CN103401519A - 基于充放电比较单元的时域放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于充放电比较单元的时域放大器，其特征是：包括充放电比较单元、增益选择开关以及或门；所述增益选择开关并联连接，增益选择开关的输入端与输入信号、充放电比较单元的输出端一一对应连接；所述充放电比较单元包括比较器，比较器的同相输入端分别与第三开关和第四开关的一端连接，第四开关的另一端接地，第三开关的另一端分别与电容的一端、第一开关的一端和第二开关的一端连接，电容的另一端接地；所述第一开关的另一端与充电电流源的一端连接，第二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；所述或门的信号输入端分别与增益选择开关一一对应连接。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

基于充放电比较单元的时域放大器

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比较单元的时域放大器。

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比较单元的时域放大器，该时域放大器提供增益是线性、精确、可动态设定、可改变的。

按照本发明提供的技术方案，一种基于充放电比较单元的时域放大器，其特征是：包括n个充放电比较单元、与充放电比较单元和输入信号一一对应的增益选择开关以及或门，n为大于1的整数；所述充放电比较单元的输出端与后一个充放电比较单元的输入端连接，上一个充放电比较单元的输出信号为下一个充放电比较单元的输入信号；

所述增益选择开关并联连接，每个增益选择开关的输入端与输入信号、充放电比较单元的输出端一一对应连接； 

所述充放电比较单元包括充电电流源、放电电流源、电容、比较器、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，比较器的同相输入端分别与第三开关和第四开关的一端连接，比较器的反相输入端接地，比较器的输出端与下一个充放电比较单元的输入端连接；所述第四开关的另一端接地，第三开关的另一端分别与电容的一端、第一开关的一端和第二开关的一端连接，电容的另一端接地；所述第一开关的另一端与充电电流源的一端连接，第二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；

所述或门包括n个信号输入端和一个信号输出端，信号输入端分别与增益选择开关一一对应连接。

所述第一开关、第四开关由充放电比较单元输入信号的同相信号控制，第二开关、第三开关由充放电比较单元输入信号的反相信号控制；当输入信号为高电平时第一开关、第四开关接通，输入信号为低电平时，第二开关、第三开关接通。

还包括用于控制增益选择开关通断的数字增益控制单元。

本发明所述基于充放电比较单元的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：所述基于充放电比较单元的时域放大器包括多个充放电比较单元（1、2…n，n为大于1的正整数）、与充放电比较单元和输入信号M1一一对应的增益选择开关（61…6n－2、6n－1、6n，n为大于1的正整数）以及或门3；所述增益选择开关并联连接，每个增益选择开关的输入端与输入信号M1、充放电比较单元的输出端一一对应连接；

所述充放电比较单元的输出端与后一个充放电比较单元的输入端连接，上一个充放电比较单元的输出信号为下一个充放电比较单元的输入信号；

所述充放电比较单元包括充电电流源601、放电电流源604、电容605、比较器608、第一开关602、第二开关603、第三开关606和第四开关607，比较器608的同相输入端分别与第三开关606和第四开关607的一端连接，比较器608的反相输入端接地，比较器608的输出端与下一个充放电比较单元的输入端连接；所述第四开关607的另一端接地，第三开关606的另一端分别与电容605的一端、第一开关602的一端和第二开关603的一端连接，电容605的另一端接地；所述第一开关602的另一端与充电电流源601的一端连接，第二开关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；所述第一开关602、第四开关607由充放电比较单元输入信号的同相信号控制，第二开关603、第三开关606由充放电比较单元输入信号的反相信号控制，即第一开关602、第四开关607接通时，第二开关603、第三开关606断开，反之亦然；当输入信号为高电平时第一开关602、第四开关607接通，输入信号为低电平时，第二开关603、第三开关606接通；

所述或门3包括n个信号输入端和一个信号输出端，信号输入端分别与增益选择开关一一对应连接；所述或门3对充放电比较单元的脉冲宽度为Tin的窄脉冲进行或操作，转换为脉冲宽度为n×Tin的单个宽脉冲，实现时间域上的放大；

所述数字增益控制单元4的控制信号控制增益选择开关的通断，来决定各个充放电比较单元的输出信号（M2、M3、…Mn）和输入信号M1是否连接至或门3的各个信号输入端，以此实现增益大小n的可编程控制；所述数字增益控制单元4可以采用现有的单片机等。

本发明的工作过程：充放电比较单元的第一开关602、第二开关603、第三开关606和第四开关607分别由充放电比较单元的输入信号及其反相信号控制。

当充放电比较单元的输入信号为高电平时，第一开关602、第四开关607接通，第二开关603、第三开关606断开，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608的同相输入端为低电平，输出端输出低电平；

当充放电比较单元的输入信号为低电平时，第二开关603、第三开关606接通，第一开关602、第四开关607断开，放电电流源604对电容605放电，电容605电势由Vc伏降为0伏；充电电源大小等于放电电流大小，根据公式Q（电量）=I（电流）×t（时间），电容605由0伏升高至Vc伏的充电时间等于由Vc伏降为0伏的放电时间；此时，比较器608的同相输入端接电容605的一端，电容605存在正电荷，比较器608的输出端输出高电平。

因此，当输入信号Tin时，在输入信号Tin高电平期间，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608输出低电平；单输入信号的下降沿到来时，放电电流源604对电容605放电，比较器608输出高电平，直至电容605电势为0伏。工作时序如图6所示，各个充放电比较单元（1、2…n）的输出信号（M2、M3、…Mn）和输入信号M1为脉冲宽度为Tin的单个窄脉冲，前一级充放电比较单元的输出下降沿触发下一级充放电比较单元的上升沿。从时序看，M1的下降沿触发M2由低电平变为高电平，M2的下降沿触发M3由低电平变为高电平，以此类推。由于充电和放电电流值相同，所以单脉冲M1、M2、M3、…、Mn具有相同的脉冲宽度。或门逻辑将M1、M2、M3、…、Mn进行或操作，输出宽度为Tout的单脉冲信号Mout。

Claims (3)

1.一种基于充放电比较单元的时域放大器，其特征是：包括n个充放电比较单元、与充放电比较单元和输入信号（M1）一一对应的增益选择开关以及或门（3），n为大于1的整数；所述充放电比较单元的输出端与后一个充放电比较单元的输入端连接，上一个充放电比较单元的输出信号为下一个充放电比较单元的输入信号；

所述增益选择开关并联连接，每个增益选择开关的输入端与输入信号（M1）、充放电比较单元的输出端一一对应连接； 

所述充放电比较单元包括充电电流源（601）、放电电流源（604）、电容（605）、比较器（608）、第一开关（602）、第二开关（603）、第三开关（606）和第四开关（607），比较器（608）的同相输入端分别与第三开关（606）和第四开关（607）的一端连接，比较器（608）的反相输入端接地，比较器（608）的输出端与下一个充放电比较单元的输入端连接；所述第四开关（607）的另一端接地，第三开关（606）的另一端分别与电容（605）的一端、第一开关（602）的一端和第二开关（603）的一端连接，电容（605）的另一端接地；所述第一开关（602）的另一端与充电电流源（601）的一端连接，第二开关（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；

所述或门（3）包括n个信号输入端和一个信号输出端，信号输入端分别与增益选择开关一一对应连接。

2.如权利要求1所述的基于充放电比较单元的时域放大器，其特征是：所述第一开关（602）、第四开关（607）由充放电比较单元输入信号的同相信号控制，第二开关（603）、第三开关（606）由充放电比较单元输入信号的反相信号控制；当输入信号为高电平时第一开关（602）、第四开关（607）接通，输入信号为低电平时，第二开关（603）、第三开关（606）接通。

3.如权利要求1所述的基于充放电比较单元的时域放大器，其特征是：还包括用于控制增益选择开关通断的数字增益控制单元（4）。

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