[论文解读] Calibrating Control-Bounded ADCs

Hampus Malmberg, Till Mettler+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2022

Analog and Mixed-Signal Circuit Design被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对控制受限模数转换器（CBADCs）的数字滤波器校准方法，以缓解模拟前端元件参数变化导致的性能退化。通过使用递归最小二乘法（RLS）校准数字估计滤波器，该方法在跃迁式前端的行为级与晶体管级仿真中均恢复了接近标称性能，即使在未校准情况下SNDR仅为58.3 dB，校准后仍达到80.4 dB。

ABSTRACT

The paper considers the calibration of control-bounded analog-to-digital converters. It is demonstrated that variations of the analog frontend can be addressed by calibrating the digital estimation filter. In simulations (both behavioral and transistor level) of a leapfrog analog frontend, the proposed calibration method restores essentially the nominal performance. Moreover, with digital-filter calibration in mind, the paper reformulates the design problem of control-bounded converters and thereby clarifies the role of sampling, desired filter shape, and nominal conversion error.

研究动机与目标

• 解决CBADCs对模拟前端元件参数变化的敏感性问题。
• 证明数字估计滤波器校准可补偿此类参数变化。
• 重新表述控制受限转换器的设计问题，明确采样、滤波器形状与标称误差的作用。
• 通过行为级与晶体管级仿真验证校准方法。
• 表明校准可将模拟设计与数字估计解耦，实现稳健性能。

提出的方法

• 利用递归最小二乘法（RLS）校准数字估计滤波器系数hℓ，以最小化校准误差ec[k]。
• 校准目标是确定使估计信号传输函数与实际信号传输函数之间误差最小的滤波器系数hℓ。
• 使用参考信号s0[k] ∈ {±1}作为已知激励，以激发系统并实现对滤波器响应的估计。
• 该方法利用噪声传输函数（NTF）与信号传输函数（STF）之间的关系，通过脉冲响应˜gu(t)建立联系。
• 校准应用于控制信号sℓ[k]的离散时间卷积，通过调整hℓ来补偿gℓ(t)的参数变化。
• 该设计将CBADC重构为连续时间滤波器设计任务，其中采样由数字估计器强制实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 数字滤波器校准能否有效补偿CBADCs中模拟前端参数变化？
• RQ2 在元件失配存在的情况下，该校准方法对信噪失真比（SNDR）有何影响？
• RQ3 采样与参考信号s0[k]在实现数字估计器校准中起到何种作用？
• RQ4 与固定参考滤波器相比，所提出的校准方法在性能上表现如何？
• RQ5 在晶体管级实现中，校准能在多大程度上恢复标称性能？

主要发现

• 在跃迁式前端的行为级仿真中，校准后的数字滤波器将性能恢复至接近标称水平。
• 在晶体管级仿真中，校准滤波器实现了80.4 dB SNDR，而未校准滤波器仅为58.3 dB。
• 通过基于RLS的自适应方法，可使校准误差ec[k]任意小。
• 该方法成功补偿了元件参数变化，且无需进行模拟重调谐。
• 校准过程实现了模拟前端设计与数字估计的解耦，使性能在工艺角变化下依然稳健。
• 仿真结果证实，数字估计器可通过滤波器校准有效补偿模拟前端的参数变化。