CN103391101A

CN103391101A - 基于充放电结构的单脉冲时域放大器

Info

Publication number: CN103391101A
Application number: CN2013103229554A
Authority: CN
Inventors: 王小松; 张海英
Original assignee: Jiangsu IoT Research and Development Center
Current assignee: Jiangsu IoT Research and Development Center
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明涉及一种基于充放电结构的单脉冲时域放大器，其特征是：包括充电电流源、放电电流源、充电开关、放电开关、电容和比较器；所述比较器的同相输入端分别与电容的一端、充电开关的一端和放电开关的一端连接，比较器的反相输入端接地；所述电容的另一端接地；所述充电开关的另一端与充电电流源连接，放电开关的另一端与放电电流源的一端连接，放电电流源的另一端接地。所述充电电流源的电流是放电电流源电流的N倍。当输入信号为高电平时充电开关导通，输入信号为低电平时放电开关导通。当所述电容的电势大于0伏时，比较器输出高电平；当电容的电势等于0伏时，比较器输出低电平。本发明可以实现线性、精确和可动态设定的时间放大增益值。

Description

基于充放电结构的单脉冲时域放大器

技术领域

本发明涉及一种适用于时间-数字转换器（TDC）的时域放大器，尤其是一种基于充放电结构的单脉冲时域放大器。

背景技术

模拟、混合信号电路的数字化趋势（如：全数字锁相环ADPLL和时域模数转换器ADC）使得时域至数字域转换器（TDC）变得越来越重要。在ADPLL中，TDC和数字环路滤波器（DLF）已经取代了传统的模拟电路（电荷泵和环路滤波器）；在时域模数转换器ADC中，电压至时域转换器（V2T）和TDC则取代了电压域比较器。

由于这些电路大部分基于数字技术实现，所以随着CMOS工艺技术的进步，它们的性能能够得以提高。然而，由于缺少高精度、高速率的TDC，这些电路的性能没有像预期那样得到很大提高。因此，提高TDC的精度和速度成为当今学术界和工业界的热点之一。

目前，为了获得高精度、高速率TDC，其普遍的解决方法是采用时域放大器。类似于电压域放大器能将小的电压差放大为大的电压差，时域放大器能将小的时间差放大为大的时间差。所以，时域放大器可以用来改善TDC的精度和转换率，就像电压域放大器在高精度ADC中的应用一样。

为此，有研究者提出了不同类型的时域放大器。在文献[Time difference amplifier]和[A 9b, 1.25ps resolution coarse-fine time-to-digital converter in 90nm CMOS that amplifies a time residue]中，时域放大器通过采用输入时变延迟的SR锁存器来实现。如图1所示，SR锁存器工作于亚稳态区，但是其缺点是：①这种时域放大器的增益不可预测且不精确；②由于其亚稳态特性，所以需要校正；③输入线性范围非常小，增益不可变。

文献[A 1.25ps resolution 8b cyclic TDC in 0.13μm CMOS]提出了一种不同的亚稳态时域放大器，如图2所示。虽然该电路也采用类似于图1所示的交叉耦合结构，但是其增益相对易于控制，因为其增益通过设置两条放电路径间的不同放电量来决定，增益大约为2，由于是交差耦合结构，该电路仍然存在增益不精确性和输入线性范围不足的问题，所以也需要校正。

文献[A 128-channel,9ps column-parallel two-stage TDC based on time difference amplification for time-resolved imaging]提出了另外一种时域放大器，如图3所示，其有别于前面两种时域放大器。通过采用交叉耦合延迟单元链及它们传输时间的不同，来获得时间的放大。但是这种结构也存在着非线性增益和需要DLL来校正的问题，同时，增益不可变。

为了在宽的输入范围内获得线性、精确和可变的增益，文献[A 7bit,3.75ps resolution two-step time-to-digital converter in 65nm CMOS using pulse-train time amplifier]提出了一种脉冲序列时域放大器，如图4所示。这种结构的基本思想是将N个相同脉冲（脉冲宽度为Tin）构成的序列等价于一个宽的脉冲，这个宽脉冲的脉冲宽度为N×Tin。脉冲序列与宽脉冲具有相同的总脉冲宽度，因此通过这一概念，可实现Tin脉冲宽度放大为N×Tin的脉冲宽度。但是，这种时域放大器结构为了避免脉冲序列中脉冲间的重叠，其需要足够长的延迟时间，因此这会导致TDC转换速率的降低。

鉴于以上背景，需要提出一种能够满足在宽的输入范围内可获得线性、精确和可变的增益、且能提高其应用的TDC转换速率的时域放大器结构。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于充放电结构的单脉冲时域放大器，该时域放大器提供增益是线性、精确和可动态设定、改变的。

按照本发明提供的技术方案，一种基于充放电结构的单脉冲时域放大器，其特征是：包括充电电流源、放电电流源、充电开关、放电开关、电容和比较器；所述比较器的同相输入端分别与电容的一端、充电开关的一端和放电开关的一端连接，比较器的反相输入端接地；所述电容的另一端接地；所述充电开关的另一端与充电电流源连接，放电开关的另一端与放电电流源的一端连接，放电电流源的另一端接地。

所述充电电流源的电流是放电电流源电流的N倍，N为整数。

当输入信号为高电平时充电开关导通，输入信号为低电平时放电开关导通。

当所述电容的电势大于0伏时，比较器输出高电平；当电容的电势等于0伏时，比较器输出低电平。

本发明所述基于充放电结构的单脉冲时域放大器可以实现线性、精确和可动态设定的时间放大增益值；其应用在TDC中，可使得TDC的转换速率获得提高。

附图说明

图1为现有技术中基于SR锁存器的时域放大器的示意图。

图2为现有技术中亚稳态特性的时域放大器的示意图。

图3为现有技术中基于交叉耦合延迟单元链的时域放大器的示意图。

图4为现有技术中的脉冲序列时域放大器的示意图。

图5为本发明所述的时域放大器的示意图。

图6为本发明所述时域放大器的工作时序图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图5所示：所述基于充放电结构的单脉冲时域放大器包括充电电流源601、放电电流源604、充电开关602、放电开关603、电容605和比较器606；所述比较器606的同相输入端分别与电容605的一端、充电开关602的一端和放电开关603的一端连接，比较器606的反相输入端接地；所述电容605的另一端接地；所述充电开关602的另一端与充电电流源601连接，放电开关603的另一端与放电电流源604的一端连接，放电电流源604的另一端接地；其中，所述充电电流源601的电流是放电电流源604电流的N倍，N为整数；

当所述电容605存储电荷（电势大于0伏）时，比较器606输出高电平；当电容605不存在电荷（电势等于0伏时），比较器606输出低电平；

所述充电开关602由输入信号in的同相信号控制，放电开关603由输入信号in的反相信号控制，即充电开关602导通时，放电开关603断开，反之亦然；当输入信号in为高电平时充电开关602导通，输入信号in为低电平时放电开关603导通。

具体工作过程为：当充电开关602导通时，充电电流源601对电容605进行充电，电容605电势由0伏升高至Vc伏（当充电电流一定时，Vc的大小由充电时间决定）；此时比较器606输出高电平；当放电开关603导通时，放电电流源604对电容605放电，电容605电势由Vc伏降为0伏时，比较器606输出由高电平变为低电平。由于充电电流是放电电流的N倍，根据公式Q（电量）=I（电流）×t（时间），在充电时间内，电容605的电势由0伏升高至电势Vc伏（Vc=N×I×Tin/C，其中C为电容605的电容值）；那么，电容605电势由Vc伏降至0伏的放电时间为（Vc×C/I）= N×Tin，即电容605由Vc伏降为0伏的放电时间是由0伏升高至Vc伏的充电时间的N倍。

因此，当输入脉冲宽度为Tin的单脉冲信号时，在Tin高电平期间，即从脉冲的上升沿开始，充电电流源601对电容605进行充电，比较器606输出高电平；当单脉冲信号的下降沿到来时，放电电流源604对电容605放电，比较器606输出高电平，直至电容电势降为0伏，比较器606输出低电平。工作时序如图6所示，实现脉冲宽度为Tin的单脉冲输入转换为脉冲宽度为Tout=（N+1）×Tin的单个宽脉冲输出，即实现了时间域上的放大，增益大小为（N+1），N为整数，可通过对充电电流值编程设定。

Claims

1.一种基于充放电结构的单脉冲时域放大器，其特征是：包括充电电流源（601）、放电电流源（604）、充电开关（602）、放电开关（603）、电容（605）和比较器（606）；所述比较器（606）的同相输入端分别与电容（605）的一端、充电开关（602）的一端和放电开关（603）的一端连接，比较器（606）的反相输入端接地；所述电容（605）的另一端接地；所述充电开关（602）的另一端与充电电流源（601）连接，放电开关（603）的另一端与放电电流源（604）的一端连接，放电电流源（604）的另一端接地。

2.如权利要求1所述的基于充放电结构的单脉冲时域放大器，其特征是：所述充电电流源（601）的电流是放电电流源（604）电流的N倍，N为整数。

3.如权利要求1所述的基于充放电结构的单脉冲时域放大器，其特征是：当输入信号为高电平时充电开关（602）导通，输入信号为低电平时放电开关（603）导通。

4.如权利要求1所述的基于充放电结构的单脉冲时域放大器，其特征是：当所述电容（605）的电势大于0伏时，比较器（606）输出高电平；当电容（605）的电势等于0伏时，比较器（606）输出低电平。