《用于高速 A/D 转换的连续时间 Delta-Sigma 调制器:理论、实践和基本性能限制(Continuous-Time Delta-Sigma Modulators for High-Speed

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日期:2021-10-21

delta-sigma调制器是一种过采样的单位模拟信号编码器,1960年由卡特勒申请了专利,1962年由伊鼻和安田在公开文献中进行了描述。直到20世纪80年代中期,特别是坎迪在1985年被广泛引用的关于双集成调制器的论文的发表,这些调制器才开始流行起来。从那时起,近15年后,delta-sigma调制器垄断了数字音频转换器(模数和数字对模)的市场,它们不仅被用于低分辨率而且也被用于更高分辨率的应用中,如仪器和地震仪中。
大多数调制器都是通过使用开关电容器等电路技术来实现的离散时间环路滤波器的,这可能是因为它很容易将调制器的数学原理映射到电路实现中。但是由于典型的离散时间实现中的settling-time时间的限制,最大时钟速率是有限的,并且由于delta-sigma电路必须被过度采样,只能建立具有相对狭窄的转换带宽(最高可达几百甚至上千赫兹)的高分辨率转换器。理想情况下,分辨率只能由调制器环路滤波器和过采样率决定;如果可以放宽时钟速率限制,从而增加时钟率,那么对于给定的过采样率和环路滤波器,可以建立具有更宽带宽的高分辨率转换器(变成兆赫兹)。
实现更高时钟速率的一种方法是利用诸如跨导(transconductors)和集分器等连续时间电路建立环路滤波器部分。在delta-sigma调制器中使用连续时间滤波器的想法并不是特别新:亚当斯1986年开创性的论文描述了delta-sigma音频编码器的最早的功能之一,它有一个由离散运算放大器、电阻器和电容器组成的连续时间环路滤波器。然而,自20世纪90年代中期以来,半导体工艺的速度已经提高到可以集成千兆赫兹的速度调制器。这种调制器特别吸引人的一个应用例子是蜂窝无线电:一个整个蜂窝无线电频带(数十兆赫)可以能在中频或射频域实现数字化,信号细节通过数字信号处理来整理和获得。
诺斯沃西、施赖尔和泰姆斯1997年IEEE出版社的优秀著作《德尔塔-西格玛数据转换器:理论、设计和模拟(Delta–Sigma Data Converters: Theory, Design, and Simulation)》讨论了离散时间调制器设计中的许多重要主题。我们试图使这本专著补充他们的书:在本书中我们详细讲解连续时间调制器的设计,特别强调高速调制器。我们的专著是为一般对快速过采样转换器感兴趣的工程师而准备的:我们涵盖了设计的理论方面(如离散到连续转换以及如何在模拟中测量调制器的性能),我们还提供了丰富的实际应用信息,如常见的连续时间调制器的非理想性,对已发表的高速调制器的讲解回顾,以及对制造的高速器件的详细测试结果。虽然我们希望我们的书能提供足够的细节,但我们毫不犹豫地推荐“三角塔-西格玛数据转换器(Delta–Sigma Data Converters)”作为额外补充的信息来源;我们将经常参考它。

本专著第一章介绍了调制器设计和理解中重要的初步材料。我们简要介绍了Delta–Sigma调制的关键概念,包括噪声成形(noise-shaping)、过采样和基本调制器的设计选择。我们简要地说明了连续时间调制器比离散时间调制器所具有的一些优点。此外,我们列出了重要的调制器性能度量,并给出了如何找到它们的明确说明,这是我们发现在其他地方很少或不完全完成的事情。最后,我们强调了围绕Delta–Sigma调制器的时域模拟的一些问题。

第二章介绍了连续时间Delta–Sigma调制器的设计。首先讨论了理想调制器的设计:解释了将离散滤波器传递函数映射到等效连续滤波器的脉冲不变变换,给出了多反馈带通调制器的结构,并给出了工作实例。说明了连续时间调制器的内置抗锯齿特性,并研究了不等反馈脉冲升降时间不等的影响。然后,我们解释了一些技术,可以用于设计和验证SPICE或任何其他计算机模拟程序中实际行为级或晶体管级调制器的滤波特性。

第三章探讨了连续时间调制器中的实际应用问题。我们回顾研究了关于离散时间调制器的非理想性的文献,并解释了这些是否以及如何应用于连续时间调制器。我们还列出了现有文献中重要的论文,并总结了高速连续时间调制器的性能。

第4章和以后的三章一起描述了高速调制器设计的一个具体方面:调制器反馈路径中的延迟,表示过量回路延迟。我们解释了为什么这种延迟会有问题,统一和扩展了该领域过去的工作,并为克服过度延迟的影响提出了具体的建议。

第五章探讨了时钟抖动的重要课题。我们表明,它在连续时间调制器中比离散时间调制器中的影响更严重,我们展示了白时钟抖动和抖动的集成压控振荡器的影响——后者对于任何以完全集成形式实现的调制器都是重要的。此外,我们深入研究了量化器亚稳态对调制器性能的影响:我们推导并验证了亚稳态量化器的行为模型,并利用其来研究亚稳态的严重性,并提出了降低其影响的方法。

第6章包含了高速四阶连续时带通调制器的显式设计程序,其中解释了参数选择并确定了权衡。

第7章描述了一种用于将超高频模拟信号转换为数字信号的人造硅戊铵调制器。我们给出了详细的电路模拟和测试结果,然后讨论了限制测量性能的问题,并给出了克服它们的技术。

最后,第8章总结了所介绍的工作。我们考虑了使用连续时间-西格玛调制器的高速模数转换的挑战和适当性,并列出了我们认为Delta-西格玛调制得到充分利用的一些应用。
这本书在很大程度上来自于第一作者的博士学位的论文集。我们做了大量的重组和重写,使语气更加非正式和有吸引力;我们希望材料本身保持可理解和指导意义。