Sukumaran 2014: Low Power Design Techniques for Single-Bit Audio CT ΔΣ ADCs Using FIR Feedback

来源: A. Sukumaran and Shanthi Pavan, “Low Power Design Techniques for Single-Bit Audio Continuous-Time Delta Sigma ADCs Using FIR Feedback,” IEEE JSSC, vol. 49, no. 11, pp. 2515-2526, Nov. 2014.

基本信息

项目内容
期刊IEEE JSSC (Journal of Solid-State Circuits)
年份2014
作者Amrith Sukumaran (IIT Madras), Shanthi Pavan (IIT Madras)
领域单比特 CT-ΔΣ + FIR DAC 音频 ADC 设计
工艺0.18 μm CMOS, 1.8V
DOI10.1109/JSSC.2014.2332885

论文定位

本文是单比特 CTDSM + FIR 反馈 DAC 架构的系统性设计论文,核心贡献包括:

  1. NTF 精确恢复方法的完整数学推导( 增大 + 补偿 FIR DAC )
  2. FIR 抽头数最优分析——证明超过某值后性能不再提升
  3. ISI 校正环路(SAR 均衡 NMOS/PMOS 开关电阻)
  4. Dither 注入方案消除 idle tone(25% 占空比方波, 基频)
  5. 完整芯片实现:调制器 + 抽取滤波器 + SPI 接口

与已有知识库的关系:

初学者提示:本文的核心价值在于回答一个关键问题——如何在单比特 CTDSM 中同时获得多比特的优势(低抖动敏感、低线性度要求)而不引入多比特的缺点(DAC 失配、DEM 复杂性、Flash ADC 功耗)。答案就是 FIR 反馈 DAC。


核心内容

§I. 引言——单比特 vs 多比特的设计困境

特性多比特 CTDSM单比特 CTDSM
量化器Flash ADC( 比较器)1 个比较器
DAC 线性度需要 DEM/校准固有线性
抖动敏感性低(步进小)高(rail-to-rail 跳变)
环路滤波器线性度要求低(步进小)要求高
OSR低(多电平降低量化噪声)高
时钟分布功耗高(多相位时钟)低

FIR DAC 的解决方案(Fig. 1):

  • 将单比特量化器输出通过 -tap FIR 滤波器再反馈
  • FIR 滤波器的高频衰减使 DAC 输出成为多电平波形(类似多比特)
  • 半数字实现(Fig. 1(b)): 个延迟单元 + 电阻 → 电阻失配仅改变 FIR 系数,不引入非线性
  • 结果:兼具单比特(简单量化器、固有线性)和多比特(低抖动敏感、低线性度要求)的优势

§II. 架构发展——NTF 精确恢复

A. 原型调制器(Fig. 2(a))

  • 三阶 CIFF-B 环路滤波器
  • OSR = 128, MHz,信号带宽 24 kHz
  • NTF:maximally flat,(Lee 准则)
  • NRZ DAC 脉冲形状

B. FIR DAC 替换后的补偿(Fig. 2(b))

将主反馈 DAC 替换为 -tap FIR DAC (所有抽头相同,DC 增益为 1):

FIR DAC 的低通特性降低了环路高频增益 → NTF 改变 → 需要补偿。

补偿方法:

  1. 增大 (第一路径系数):补偿 FIR DAC 对高频增益的衰减
  2. 添加补偿 FIR DAC :在第二积分器输入端注入补偿信号

完整推导(Eq. 3-13):

等式约束(环路增益相等):

低频极限():由第三阶路径主导 →

结果 a: 的确定(Eq. 10):

(对于等权重 FIR, —— 但这只是极端情况,实际上 但远小于 )

结果 b: 必须是 -tap FIR 滤波器(Eq. 13):

由 可整除 的性质(因为 ),推导出 是 阶 多项式 → -tap FIR。

关键洞察:补偿的直觉——FIR DAC 的低通特性减少了 和 路径的高频贡献。为了恢复环路增益:(1) 必须以频率相关方式增大;(2) 在第二积分器输入端注入额外的高频信号。

C. FIR 抽头数最优分析(Fig. 4)

常见误解:抽头数 越大越好(量化噪声被更好地滤波)。

实际情况:误差信号 的峰值幅度受两个冲突因素影响:

  1. 量化噪声分量:被 滤波 → 增大使此分量减小
  2. 输入信号分量: → 增大使 STF peaking 增加 → 此分量增大

超过某个 后,因素 2 主导 → 误差信号不再减小甚至增大。

结论(Fig. 4):

  • CIFB 结构:-12
  • CIFF-B 结构:(本文选择 12-tap)
  • 超过 只增加时钟分布功耗,不改善性能

D. 抖动性能对比(Fig. 5)

50 ps RMS 白抖动下的对比:

  • 单比特 NRZ DAC:严重退化
  • 单比特 + 12-tap FIR DAC:抖动噪声抑制 ~20 dB
  • 12-level 多比特(OSR=42):性能相同
  • 结论:单比特+FIR DAC = 多比特的抖动性能

E. RC 时间常数鲁棒性(Fig. 6)

RC 变化下,FIR-CTDSM 与传统 NRZ CTDSM 的 NTF 和 MSA 变化几乎相同 → FIR DAC 不增加 RC 敏感性。


§III. 电路设计

A. 调制器架构(Fig. 7)

  • Active-RC 积分器(低噪声、高线性度)
  • T-network 实现复零点(, , ):避免大电容
    • 等效电阻 ,利用共模检测电阻实现,无额外电阻
  • 路径:消除 的 DC 分量对第二积分器的影响
    • 原因: 的低频输出与输入信号成正比 → 第二积分器需要”吸收”此电流 → 需要大电容
    • 直接注入反相低频分量 → 避免第二积分器饱和

B. 运放设计(Fig. 9)

两级前馈补偿运放:

  • 第一级(-):电流复用输入级,低噪声
  • 第二级(-):增益级
  • 前馈路径(-):稳定补偿
  • FIR DAC 大幅降低了运放线性度要求 → 第二级可用低偏置电流

C. ISI 校正(Fig. 10)

问题:NMOS/PMOS 开关电阻不等 → DAC 上升/下降时间不对称 → ISI → 偶次失真

解决:

  • PMOS 开关实现为 3-bit 可调电阻阵列
  • SAR 环路比较 和 → 调整 PMOS 开关使电阻匹配
  • 校正频率 12 kHz,可关断省电
  • 效果:二次谐波从 ~-90 dB 降至噪声底以下

D. Dither 注入(Fig. 11)

Idle tone 问题:小 DC 输入产生 的带内音调

方案:注入 25% 占空比方波,基频 :

  • DC 分量 (推 idle tone 出带外)
  • 基频 远在带外 → 不影响带内噪声
  • 通过大电阻 转换为电流注入

E. 抽取滤波器(Fig. 12)

三级级联:

  1. 4 阶 32-tap CIC 滤波器(Hogenauer 结构):降采样 128× → 48 kHz
  2. 16 阶半带 FIR:降采样 2×
  3. 60 阶半带 FIR:降采样 2×
  • 总输出:20-bit, 48 kS/s
  • 功耗:100 μW

F. 单比特 vs 多比特功耗对比

模块单比特 + FIR DAC12-level 多比特
ADC(量化器)4 μW≥50 μW
DAC + DEM~20 μW~20 μW
环路滤波器较低(线性度要求低)较高(需要大摆幅运放)
总计280 μW估计 > 400 μW

§IV. 测量结果

性能指标数值
工艺0.18 μm CMOS
电源电压1.8 V
信号带宽24 kHz
采样率6.144 MHz
OSR128
有源面积1.25 mm² (含抽取滤波器)
峰值 SNR98.9 dB
峰值 A-weighted SNR102.3 dB
峰值 SNDR98.2 dB
SFDR106 dB
DR103 dB
调制器功耗280 μW
抽取滤波器功耗100 μW
FoM (Schreier)88 fJ/lvl (182.3 dB)

关键结果:

  • PSD at peak SNDR(Fig. 14(a)):三次谐波 ~-104 dBFS
  • 抽取滤波器输出(Fig. 14(b)):性能与原始比特流几乎一致
  • Idle tone 消除(Fig. 15):dither 成功消除空闲信道音调
  • ISI 校正效果(Fig. 16):二次谐波从 ~-90 dB 降至噪声底
  • SNR/SNDR vs 输入(Fig. 17):SNR 和 SNDR 几乎重合(高度线性)
  • 与同团队多比特设计对比:FoM 更优、SFDR 高 12 dB、SNDR 更高

与已有知识库的交叉引用

本文概念对应知识库页面关系
CIFF-B 拓扑CIFF与CRFF前馈环路滤波器拓扑三阶 CIFF-B 环路滤波器
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核心公式速查

公式含义
-tap FIR DAC 传递函数(等权重)
补偿后第三阶路径系数不变
补偿后第一阶路径系数增大(恢复高频增益)
为 -tap FIR补偿 DAC 必须是 -tap FIR
(CIFF-B, OSR=128)最优 FIR 抽头数
Dither: 25% duty cycle, 方波 dither 参数