲响应。

问题:系数 随采样数 变化,设计者不知该用哪组系数!

初学者提示:这是一个看似简单但实际很棘手的问题。理想积分器的脉冲响应 (线性增长),但有限增益积分器的 。当 增大时,最小二乘法试图用更大的 来补偿这一误差,导致系数随 单调增长。


§II. 数值系数调优的问题

二阶 CIFF 调制器实例(, NTF=):

结果
5合理合理合理NTF 可接受
15偏大偏大偏大NTF 恶化
25过大过大过大NTF 灾难性恶化

根本原因: 对单位圆附近的极点位置极度敏感。有限增益使极点从 微移,但 变化巨大。


§III. 提出的方法——闭环拟合

核心创新:不拟合环路滤波器响应,而是拟合关系式:

时域形式:

代入 ,定义 :

为什么闭环拟合更稳健:

  • 中,NTF 的零点部分抵消了 在单位圆附近的极点
  • 理想运放时 是 FIR(零极点完全抵消)
  • 非理想时极点微移导致不完全抵消,但 变化很小
  • 而 对极点微移极度敏感

直观理解:开环拟合试图精确匹配一个缓慢增长(或缓慢衰减)的响应——微小极点偏差会导致巨大累积误差。闭环拟合利用了 NTF 零点来”压制”环路滤波器极点,使拟合对极点位置不敏感。

验证结果:

结果
51.2711.8201.181NTF 良好
151.2701.8191.180NTF 几乎相同
251.2701.8191.180NTF 几乎相同

系数几乎不随 变化!

带内行为分析:

  • 在低频 时,,,
  • 最小二乘解使 在低频逼近 1 → 有限增益积分器导致一阶行为(而非理想的二阶)
  • 运放增益降低 10× 后,带内 NTF 的一阶行为起始频率下移 10×

A. 讨论——极点灵敏度分析

环路滤波器极点 微移 对 NTF 极点 的影响:

由于 在 处解析, 的微小变化仅导致 的微小变化 → NTF 对环路滤波器极点微移不敏感。

但开环拟合的 对 极度敏感(理想时 ,有限增益时 ),导致系数 随 漂移。

B. 四阶带通 CTDSM 实例

目标 NTF = ,前馈补偿运放,谐振器有有限 Q。

  • 开环拟合(Eq. 7):系数随 剧烈变化, 时调制器不稳定(极点出单位圆)
  • 闭环拟合(Eq. 10):系数稳健,NTF 良好逼近

注意:带通实例中闭环拟合的系数变化比低通实例略大(因为环路滤波器有右半平面极点导致 ),但仍远优于开环拟合。


跨来源对比

维度Pavan 教材 (Ch.5)Schreier Toolbox本文 (2010)
设计方法脉冲不变+解析synthesizeNTF + realizeNTF闭环数值拟合
非理想运放需手动调整不直接支持自动处理
数值稳定性依赖解析良好优良(vs 开环极差)
过量延迟解析处理支持自动纳入

关键公式速查

公式含义
从 NTF 计算离散环路滤波器
开环拟合(不稳定)
闭环拟合(本文提出,稳健)
NTF 脉冲响应卷积积分器响应
$\Delta p_1 = \Delta z_1 / (1 - dL_1/dz_{p_1})$

初学者要点

  1. 核心问题:理想运放时开环/闭环拟合法都能工作;非理想运放时只有闭环法稳健
  2. 为什么开环拟合失败:积分器脉冲响应对极点位置极度敏感, 越大误差累积越严重
  3. 为什么闭环拟合成功:NTF 的零点部分抵消了环路滤波器极点,使卷积响应 对极点微移不敏感
  4. 实用建议: 即可,无需太大
  5. 带通注意:右半平面极点导致 增长,需确保环路滤波器极点在左半平面

关联页:CT-ΔΣ环路滤波器设计与NTF综合、Shanthi Pavan、Pavan ΔΣ 数据转换器 深度解析、CT-ΔΣ调制、非理想CT-ΔΣ调制器