Wang 2025 FILO-DWA 多比特 ΔΣ ADC 深度解析
基本信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 作者 | Xing Wang, Chaoyang Xing, Yi Zhong, Lu Jie, Nan Sun |
| 机构 | 清华大学电子工程系 |
| 期刊 | IEEE TCAS-II, Vol. 72, No. 5, May 2025 |
| DOI | 10.1109/TCSII.2025.3554617 |
| 类型 | Express Brief(短文) |
| 仿真平台 | 三阶 17 级 ΔΣ ADC,OSR = 32,DAC 失配 |
论文定位
初学者提示:多比特 ΔΣ ADC 的性能瓶颈通常是反馈 DAC 的元件失配。DWA(Data Weighted Averaging)是最常用的失配整形技术,但有两个固有缺陷。本文提出的 FILO-DWA 以接近 DWA 的硬件代价达到近似二阶 DEM 的性能。
DWA 的两大固有缺陷
- 整形能力不足:一阶失配整形对高精度 ADC(>16 bit)不够用
- 小信号谐波失真(kink):FIFO 选择模式下,失配误差与输入信号相关 → 产生输入频率的谐波 → SNDR 幅度扫描曲线出现”折角”(kink)
核心概念:FIFO vs FILO 选择模式
DWA 的 FIFO 选择模式
初学者提示:传统 DWA 用指针(pointer)+ 温度计码解码 + 桶形移位器实现。元素按固定顺序循环选择——先选的元素在下一轮还是先选(First-In-First-Out)。
- 优点:均匀分配 DAC 元素使用次数 → 一阶失配积分均匀分布 → 一阶失配整形
- 缺点:相同使用次数的元素,选择顺序固定(E1 永远优先于 E2)→ 失配误差与输入相关 → 谐波
二阶 VQ-Based DEM 的 FILO 选择模式
- 使用二阶数字积分器 + 排序网络
- 按二阶积分值排序选择 DAC 元素 → 二阶积分均匀分布 → 二阶失配整形
- FILO 模式:上一轮最先选的元素在下一轮最后选(First-In-Last-Out)
- 效果:消除谐波 + 更强的低频失配抑制
- 代价: 排序复杂度( 时门数 > 50× DWA)
关键洞察:FILO 模式的本质
二阶积分等效于低通滤波器,FILO 确保低通滤波后的 DEM 输出更均匀分布 → 带内线性度增强。
FILO-DWA 原理
架构
FILO-DWA 保留 DWA 的指针机制,但用**可变顺序寄存器(order register / rank block)**替代桶形移位器和温度计码解码器:
| 组件 | DWA | FILO-DWA |
|---|---|---|
| 指针 | ✓ | ✓ |
| 温度计码解码器 | ✓ | ✗ |
| 桶形移位器 | ✓ | ✗ |
| Rank 计算模块 | ✗ | ✓(每 DAC 一个) |
选择顺序更新规则
情况 1:指针未完成一轮()
- 本轮被选元素移到顺序数组最前面(rank 降低)
- 在它们之前的元素 rank 增加
- 效果:先选的元素在下一轮还是先选 → 类似 DWA 但保持 FILO 特性
情况 2:指针完成一轮()
- 上一轮被选元素移到未选元素前面
- 它们在下一轮将被立即选中
- 效果:先选的元素在下一轮最后选 → FILO 行为
DAC 输出逻辑
其中:
- :(指针是否完成一轮)
- :(rank 是否大于指针)
- :(rank 是否大于更新后指针)
Rank 更新规则
| 情况 | 含义 | Rank 更新 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 1 | 0 | 本轮被选 | |
| 2 | 0 | 0 | 0 | 本轮已选过 | |
| 3 | 0 | 1 | 1 | 本轮未选 | 不变 |
| 4 | 1 | 1 | 1 | 上轮被选 | |
| 5 | 1 | 0 | 1 | 当前未选 | |
| 6 | 1 | 0 | 0 | 新一轮被选 | 不变 |
性能对比
频谱性能(三阶 17 级 ΔΣ,OSR=32,)
| 输入幅度 | 指标 | DWA | FILO-DWA | 二阶 DEM |
|---|---|---|---|---|
| −1 dBFS | SNDR | 96.5 dB | 98.3 dB | 99.5 dB |
| −1 dBFS | SFDR | 99.3 dB | 103.3 dB | ~105 dB |
| −40 dBFS | SNDR | 49.4 dB | 59.9 dB | 60.9 dB |
| −40 dBFS | SFDR | 52.2 dB | 72.8 dB | ~75 dB |
关键结果:
- FILO-DWA 在 −40 dBFS 时 SNDR 提升 10.5 dB,SFDR 提升 20.6 dB
- 与二阶 DEM 仅差 ~1 dB
硬件复杂度对比
| DEM 方案 | 排序复杂度 | 门数() | 阶数 |
|---|---|---|---|
| DWA | 1× | 一阶 | |
| FILO-DWA | — | ~1.5× | 一阶(但效果近二阶) |
| 二阶 VQ-DEM | >50× | 二阶 |
核心优势:FILO-DWA 门数比二阶 VQ-DEM 少 10 倍以上,但性能几乎相同。
与其他一阶 DEM 方案对比
| 方案 | 消除 kink | 提升整形能力 | 硬件开销 |
|---|---|---|---|
| DWA | ✗ | ✗ | 基准 |
| Randomized DWA | 部分(噪声基底升高) | ✗ | 低 |
| Advanced DWA (ADWA) | ✓(引入随机性) | ✗ | 低 |
| Bi-Directional DWA | ✓ | 部分 | 中等 |
| IDWA + Offset | ✓(特定条件下) | ✗ | 中等 |
| FILO-DWA | ✓ | ✓ | 低 |
初学者提示:FILO-DWA 在所有已发表的一阶低成本 DEM 方案中,在所有输入幅度下都达到了最优 SNDR,且无 kink 现象。
电路实现细节
8 输出 FILO-DWA 结构
- 指针 :3-bit 寄存器,记录已用 DAC 元素
- 加法器:3-bit,
- Rank 计算模块(×8):
- 有限状态机 + 3-bit 寄存器
- 根据 和 更新
- 通过比较 、、 判断 DAC 是否被选中
关键设计特点
- 无需排序网络(DWA 的桶形移位器被 rank 比较替代)
- 无需二阶数字积分器
- 条件变量 的简单逻辑组合即可完成选择
- Rank 更新基于简单加减运算
与 ΔΣ 调制器设计的关系
FILO-DWA 作为 DWA 的高效替代方案,适用于所有需要多比特反馈 DAC 的 ΔΣ 调制器:
| 应用场景 | 参见页面 | 意义 |
|---|---|---|
| CT ΔΣ 调制器 | CT-ΔΣ调制器设计基础 | 多比特 DAC 失配整形 |
| I-ΔΣ ADC | Mokhtar 2022 DAC-Calibration-Free CT IADC 97dB SFDR 深度解析 | VBW 方案替代校准 |
| 高阶调制器 | Shi 2022 4th-Order CT DSM NS-SAR 深度解析 | NS-SAR 中的 DAC 线性化 |
交叉引用
| 概念 | 参见页面 |
|---|---|
| DWA 技术 | 数据加权平均(DWA)技术 |
| DEM 概述 | 动态元件匹配(DEM)技术 |
| 多比特 DAC 失配 | 多比特DAC失配与线性化 |
| 矢量量化器 DEM | VQ-Based DEM技术 |
公式速查表
| 公式 | 含义 |
|---|---|
| FILO-DWA 输出逻辑 | |
| 指针是否完成一轮 | |
| Rank 是否超过当前指针 | |
| Rank 是否超过更新后指针 | |
| 门数比 (FILO-DWA vs VQ-DEM, ) | 硬件复杂度优势 |
| SNDR 提升 +10.5 dB(−40 dBFS) | vs DWA |
| SFDR 提升 +20.6 dB(−40 dBFS) | vs DWA |