Shi 2022: 4th-Order CT DSM With Single-OTA and 2nd-Order NS-SAR
来源: W. Shi et al., “A 3.7-mW 12.5-MHz 81-dB SNDR 4th-Order Continuous-Time DSM With Single-OTA and 2nd-Order Noise-Shaping SAR,” IEEE JSSC (OJ-SSCS), vol. 2, pp. 122-134, 2022.
基本信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 期刊 | IEEE JSSC (OJ-SSCS) |
| 年份 | 2022 |
| 作者 | Wei Shi, Jiaxin Liu, Abhishek Mukherjee, Nan Sun 等 (UT Austin / UESTC / 北京大学 / 清华大学) |
| 领域 | 混合 CT-DT 四阶 ΔΣ 调制器,单 OTA + 无源 NS-SAR |
| 工艺 | 40 nm LP CMOS |
| DOI | 10.1109/OJSSCS.2022.3212333 |
论文定位
本文提出将 二阶 CT SAB 环路滤波器 与 二阶无源噪声整形 SAR(NS-SAR) 组合,实现四阶噪声整形,仅需一个 OTA。
核心贡献:
- 单 OTA 实现四阶整形:SAB(single-amplifier-biquad)提供二阶 CT 整形 + 无源 NS-SAR 提供二阶 DT 整形
- 电荷域 ELD 补偿:在 NS-SAR 的 CDAC 中嵌入前馈 + 反馈路径,零额外 OTA 开销
- PVT 鲁棒性:DT NS-SAR 的 NTF 由电容比和晶体管尺寸比决定,不受 RC 变化影响
- 性能:3.7 mW,12.5 MHz 带宽,81 dB SNDR,Schreier FoM 176 dB
初学者提示:本文的核心思路是”CT 做 CT 擅长的事(反混叠、低 settling 需求),DT 做 DT 擅长的事(PVT 鲁棒的 NTF)“。NS-SAR 是近年来新兴的量化器架构,利用电容电荷共享实现积分,无需 OTA。
逐节深度解析
Section I: Introduction — 高阶 CT DSM 的挑战
三大挑战:
- RC 变化敏感:环路滤波器系数依赖 RC 乘积 → 需调谐电路
- 多 OTA 级联:传统四阶需 4 个 OTA → 相位偏移 → 不稳定
- ELD 补偿代价高:高阶设计中 ELD 补偿需额外 DAC + 增大 OTA 带宽
现有方案局限:
| 方案 | 特点 | 局限 |
|---|---|---|
| Gm-C/VCO 积分器 | 低功耗 | 线性度受限 |
| SAB | 单 OTA 实现二阶 | 环路滤波器鲁棒性差 |
| RC 前端 + DT 后端 | 精确 NTF | DT 滤波器仍需 OTA |
| RC + 1阶 NS-SAR | 三阶整形 | NS-SAR 噪声被一阶 CT 放大 |
Section II: 混合 DSM 架构
架构(Fig.1)
- 前端:二阶 CT SAB 环路滤波器(单 OTA,交叉耦合 R₁/C₁)
- 后端:二阶无源 NS-SAR 量化器(4-bit,multi-input comparator)
- 反馈:4-bit RDAC
系数灵敏度分析(Fig.3)
传统四阶 CT DSM:系数变化 >+8% 即不稳定
本文混合 DSM:
- 系数变化 <+15% 仍稳定
- 系数变化 -30% 时 SQNR > 80 dB
- 原因:DT NS-SAR 的 NTF 由电容比/晶体管比决定 → PVT 免疫
PVT 仿真:
- 5 个工艺角 + -25°C~85°C:SQNR 82-92 dB
- 5 个工艺角 + 1.15V~1.3V:SQNR > 81 dB
有限 UGB 效应
SAB 传递函数(理想):
考虑有限 UGB 后:
OTA 带宽选择: 即可(vs 传统四阶需 )
Section III: 电荷域 ELD 补偿
ELD 补偿回顾
| 方法 | 代价 | 问题 |
|---|---|---|
| 直接反馈 DAC | 额外 DAC + 环路摆幅增大 | 需 DR scaling → 噪声放大 |
| 残余 ELD 补偿 | 电流域实现 | 受 OTA 有限 UGB 影响 |
| VCO 相位域 | 功耗 ~1.5× 环路滤波器 | 不实用 |
本文方案(Fig.7)
核心创新:在 NS-SAR 的 CDAC 中实现电荷域 ELD 补偿
实现方式:
- 反馈路径: 连接到 底板
- 前馈路径:SAB 输出 采样到 顶板
- 采样后底板复位到 → 同时实现反馈和前馈
- 无需额外 DAC,无需 DR scaling
优势:
- 被动电容操作 → 零额外 OTA 负担
- 额外电路极少(仅 )
- 采样误差被前端 SAB 二阶整形
低阶 CT 整形的 ELD 优势(Fig.8):
- 二阶 SAB 补偿 ELD 所需 UGB 增加远小于四阶
- 高频 设计中优势更显著
前馈路径与 STF
- 前馈路径导致 10 dB STF 峰值
- NTF₂ 在 整数倍处产生陷波 → 保持反混叠特性
Section IV: 电路实现
SAB 参数: kΩ, kΩ, kΩ, pF, pF
OTA:两级前馈补偿,电流复用,2 mW(占总功耗 54%),BW = MHz
NS-SAR:4-bit,多输入比较器(三对输入宽度比 1:3:12),二阶 NTF
- 4-bit SAR 转换 + 2 个积分相位
- 时序等效于标准 5-bit SAR → 有效 8-bit 分辨率(OSR=20)
RDAC:4-bit,无 DEM(离线校准处理失配 + ISI)
Section V: 测量结果
| 指标 | 值 |
|---|---|
| 工艺 | 40 nm LP CMOS |
| 面积 | 0.057 mm² |
| 采样率 | 500 MHz |
| 带宽 | 12.5 MHz (OSR=20) |
| SNDR | 80.9 dB |
| SNR | 81.7 dB |
| SFDR | 89.3 dB |
| DR | 82.2 dB |
| 功耗 | 3.7 mW |
| Schreier FoM | 176.1 dB |
| IMD3(双音测试) | -81.3 dB |
功耗分布:OTA 2 mW (54%) / NS-SAR 0.85 mW (23%) / RDAC 0.52 mW (14%) / 数字 0.33 mW (9%)
噪声分布:输入电阻+RDAC 25% / OTA 38% / 量化噪声 31% / kT/C 0.5% / 比较器 2%
与已有技术对比(Table 1)
| 设计 | 阶数 | OTA 数 | BW | SNDR | FoM_S |
|---|---|---|---|---|---|
| 本文 | 4th | 1 | 12.5 MHz | 80.9 dB | 176.1 dB |
| Ho 2015 | 4th | 4 | 2.2 MHz | 90.4 dB | 173 dB |
| Wang 2020 | 4th | 4 | 100 MHz | 72.6 dB | 162 dB |
| Wu 2016 | 3rd+coupling | 4 | 45 MHz | 75.3 dB | 163 dB |
| Liu 2019 | 3rd | 1 | 2 MHz | 76 dB | 174.3 dB |
交叉引用表
| 本文概念 | Wiki 页面 |
|---|---|
| CT-ΔΣ 调制器 | CT-ΔΣ调制 |
| ELD 补偿 | CT-ΔΣ过量延迟分析与补偿 |
| CIFF/CIFF-B 拓扑 | CIFF与CRFF前馈环路滤波器拓扑 |
| 高阶调制器稳定性 | 高阶ΔΣ调制器稳定性与MSA |
| 环路滤波器拓扑 | CT-ΔΣ环路滤波器拓扑与建模方法 |
| 比较器设计 | CT-ΔΣ比较器与反馈DAC设计 |
| 失调消除/NS-SAR | 失调消除技术 |
公式速查表
| 公式 | 含义 |
|---|---|
| SAB 理想传递函数 | |
| 含前馈的信号传递函数 | |
| SAB 系数 | |
| SAB 系数 | |
| SAB 共轭极点 | |
| SAB 阻尼(设为 0) |