Pavan ΔΣ数据转换器 附录C:LPTV系统 深度解析
附录C系统地介绍了线性周期时变(LPTV)系统的理论框架,从线性性与时不变性的基本概念出发,过渡到LTV系统,再聚焦到LPTV系统。核心结果是:以频率 变化且输出以相同频率采样的LPTV系统,在采样值意义上等效于一个LTI滤波器后接采样器。该结论为CT-ΔΣ调制器(尤其是使用时变环路滤波器如SC DAC的调制器)的STF和混叠抑制分析提供了严格的数学基础。
附录C目录结构
| 章节 | 内容 |
|---|---|
| C.1 | 线性性与时不变性 — LTI系统基础回顾 |
| C.2 | 线性时变系统 — LTV系统与双变量冲激响应 |
| C.3 | 线性周期时变系统 — LPTV、谐波传递函数、PAC分析 |
| C.4 | 带抽样的LPTV系统 — LTI等效性、伴随网络法、混叠抑制 |
C.1 线性性与时不变性
LTI系统基本性质
- 叠加原理:若 , ,则
- 时不变性:
- LTI系统由冲激响应 完全表征
卷积积分
复指数作为特征函数
其中 。即LTI系统的频率响应可理解为:
电路仿真
- .OP分析:确定直流工作点 → 小信号LTI网络
- .AC分析:在LTI网络上做频率扫描
C.2 线性时变系统
LTV系统的定义
- 满足叠加原理,但不满足时不变性
- 典型例子:时变增益
- 线性 ✓:
- 时不变 ✗:
LTV冲激响应
LTV系统由双变量冲激响应表征:
- 第一变量:观察时间
- 第二变量:冲激施加相对于观察时间的时间差
LTI vs LTV 对比
| 特性 | LTI | LTV |
|---|---|---|
| 冲激响应 | 仅依赖时间差 | 依赖观察时间与时间差 |
| 复指数响应 | (增益随时间变化) |
C.3 线性周期时变系统
LPTV系统的定义
LTV系统 + 周期性条件: 冲激响应满足:
关键性质
- 时变频率响应 以 为周期
- 可展开为傅里叶级数:
- 谐波传递函数 :
LPTV系统的频率响应
当输入为 时,输出为:
即:输入的单频 在输出端产生频率为 的无穷多个分量。
直接推论:
- 若输出包含频率 ,则该分量可能由输入在 处的频率贡献而来
- 反之,若输入为 ,则输出在 处出现
电路仿真
- .PSS分析:求周期稳态工作点
- .PAC分析(Periodic AC):在LPTV网络上做周期AC分析,得到 (即k次边带响应)
示例1:乘性LPTV系统
系统:,输入
输出:
谐波传递函数:,其余 为0。
CT-ΔΣ与LPTV的联系
CT-ΔΣ调制器本质上是LPTV系统(图C.8):
- 量化器采样相当于乘以Dirac delta脉冲串
- DAC脉冲整形构成周期时变反馈
- 系统以采样频率 周期变化,具有双输入( 和 )
C.4 带抽样的LPTV系统
核心结论
以频率 变化的LPTV系统,其输出以相同频率 采样时,在采样值意义上等价于一个LTI滤波器后接采样器。
等效LTI滤波器的频率响应为:
物理直观:输入频率 在LPTV输出中产生 的分量,以 采样时,所有高于 的分量混叠回基带。因此,各次谐波传递函数之和构成等效LTI响应。
时域法求
- 用 激励LPTV系统
- 采集采样输出序列
- 该序列即为
- 在 范围内扫描,即可重构完整的
伴随网络(Adjoint Network)法
伴随网络法可一次仿真确定 ,避免多次时域扫描。
伴随网络构建规则(表C.1):
| 原始网络 | 伴随网络 |
|---|---|
| 线性R、C、L | 保持不变 |
| 周期开关( 控制) | 开关由 控制 |
| CCCS() | VCVS(),端口交换 |
| VCCS() | VCCS(),端口交换 |
| 求和节点 | 分支点 |
| 分支点 | 求和节点 |
| 时变增益 | 时变增益 |
应用方法:
- 构建原LPTV网络的伴随网络
- 在伴随网络的”输出”端口施加冲激
- 观察伴随网络”输入”端口处的波形,即为
示例:CT-MOD1的STF
- CT-MOD1(1阶CT-ΔΣ,NRZ DAC)
- 伴随网络激励一次 → 为单位矩形脉冲
- STF() = ,与第8章结果一致
C.4.1 多输入系统
对于具有多个输入的LPTV系统,所有等效LTI滤波器的冲激响应可通过单次伴随网络分析同时获得(图C.18)。
噪声分析应用:
- 各独立噪声源通过各自等效LTI滤波器贡献到输出
- 输出自相关函数:
- 总输出PSD为各噪声源贡献之和
C.4.2 CT-ΔΣ混叠抑制的LPTV分析
背景:当CT-ΔΣ使用SC DAC等时变环路滤波器时,简单模型 不再成立。
分析方法(以CIFF CT-ΔΣ + SC DAC为例):
- 断开环路,用伴随网络法求等效LTI冲激响应
- 由两部分组成:
- 理想部分 :假设无SC DAC时的时不变响应
- SC DAC贡献部分:周期冲激序列,体现虚拟地节点的采样行为
- 频域结果:
- STF由 乘以NTF得到
关键发现:
- 对 频率,混叠分量显著
- SC DAC导致混叠抑制严重退化
- 结果与第10章的”平均”分析一致
这一分析揭示了为什么某些CT-ΔΣ拓扑(特别是含SC DAC的拓扑)的混叠抑制性能会显著低于理想情况,并为改进设计提供了理论指导。
关键公式
卷积积分(LTI)
LTV冲激响应
LPTV谐波传递函数展开
LPTV系统输出(复指数输入)
等效LTI滤波器(带抽样)
伴随网络互易原理
参考文献
- R. Schreier and B. Zhang, “Delta-sigma modulators employing continuous-time circuitry,” IEEE Trans. Circuits and Systems I, vol. 43, no. 4, pp. 324-332, April 1996.
- J. R. Westra, C. J. M. Verhoeven, and A. H. M. van Roermund, Oscillators and Oscillator Systems. Kluwer Academic Publishers, 1999.
补充细节:伴随网络法
G39 伴随网络法的电路构建示例(原书 Table C.1, Fig C.15-C.16):
器件转换规则(表 C.1):
原始器件 伴随器件 说明 电阻 电阻 不变 电容 电容 不变 独立电压源 短路 激励端口变测量端口 CCCS () VCVS () 电流控制→电压控制 VCVS () CCCS () 电压控制→电流控制 开关(周期) 开关(周期,反向时序) 采样/保持角色互换 CT-MOD1 伴随网络构建(Fig C.15 → C.16):
- 原网络:OTA-RC 积分器( 跨导器)→ 量化器(比较器)→ NRZ DAC → 反馈至输入端。
- 伴随网络: 跨导器 → 反向跨导器(输入/输出互换);比较器 → 理想脉冲电流源(注入 );NRZ DAC 开关 → 反向时序开关;输入电压源 → 短路(输出电压成为激励)。
- 通过分析伴随网络的脉冲响应,可直接得到 的闭式表达式,避免了时变系统的直接求解。