Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

material1 / different / Chung-Yu Wu - Analog Circuit Design

.pdf
Скачиваний:
61
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
29 Мб
Скачать
☆

15-18 CHUNG-YU WU

 

 

Vo (s)

 

 

 

 

(

C1

)S

2 +(

G2

)S +

G1G3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H(S)=

 

=

 

 

 

 

CB

 

 

 

 

 

 

 

CB

 

 

 

CACB

V (s)

 

 

 

 

 

 

 

S

2

 

 

 

G1

 

 

 

G3G4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+(GB )S

+ CACB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Four-transistor integrators

 

 

 

 

 

Vdiff ≡Vpo-Vno

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

(Vpi

 

−Vni ) +

 

 

1

 

 

(Vni −Vpi )

srDS1c1

 

srDS 2c1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where rDS1=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

c

 

 

(

W

)

(V

 

−V

 

 

−V )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

ox

 

 

L 1

 

 

c1

 

 

 

x

 

t

 

 

 

rDS2=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

c

 

 

 

(

W

)

(V

 

−V

 

 

−V )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

ox

 

 

L

2

 

 

c2

 

 

 

x

 

t

 

 

All four transistors are matched

=>Vdiff= sr1 c (Vpi −Vni )

DS 1

where rDS=

 

 

 

1

 

 

 

 

u

c

 

(

W

)(V

 

−V

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

ox

 

L

c1

 

c2

 

16-1 CHUNG-YU WU

CH 16. Oversampling Data Converters

§16-1 Fundamental Concept

§16-1.1 Oversampling without noise shaping

1. Quantization noise modeling

 

e(n)

 

 

 

 

x(n)

y(n)

x(n)

+

y(n)

 

Quantizer

 

 

 

 

 

 

 

 

e(n) ≡ y(n) − x(n)

* e(n) can be approximated as an independent random variable uniformly

distributed between ± ∆ where

∆ is the difference between two adjacent

2

 

 

quantization levels, i.e. VLSB.

∆2

 

* The quantization noise power =

= P

 

12

e

 

 

* The quantization noise power is independent of the sampling frequency fs.

 

 

* The spectral density of e(n), Se(f) is white and all its power is within ±

fs

.

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Se(f)

 

 

fs

 

 

 

fs

 

 

2

 

 

 

 

 

=

 

2fs Kx 2 df

= Kx 2 fs

=

∆

 

 

 

 

2fs Se2 ( f )df

 

 

 

 

 

∫−

 

 

 

 

 

∫−

 

 

 

 

12

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

Height Kx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=>Kx=(

∆

)

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

fs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Oversampling Advantage

− fs

0

fs

2

 

2

H ( f )

f

 

 

1

 

x(n)

quantizer

y(n)

y2 (n)

 

 

 

 

 

H(f)

 

 

 

 

fo

N-bit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

filter

− fs

-f

f

fs

f

fs

 

 

 

 

 

2

o

o

2

 

 

 

 

Oversampling ratio OSR ≡ 2ffo

16-2 CHUNG-YU WU

Assume that the input signal is a sinusoidal wave between 0 and ∆2N. The signal power Ps is

Ps=(

 

N

2

 

2 N

∆2

2

)2 = ∆

2

 

 

2

 

8

 

With H(f), Ps remains the same since the signal's frequency content is below fo, but the quantization noise power Pe becomes

Pe= ∫−2fs

Se2 ( f ) H ( f ) df = ∫−fofo Kx 2 df = 2 fo

∆

=

∆

( 1 )

 

 

fs

 

 

 

2

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fs

12

 

12

 

OSR

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

OSR ↑×2 => Pe ↓

1

or -3dB, or 0.5 bits

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SNRmax=10log(

 

Ps

) =10log(3

22 N ) +10log(OSR)

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=6.02N+1.76+10log(OSR)

=>SNR enhancement obtained from oversampling: 10log(OSR). SNR improvement of 3 dB/octave or 0.5 bits/octave

3.The advantage of 1-bit D/A converter

*Oversampling improves the SNR, but it does not improve linearity.

*Theoretically, 1-bit converter with fo=25 KHz can obtain a 96-dB SNR(16 bits) if the sampling frequency fs=54,000 GHz!

*The advantage of a 1-bit DAC is that it is inherently linear.

Vout

always linear

 

0

1

Bin

§16-1.2 Oversampling with noise shaping

1. The system architecture of a ∆Σ oversampling ADC is shown in the next page

16-3 CHUNG-YU WU

Oversampling Delta-Sigma Analog-to-Digital Converters:

T

Analog Signal

Minimum

Anti-Aliasing

Filter

fs >> 2fo

Delta-Sigma

Delta-Sigma

A-to-D Converter

A-to-D Converter

(Modulator)

(Modulator)

Analog

Delta-Sigma

Modulator

f0

1-bit stream

fs >> 2fo

2. Noise-shaped ∆Σ modulator

u(n)

 

X(n)

1-bit

y(n)

 

 

+

H(Z)

 

 

 

Quantizer

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

DAC

 

 

 

 

1-bit

 

 

Decimation Filter

DSP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DSP

 

.

Multi-Bit

Decimation

 

.

Decimation

 

.

Output

Chip

 

 

 

Chip

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 fo =

1

Nyquist

 

 

(OSR)T Rate PCM

 

Digital

OSR

 

 

Low-Pass

 

 

Filter

 

 

 

Down Sampler

 

 

 

 

e(n)

 

u(n)

H(Z)

X(n)

y(n)

+

+

 

-

 

 

 

 

 

DAC

 

 

 

1-bit

 

Two independent inputs: U(z) and E(z)

Signal Noise

Signal transfer function STF(z) ≡

Y (z)

=

 

H (z)

 

U (z)

1+ H (z)

 

 

 

 

 

 

 

 

Noise transfer function NTF(z) ≡

Y (z)

 

=

1

 

 

 

 

 

 

E(z)

1+ H (z)

 

 

 

 

 

 

 

 

=>Y(z)=STF(z)U(z)+NTF(z)E(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If

 

H (z)

 

→ ∞ for 0<f<fo =>

 

STF (z)

 

→1

 

and

 

NTF (z)

 

→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=> Quantization noise ↓ and signal unchanged. 3.First-order noise shaping:

16-4 CHUNG-YU WU

H(z)=

 

 

z−1

 

 

 

 

(Noniverting Forward-Euler SC integrator)

 

 

 

 

1− z −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=>STF(z)=

 

 

H (z)

= z −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ H (z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NTF(z)=

 

 

1

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

jωT j2πf/fs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

(1− z

 

)

 

z=e

 

 

=e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ H (z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-j2πf/fs

 

 

πf

 

×(2 j) ×(e

− jπ f

/ fs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NTF(f)=1-e

 

 

 

=sin( fs

)

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NTF ( f )

 

= 2sin(πf )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The quantization power noise power over 0 to fo is

 

 

 

 

Pe=

fo

 

Se2 ( f )

 

NTF ( f )

 

2 df

 

=

fo

(

∆2 )

 

1

 

[2sin(π f

)]2 df

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫− fo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫− fo

 

 

12

 

fs

 

 

 

fs

 

 

 

 

 

 

Since fo << fs, i.e. OSR>>1, sin(

πf

)

π f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fs

 

 

 

 

fs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=> Pe (∆2

)(π 2 )(

2 f )3 = ∆2π 2

(

1

 

 

)3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

3

 

fs

 

 

 

36

 

 

 

OSR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ps=

∆2

2

2N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ps

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

2 N

 

3

(OSR)

3

 

 

 

 

 

 

 

=> SNRmax=10 log(

 

 

 

 

) =10log(

 

2

 

 

) +10log[

 

 

]

 

8

 

 

 

 

Pe

 

2

 

 

π 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=> SNRmax=6.02N+1.76-5.17+30 log(OSR) Double OSR => SNRmax ↑ by 9dB or 1.5bits/octave

Without noise shaping: SNRmax ↑ by 3dB/ octave or 0.5bits/ octave.

Y=Z-1U+E(1-Z-1)

E

Block diagram:

U +

-

H (z) =

z−1

+

 

1− z−1

Y =UZ −1 + E(1−Z −1 )

 

 

 

 

 

 

 

 

16-5

 

SC implementation:

 

 

 

 

 

CHUNG-YU WU

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

2

 

 

 

 

C

 

 

Comparator

Latch

 

 

2

1

+

1

 

+

Y

 

_

 

_

(2)

U

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

phase 2

 

 

 

 

 

 

 

 

A′

 

H(Z)

 

 

Reset

 

. 5

 

 

 

Quantizer(1-bit ADC )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

C

 

 

1-bit DAC

 

-. 5

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

0. 5

 

 

 

 

 

2

 

 

 

Control signal

-1

Can be eliminated by connecting

-0 . 5

 

 

 

 

the node A Directly to the node A'.

 

 

 

 

First-order noise shaping with 2-bit ADC and 2-bit DAC

U

 

z−1

 

2-bit

Y

+

 

1 − z

−1

A / D

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-bit

 

 

 

 

 

D / A

 

 

 

0. 5

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

1

 

 

 

+

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. 5

 

 

-0. 5

+

 

0

 

 

 

 

.75

.25 -.25 -.75

 

 

 

 

 

 

 

 

-. 5

 

 

MUX

 

 

-1

 

 

 

 

 

Control line

16-6 CHUNG-YU WU

4. Second-order noise shaping

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H1

 

 

 

 

 

 

H2

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U +

+

 

 

 

 

 

1

 

 

+

+

 

 

z−1

 

 

Quantizer

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1− z−1

 

 

 

 

1− z−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DAC

 

 

 

STF(Z)=Z-1

 

 

 

 

 

 

 

NTF(Z)=(1-Z-1)2

 

 

 

Y=Z-1U+(1-Z-1)2E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NTF ( f )

 

=[2sin(

π f

)]2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=> Pe ∆2π4 (

1

 

)5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OSR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

60

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SNRmax=10log(

Ps

) =10log(

3 2N ) +10log(

5

) +10log(OSR)5

 

π 4

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=6.02N+1.76-12.9+50log(OSR)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OSR×2 => SNRmax↑ by 15dB/Octave or 2.5 bits/Octave

 

 

General formula of SNRmax with k-order noise shaping:

 

 

SNRmax=6.02N+1.7610log(

2k +1

) + (2k

+1) 10log(OSR)

 

 

π4

 

 

OSR×2=> SNRmax↑by 3(2k+1)dB/Octave or 0.5(2k+1)bits/Octave

Noise-shaping transfer functions:

 

NTF ( f )

Second-order

 

 

 

First-order

 

 

 

No noise shaping

 

 

 

 

f

0

f 0

f s

f s

 

 

2

 

The SC implementation of the second-order ∆Σ modulator is shown in the next page.

*Single-ended structure

*Can be converted into fully differential structure for better noise rejection and

16-7 CHUNG-YU WU

linearity.

* The capacitor and switches in the feedback path to OP2 can be reduced as shown on page 16-5.

SC implementation: Single-Ended type circuit diagram

 

 

 

 

 

 

C

 

 

V+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

Control

 

 

 

 

 

 

 

 

 

signal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V-

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1-bit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DAC

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

C

 

C

C

 

 

COMP-1

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

2

 

1

 

 

2

 

 

 

 

-OP1

 

 

-OP2

 

-

Latch

Y

 

 

 

 

 

1

 

 

1

1

+

1

2

+

+

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Preamplifier

 

 

 

 

 

 

 

 

Comparator as quantizer or 1-bit ADC

 

16-8 CHUNG-YU WU

§16-2 System Architecture of Oversampling ∆Σ ADC

1. Architecture

 

 

 

 

xsh (t)

xin (t)

xc

(t)

 

 

 

 

Anti-

 

 

 

 

Sample-

 

 

 

∆∑

 

 

 

aliasing

 

 

 

 

 

 

 

Mod

 

 

 

 

 

 

 

and-hold

 

f s

 

 

 

filter

 

 

 

 

 

 

xdsm (n)

xlp (n)

xs (n)

 

 

Digital

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

low-pass

 

 

 

 

OSR

 

 

f s

 

f s

 

 

filter

 

 

 

2 f 0

 

 

 

 

 

 

 

 

Decimation filter

2. Signals and spectra

Analog

Digital

 

 

 

 

X c (t)

 

xc ( f )

 

 

 

X sh (t)

 

 

 

 

 

 

 

t

f 0

 

 

f s

f

xdsm (n) = ±1.000000K

 

xsh ( f )

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

f 0

 

 

f s

3

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

12 4...

xdsm (ω)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x lp ( n )

 

2π(f

/f )

π

2π

ωTs

 

π/60

s

 

 

 

n

xlp (ω)

 

 

 

123.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωTs

 

 

π/6

 

π

2π

 

 

2π(f

/f ) =

 

xs (n)

 

0

s

OSR

OSR=6

 

 

 

 

 

 

xs (ω) 16-bit resolution in 16-bit ADC

3...

n

 

 

 

 

ω

12

 

π 2π 4π 6π

8π 10π 12π

T0

 

 

π

 

 

2π ωT s

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

* The decimation process does not result in any loss of information, since the bandwidth of the original signal was assumed to be fo. The spectral information is

spread over 0~

π

in Xep and 0~π in Xs.

 

6

 

16-9 CHUNG-YU WU

§16-3 System Architecture of Oversampling ∆Σ DAC

 

1. Architecture

 

 

 

 

 

 

xdsm (n)

 

 

 

 

 

 

 

 

xs (n)

xs2 (n)

xlp (n)

xda (t)

 

xc (t)

 

 

 

 

 

 

 

Interpolation

 

 

∆∑

 

 

1-bit

 

 

 

Analog

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OSR

 

 

(low-paaa)

 

 

Mod

 

 

D / A

 

 

 

low-pass

 

 

2 f 0

f s

f s

f s

 

 

 

 

 

 

filter

 

 

 

 

 

filter

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Digital Analog

OSR ≡ 2 f

()

 

2. Signals and spectra

 

 

xs (n) xs2 (n)

(2)

(3)

n

123...(1)

 

 

 

x lp ( n )

123.....

n

 

xdsm (n)

xda (t)

n,t

xs (ω)

π 2π 4π 6π 8π 10π 12π ωT0

xs2 (ω)

(2π f 0)

f s

ωTs

2π

xlp (ω)

ωTs

(2πf 0 )

f s

2π

xdsm (ω)

ωTs

(2πf 0 ) f s

2π

X c (t)

xda ( f )

 

 

 

f 0

 

f s

f

 

 

t

xc ( f )

 

 

 

Time

f 0

 

f s

f

Frequency

 

 

 

Соседние файлы в папке different