Pavan 2018: Improved Chopping in CT-ΔΣ Converters Using FIR Feedback and N-Path Techniques

来源: S. Pavan, “Improved Chopping in Continuous-Time Delta–Sigma Converters Using FIR Feedback and N-Path Techniques,” IEEE TCAS-II, vol. 65, no. 5, pp. 552-556, May 2018.

基本信息

项目内容
期刊IEEE TCAS-II (Express Briefs)
年份2018
作者Shanthi Pavan (IIT Madras)
领域CT-ΔΣ 调制器中斩波 + FIR 反馈 + N-Path 技术的组合
DOI10.1109/TCSII.2018.2820017

论文定位

本文提出将 N-Path 斩波与 FIR 反馈 DAC 相结合,使 CT-ΔΣ 调制器中 OTA 的斩波频率可以大幅降低至 ,同时避免单独使用任一技术时的局限性。

核心贡献:

  1. N-Path 斩波的 LPTV 系统分析:奇数 N 可产生 个唯一区间,等效将斩波频率提升 N 倍
  2. N-Path + FIR 组合:8-tap FIR + 9-path 斩波 = 等效 72-tap FIR DAC,但布局复杂度大幅降低
  3. DC 增益改善:N-Path 斩波使 OTA DC 增益提升 dB
  4. Monte Carlo 验证:10% 路径失配下最差 SNDR ~97 dB(vs 理论 106 dB)

初学者提示:本文是一篇精简的 Express Brief(仅 5 页),但涉及 LPTV 系统、N-Path 技术和 FIR DAC 三个核心概念的组合。建议先阅读 失调消除技术 和 CT-ΔΣ时钟抖动缓解与FIR反馈DAC 了解基础。


逐节深度解析

Section I: Introduction — 斩波在 CT-ΔΣ 中的挑战

斩波的必要性:CT-ΔΣ 调制器的输入积分器 OTA 中的 噪声是低带宽高精度设计的关键瓶颈。斩波(Chopping)是消除 噪声的高效手段。

斩波带来的问题:

  • 斩波使积分器变为 线性周期时变(LPTV)系统
  • 成形的量化噪声从 的整数倍频率处混叠到信号带内
  • 带外成形噪声功率远大于带内信号(差数十个数量级),即使少量混叠也会严重退化 SNDR

现有方案及其局限:

方案斩波频率优势劣势
高速斩波完全消除混叠OTA DC 增益↓、线性度↓、失调电流↑
FIR 反馈M-tap FIR 引入谱零点降低混叠增大 M → STF 峰值↑、面积↑
N-Path 斩波(本文)进一步降低 布局复杂、需精确时钟偏置

低速斩波的四大优势(论文原文列举):

  1. DC 增益退化更小:斩波使输出寄生电容 形成开关电容电阻 , 越低 → 越大 → DC 增益越高
  2. 沟道电荷失配更小:开关操作频率降低 → 注入的失调电流更小
  3. 50% 占空比更容易保证: 低 → 上升/下降时间占周期比例更小
  4. 毛刺更少:非线性电流激励更少 → 线性度退化更小

Section II: Chopping in CT-ΔΣMs — LPTV 系统分析

关键框图(Fig.1-2):

CT-ΔΣ 调制器输入积分器中,OTA 以 斩波。积分器处理 ,其中 的低频分量近似等于 ,因此积分器主要处理成形的量化噪声。

LPTV 混叠机制:

  • 斩波使积分器的二维冲激响应 具有周期
  • 成形噪声从 ( 为整数)频率处混叠到带内
  • 混叠增益由谐波传递函数 决定

FIR 反馈降低混叠(Fig.2):

  • M-tap 等系数 FIR DAC 在反馈波形 中引入谱零点于 的整数倍
  • 若选择 ,则混叠频率恰好落在 FIR 零点上
  • 例: → ,混叠信号被大幅衰减

FIR 的局限:进一步降低 必须增大 M,导致:

  • FIR DAC 面积增大
  • STF 出现峰值(peaking)
  • 布局复杂度急剧上升

Section III: LPTV Systems and N-Path Chopping — 核心理论

LPTV 系统基础

LPTV 系统由二维冲激响应 描述,其中 。

对复指数输入 的响应为:

其中 是时变增益,也是周期的:。

傅里叶级数展开:

谐波传递函数 量化了从输入频率 到输出频率 的增益。

初学者提示:LPTV 系统是理解斩波效应的关键数学工具。对于时不变系统,正弦输入只产生同频率正弦输出;但对于 LPTV 系统,输入频率 会产生 的谐波分量。

斩波积分器的特殊对称性

关键观察:Fig.1(b) 中的斩波积分器,虽然 的周期是 ,但实际上:

物理解释:在斩波周期的两个半周期中,电路对输入”看起来”是一样的(正负输入互换,但差分输出不变)。

频域推论:所有奇数次谐波传递函数为零。因此,成形噪声仅从 的整数倍处混叠到带内。

N-Path 斩波原理

结构(Fig.3):

  • 个 sub-OTA,每个以相同频率 斩波
  • 相邻 sub-OTA 的斩波时钟偏移
  • 所有 sub-OTA 的输出合并

奇数 N 的优势:

  • 当 N 为奇数时, 可被分为 个唯一区间(每段时长 )
  • 当 N 为偶数时,仅能分为 个唯一区间

数学推导(以 N=3 为例):

  • 每个子区间内电路”看起来完全相同”
  • 因此
  • 频域:仅 及其整数倍非零
  • 等效斩波频率提升至

偶数 N 的退化:

  • N 为偶数时仅有 个唯一区间
  • 等效斩波频率仅提升 倍
  • 因此论文后续均假设 N 为奇数

N-Path vs 单路径高频斩波对比

特性N-Path( 斩波 × N 路)单路径( 斩波)
等效混叠频率
总功耗相同(总 相同)相同
每次切换的寄生电容(仅 1/N)(全部)
DC 增益 更高基准
混叠噪声 更小基准
DC 增益改善 dB0 dB

物理解释:在 N-Path 设计中,每次斩波边沿仅切换 的总寄生电容。等效开关电容电阻 增大 倍 → DC 增益提升 倍。

仿真验证(Fig.5)

  • 9-Path OTA(各以 斩波)vs 单路径 OTA(以 斩波)
  • (DC 增益):9-Path 比单路径高 ~19 dB =
  • (混叠增益):低频几乎相同,高频 9-Path 低 19 dB
  • 解释:混叠由输入寄生 决定(电流注入),DC 增益由输出寄生 决定(开关电阻)

N-Path 的实际问题

  1. 布局挑战:OTA 需精确拆分为 N 个等份,对大 N 不可行
  2. 时钟布线:需 N 路不同相位的斩波时钟,时钟偏斜和寄生需严格控制
  3. 路径失配:各 sub-OTA 寄生电容失配导致非零 ( 非 N 的整数倍)

Monte Carlo 仿真(Fig.6):

  • 三阶单比特 CT-ΔΣ,32-Path 斩波
  • 寄生电容变化(非常保守)
  • MHz,,信号带宽 24 kHz
  • 理论 SNDR ~106 dB,最差 ~97 dB(仅下降 ~9 dB)
  • 估算: dB → SNDR ≈ 67 + 30.5 ≈ 97.5 dB

Section IV: FIR Feedback and N-Path Chopping — 组合技术

核心思想

单独使用 N-Path 或 FIR 反馈各有局限:

  • N-Path(大 N):布局极其复杂
  • FIR 反馈(大 M):STF 峰值 + 面积

组合方案(Fig.7):

  • N-Path 斩波输入积分器 + M-tap FIR 反馈 DAC
  • 斩波频率:
  • FIR 零点在 整数倍处,N-Path 将有效斩波频率提升至

设计实例:

  • 目标:
  • 传统方案 A:72-tap FIR DAC(单路径斩波)→ 面积巨大、STF 严重峰值
  • 传统方案 B:144-Path 斩波(无 FIR)→ 布局不可行
  • 本文方案:8-tap FIR + 9-Path 斩波 → ✓

仿真结果(Fig.8)

四组设计对比( MHz,信号带宽 24 kHz,OSR=128, kHz):

配置带内 SNDR说明
理想 CT-ΔΣ(无斩波)~107 dB参考上限
单路径斩波 ,无 FIR73 dB严重混叠
单路径斩波 + 8-tap FIR92 dBFIR 将步长缩小 8× → 混叠减 ~18 dB
9-Path 斩波 + 8-tap FIR(本文)~107 dB几乎恢复理想性能

初学者提示:这篇论文的核心启示是”两个各有局限的技术组合后,局限性互相抵消”。FIR 减少了需要的路径数 N,N-Path 减少了需要的 FIR 抽头数 M,实现 的效果。

Section V: Conclusion — 总结

  • N-Path 斩波:以低物理斩波频率实现高等效斩波频率
  • FIR 反馈:M-tap FIR 允许斩波频率降至
  • 组合:,继承两者优势,消除各自劣势
  • 仿真验证:8-tap FIR + 9-Path = 理想性能, 低至 42.67 kHz

关键参考文献

引用内容
[1] Welland 1991 速率斩波专利
[2] Billa 2016 ISSCCFIR 反馈 + 斩波,280μW 98.5dB SNDR
[3] Billa 2017 JSSC斩波 + FIR 反馈的完整分析与设计
[4] Pavan 2017 TCAS-I斩波积分器分析
[5] Jiang 2017 ISCASCT-ΔΣ 中的斩波技术
[6] Pavan/Schreier/Temes 2eΔΣ 数据转换器教材
[7] Zadeh 1950LPTV 系统频率分析经典论文
[9] Sukumaran 2014 JSSCFIR 反馈低功耗设计(Sukumaran 2014 Single-Bit FIR Feedback Audio CTDSM 深度解析)

交叉引用表

本文概念Wiki 页面
斩波技术基础失调消除技术
FIR 反馈 DACCT-ΔΣ时钟抖动缓解与FIR反馈DAC
CT-ΔΣ 调制器CT-ΔΣ调制
LPTV 系统理论本文新概念(见概念页)
N-Path 斩波本文新概念(见概念页)
16-bit 音频设计实例16-bit音频CT-ΔΣ调制器设计实例

公式速查表

公式含义
传统 FIR M-tap 允许的最小斩波频率
N-Path + FIR 组合允许的最小斩波频率
LPTV 系统时变增益傅里叶展开
LPTV 对复指数的响应
dBN-Path 斩波的 DC 增益改善
奇数 N 时的冲激响应周期( 个唯一区间)
失配导致的残余混叠误差估算