CN108736834A - 一种带电源抑制的高线性度时间放大器 - Google Patents

一种带电源抑制的高线性度时间放大器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带电源抑制的高线性度时间放大器，在复位阶段，将过阈值检测器阈值用于放大器输出结点进行复位，消除电源电压变化对过阈值检测器阈值的影响，通过输入时钟信号控制对结点电容单元进行充电，充电完毕后，通过同步时钟信号控制结点电容单元进行放电，本发明中的时间放大增益只与充放电电流比例有关，充放电时间在原理上完全线性，从原理上消除了传统时间放大器非线性的问题，并了降低阈值变化对***性能造成的负面影响，本发明采用输入时钟控制充电过程，在充电过程完成输入信号采样，采用同步时钟控制放电过程，将输入信号与放电过程隔离，消除放电过程对输入信号产生电路工作速率的限制，通过多路时间交织，提高了***整体性能。

Description

一种带电源抑制的高线性度时间放大器
技术领域
本发明涉及电子领域，尤其涉及一种带电源抑制的高线性度时间放大器。
背景技术
时间放大器(Time Amplifier，简称TA)是一种放大电子信号间的时差的装置，可以将时间延迟进行放大，常用于电压时间转换器(Voltage to Time Converter，简称VTC)之后的时间放大，或者时间转换器(Time to Digital Converter，简称TDC)输入前段输入信号范围的增加。
目前，传统的时间放大器通常采用电阻进行电容的充放电，通过设计充放电电阻比例，从而设计TA的放大倍数。该结构一方面采用输入信号控制节点电容放电时间的方式，其结点放电时间长度将限制输入信号保持时间，特别是放大倍数较大的应用中，严重限制输入信号产生电路的工作效率；另一方面，该结构的时间放大器采用电阻进行放电，非线性很严重，严重制约TA在高线性度应用环境中的推广。除此之外，传统的时间放大器的过阈值检测器的阈值电压随电源电压波动变化较大，严重影响了放大器的性能。因此，亟需一种时间放大器能够消除电源电压变化对放大器放大性能的影响，提高***整体性。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种带电源抑制的高线性度时间放大器，以解决上述技术问题。
本发明提供的带电源抑制的高线性度时间放大器，包括：
时钟控制逻辑产生单元，用于接收输入时钟信号和同步时钟信号，并产生控制时钟信号；
结点电容单元，用于根据控制时钟信号进行充放电；
开关电源单元，包括多个开关恒流源模块，所述开关恒流源模块的输入端与时钟控制逻辑产生单元的输出端连接；
通过所述输入时钟信号控制所述开关恒流源模块对结点电容单元进行充电，充电完毕后，通过所述同步时钟信号控制所述结点电容单元进行放电，完成时间放大过程。
进一步，还包括：
过阈值检测单元，用于进行过阈值检测；
复位网络，包括与过阈值检测单元互相连接的阈值检测器共模产生单元和共模输出缓冲器；
所述过阈值检测单元的输入端与所述过阈值检测器共模产生单元的输出端连接，用于根据过阈值检测器共模产生单元产生的共模电平进行复位；
所述输入时钟信号包括第一输入时钟信号和第二输入时钟信号，所述时钟逻辑产生单元根据第一输入时钟信号和第二输入时钟信号的时钟延迟的不同，产生用于控制开关恒流源模块的充电时间的控制时钟信号。
进一步，所述过阈值检测单元包括第一过阈值检测器和第二过阈值检测器，所述开关电源单元包括第一开关恒流源模块、第二开关恒流源模块、第三开关恒流源模块和第四开关恒流源模块，所述控制时钟信号包括第一控制时钟信号、第二控制时钟信号、第三控制时钟信号和第四控制时钟信号；
所述第一开关恒流源模块的输入端与第一控制时钟信号连接，第三开关恒流源模块的输入端与第四控制时钟信号连接，第二开关恒流源模块的输入端和第四开关恒流源模块的输入端分别与第三控制时钟信号连接，所述第二控制时钟信号分别与第一过阈值检测器输入端和第二过阈值检测器的输入端连接，所述第一过阈值检测器的输出端为第一输出接口，第二过阈值检测器的输出端为第二输出接口。
进一步，所述复位网络还包括第一复位开关和第二复位开关，所述第二控制时钟信号通过第一复位开关与第一过阈值检测器输入端连接，所述第二控制时钟信号还通过第二复位开关与第二过阈值检测器输入端连接。
进一步，所述结点电容单元包括第一结点电容和第二结点电容，所述第一开关恒流源模块的输出端、第二开关恒流源模块的输出端、第一结点电容的上极板、第一复位开关的一端和第一过阈值检测器连接，所述第一开关恒流源模块的输入端，第一结点电容的下极板接地，第一复位开关的另一端与共模输出缓冲器的输出端连接，共模输出缓冲器的输入端与过阈值检测器共模产生单元的输出端连接，过阈值检测器共模产生单元的输入端与其本身输出端短接，产生过阈值检测器共模电平；
所述第三开关恒流源模块的输出端、第四开关恒流源模块的输出端、第二结点电容的上极板、第二复位开关的一端和第二过阈值检测器连接，第二结点电容的下极板接地，第二复位开关的另一端与共模输出缓冲器的输出端连接。
进一步，根据所述第一控制时钟信号控制第一开关恒流源模块的充电时间、根据所述第四控制时钟信号控制第四开关恒流源模块的充电时间，充电结束后，所述第二开关恒流源模块和第四开关恒流源模块在第三控制时钟信号的控制下，同时对第一结点电容和第二结点电容进行放电，直至第一过阈值检测器和第二过阈值检测器的输入电平分别达到其阈值值，第一过阈值检测器和第二过阈值检测器的输出翻转，完成时间放大过程。
进一步，第一输出接口和第二输出接口的输出通道为伪差分结构。
进一步，所述第一过阈值检测器和第二过阈值检测器的电路结构相同，所述过阈值检测单元包括一个或多个反相器，第一过阈值检测器和第二过阈值检测器输入端的第一个反相器的结构与过阈值检测器共模产生单元的结构相同。
进一步，通过如下公式获取时间放大器的放大倍数：
其中，VCM表示复位电平，tchagp和tchagn分别表示有时钟第一时钟控制信号与第二时钟控制信号决定的充电时间，tdiscp和tdiscn分别表示过第一阈值检测器和第二阈值检测器输入电平下降到其阈值所用时间，ICHAGP表示第一恒流源，ICHAGN表示第二恒流源，IDISCP表示第三恒流源，IDISCN表示第四恒流源。
进一步，所述开关恒流源模块在工作时输出的电流恒定。
本发明的有益效果：本发明中的带电源抑制的高线性度时间放大器的时间放大增益只与充放电电流比例有关，充放电时间在原理上完全线性，从原理上消除了传统时间放大器非线性的问题，并了降低阈值变化对***性能造成的负面影响，本发明采用输入时钟控制充电过程，在充电过程完成输入信号采样，采用同步时钟控制放电过程，将输入信号与放电过程隔离，消除放电过程对输入信号产生电路工作速率的限制，通过多路时间交织，提高了***整体性能，本发明还提供了一种降低电源电压扰动影响的技术，降低过阈值检测单元阈值受电源电压波动的影响，提高***性能。
附图说明
图1是本发明实施例中带电源抑制的高线性度时间放大器的结构示意图。
图2是本发明实施例中带电源抑制的高线性度时间放大器的开关恒流源模块的结构示意图。
图3是本发明实施例中带电源抑制的高线性度时间放大器的始终逻辑产生单元的结构示意图。
图4是本发明实施例中带电源抑制的高线性度时间放大器的过阈值检测器的结构示意图。
图5是本发明实施例中带电源抑制的高线性度时间放大器的过阈值检测器共模产生单元的结构示意图。
图6是本发明实施例中带电源抑制的高线性度时间放大器的时钟逻辑单元输出时序关系示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例中的带电源抑制的高线性度时间放大器，主要包括：
时钟控制逻辑产生单元CLOCK_LOGIC_GE，用于接收输入时钟信号CLKIP、CLKIN和同步时钟信号CLKTA，并产生控制时钟信号ΦCHAGP、ΦRST、ΦDISC和ΦCHAGN；
结点电容单元，用于根据控制时钟信号进行充放电；
开关电源单元，包括多个开关恒流源模块，开关恒流源模块的输入端与时钟控制逻辑产生单元的输出端连接；
通过输入时钟信号ΦCHAGP和ΦCHAGN控制所述开关恒流源模块SIC_CP和SIC_CN对结点电容CSP和CSN单元进行充电，充电完毕后，通过所述同步时钟信号ΦDISC控制开关恒流源模块SIC_DP和SIC_DN对所述结点电容CSP和CSN单元进行放电，完成时间放大过程。
过阈值检测单元TCDP和TCDN，用于进行过阈值检测；
复位网络TCD_RST，包括与过阈值检测单元互相连接的阈值检测器共模产生单元TCDCM和共模输出缓冲器VM_BUF，其中过阈值检测单元包括第一过阈值检测器TCDP和第二过阈值检测器TCDN；
第一过阈值检测器TCDP和第二过阈值检测器TCDN的输入端分别与所述共模输出缓冲器VM_BUF的输出端连接，共模输出缓冲器VM_BUF输入端与过阈值检测器共模产生单元TCDCM输出端连接，用于根据过阈值检测器共模产生单元产生的共模电平进行复位；
输入时钟信号包括第一输入时钟信号CLKIP和第二输入时钟信号CLKIN，所述时钟逻辑产生单元CLOCK_LOGIC_GE根据第一输入时钟信号CLKIP和第二输入时钟信号CLKIN的时钟延迟的不同，产生用于控制开关恒流源模块的充电时间的控制时钟信号ΦCHAGP和ΦCHAGN。
在本实施例中，通过一种时钟控制逻辑CLOCK_LOGIC_GE和一组超高速恒流源SIC_CP、SIC_CN、SIC_DP和SIC_DN分别对转换电容进行充放电，通过设计充放电电流比例进行TA放大倍数的设计，充电时间tcharge与放电时间tdischarge满足关系：
其中，Ichg为充电电流，Idis为放电电流，VM为过阈值检查电路阈值电压，V0表示充电网络目标电压，C为充放电结点电容。其时间放大增益只与充放电电流比例有关，充放电时间在原理上完全线性，可以从原理上消除传统TA非线性的问题。
另一方面，由于传统TA常采用反相器或者其他简单结构进行过阈值检测，会造成过阈值检测器的检测阈值电压随电源电压变化较大，影响***性能。而本实施例中的时间放大器可以通过过阈值检测器复位共模产生技术，降低该阈值变化对***性能造成的负面影响，提高***性能。在本实施例中，采用输入时钟控制充电过程，在充电过程完成输入信号采样，采用同步时钟控制放电过程，将输入信号与放电过程隔离，消除放电过程对输入信号产生电路工作速率的限制，通过多路时间交织技术，提高***整体性能。
下面通过一个具体实施例来进行详细介绍：
如图1所示，本实施例中的时间放大器的开关电源模块包括：由恒流源ICHAGP与开关SWCHAGP组成的第一开关恒流源模块SIC_CP，由恒流源IDISCP与开关SWDISCP组成的第二开关恒流源模块SIC_DP，由恒流源ICHAGM与开关SWCHAGN组成的第三开关恒流源模块SIC_CN和由恒流源IDISCN与开关SWDISCN组成的第四开关恒流源模块SIC_DN，结点电容单元包括第一结点电容CSP和第二结点电容CSN；复位网络TCD_RST由第一复位开关SWRSTP、第二复位开关SWRSTN、过阈值检测器共模产生单元TCDCM和共模输出缓冲器VM_BUF组成，过阈值检测单元包括第一过阈值检测器TCDP和第二过阈值检测器TCDN。控制时钟信号包括第一控制时钟信号ΦCHAGP、第二控制时钟信号ΦRST、第三控制时钟信号ΦDISC和第四控制时钟信号ΦCHAGN。
在本实施例中，第一开关恒流源SIC_CP与第二开关恒流源SIC_DP输出结点互相连接，并且与结点电容CSP上极板、开关SWRSTP输出端和过阈值检测器TCDP输入端连接，第一开关恒流源模块SIC_CP输入端分别连接电源VDD和时钟ΦCHAGP，第二开关恒流源模块SIC_DP的输入端分别连接地电平和时钟ΦDISC，第一节点电容CSP下极板与地电平连接，开关SWRSTP另一端连接共模输出缓冲器VM_BUF的输出端，共模输出缓冲器VM_BUF的输入端连接过阈值检测器共模产生单元TCDCM的输出端，过阈值检测器共模产生单元TCDCM的输入端与其本身输出端短接，产生过阈值检测器共模电平；开关SWRSTP控制时钟连接时序ΦRST，过阈值检测器输出端连接输出接口CLKOUTP.。第三开关恒流源SIC_CN与第四SIC_DN输出结点互相连接，并且与第二结点电容CSN上极板、开关SWRSTN输出端和过阈值检测器TCDN输入端连接，第三开关恒流源SIC_CN输入端分别连接电源VDD和时钟ΦCHAGN，第四开关恒流源SIC_DN输入端分别连接地电平和时钟ΦDISC，节点电容CSN下极板与地电平连接，开关SWRSTN另一端也连接共模输出缓冲器VM_BUF的输出端；开关SWRSTN控制时钟连接时序ΦRST，过阈值检测器输出端连接输出接口CLKOUTN。
时钟控制逻辑产生单元CLOCK_LOGIC_GE接收输入时钟CLKIP、CLKIN和同步时钟CLKTA，产生恒流源控制时钟第一控制时钟信号ΦCHAGP、第三控制时钟信号ΦDISC、第二控制时钟信号ΦRST和第四控制时钟信号ΦCHAGN，分别控制第一开关恒流源SIC_CP、第二开关恒流源SIC_DP和第四开关恒流源SIC_DN、第一复位开关SWRSTP和第二复位开关SWRSTN、第三开关恒流源SIC_CN。
本实施例采用时钟逻辑产生单元CLOCK_LOGIC_GE产生的工作时序如图6所示，首先是时钟ΦRST高电平，第一过阈值检测器TCDP和第二过阈值检测器TCDN输入电平采用过阈值检测器共模产生单元TCDCM产生的共模电平进行复位；然后时钟逻辑产生单元CLK_LOGIC_GE根据输入时钟CLKIP和CLKIN的时钟延迟的不同，产生时钟ΦCHAGP与ΦCHAGN，分别决定开关恒流源SIC_CP和SIC_CN充电时间；充电结束后，开关恒流源SIC_DP和SIC_DN在时钟ΦDISC的控制下，同时对第一结点电容CSP和第二结点电容CSN进行放电，直至第一过阈值检测器TCDP和第二过阈值检测器TCDN的输入电平分别达到其阈值值，TCDP和TCDN输出翻转，完成时间放大过程。
如图3所示，本实施例中的同步时钟信号CLKTA的取反在分别与第一输入时钟信号CLKIP和第二输入时钟信号CLKIN进行逻辑“与”运算，分别产生开关恒流源SIC_CP和SIC_CN的充电时序ΦCHAGP和ΦCHAGN；第一输入时钟信号CLKIP。第二输入时钟信号CLKIN和同步时钟信号CLKTA同时取“反”再进行逻辑“与”运算，得到复位时序ΦRST；同步时钟信号CLKTA经过缓冲器延迟后产生放电时序ΦDISC。
如图2所示，本实施例中的开关恒流源模块SIC_CP、SIC_CN、SIC_DP和SIC_DN采用基准电流IBIAS、MOSFET MN1、MN2和MP1构成基本电流镜，通过缓冲器BUFP和BUFN为开关恒流源SIC_CP、SIC_CN、SIC_DP和SIC_DN提供电流源偏置电压。在复位时序ΦRST高电平时，基准采样电容CBPP、CBPN、CBNP和CBNN分别采样保持其对应的基准电压值；在充电时序ΦCHAGP和ΦCHAGN为高电平时，分别为电流源MOSFET MP2和MP4提供偏置电压，从而提供以基准电流IBIAS为参考的充电电流ICHAGP和ICHAGN，完成输入信号的充电采样过程；在放电时序ΦDISC高电平时，分别为电流源MOSFET MN10和MN14提供偏置电压，从而提供以基准电流IBIAS为参考的放电电流IDISCP和IDISCN，完成时间放大过程。
如图4所示，本实施例中的第一过阈值检测器TCDP和第二过阈值检测器TCDN分别由两个反相器构成，在本实施例中可以根据时序要求，增减反相器数量。如图4、5所示，本实施例中的过阈值检测器共模产生单元TCDCM与第一过阈值检测器TCDP和第二过阈值检测器TCDN的输入端第一个反相器结构完全相同、尺寸严格成比例的反相器构成，确保如图5所示阈值检测器共模产生单元TCDCM产生的阈值与如图3所示过阈值检测器TCDP和TCDN检测的阈值完全相同，并且受电源电压影响情况完成相同。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种带电源抑制的高线性度时间放大器，其特征在于，包括：
时钟控制逻辑产生单元，用于接收输入时钟信号和同步时钟信号，并产生控制时钟信号；
结点电容单元，用于根据控制时钟信号进行充放电；
开关电源单元，包括多个开关恒流源模块，所述开关恒流源模块的输入端与时钟控制逻辑产生单元的输出端连接；
通过所述输入时钟信号控制所述开关恒流源模块对结点电容单元进行充电，充电完毕后，通过所述同步时钟信号控制所述结点电容单元进行放电，完成时间放大过程。
2.根据权利要求1所述的带电源抑制的高线性度时间放大器，其特征在于，还包括：
过阈值检测单元，用于进行过阈值检测；
复位网络，包括与过阈值检测单元互相连接的阈值检测器共模产生单元和共模输出缓冲器；
所述过阈值检测单元的输入端与所述过阈值检测器共模产生单元的输出端连接，用于根据过阈值检测器共模产生单元产生的共模电平进行复位；
所述输入时钟信号包括第一输入时钟信号和第二输入时钟信号，所述时钟逻辑产生单元根据第一输入时钟信号和第二输入时钟信号的时钟延迟的不同，产生用于控制开关恒流源模块的充电时间的控制时钟信号。
3.根据权利要求2所述的带电源抑制的高线性度时间放大器，其特征在于：所述过阈值检测单元包括第一过阈值检测器和第二过阈值检测器，所述开关电源单元包括第一开关恒流源模块、第二开关恒流源模块、第三开关恒流源模块和第四开关恒流源模块，所述控制时钟信号包括第一控制时钟信号、第二控制时钟信号、第三控制时钟信号和第四控制时钟信号；
所述第一开关恒流源模块的输入端与第一控制时钟信号连接，第三开关恒流源模块的输入端与第四控制时钟信号连接，第二开关恒流源模块的输入端和第四开关恒流源模块的输入端分别与第三控制时钟信号连接，所述第二控制时钟信号分别与第一过阈值检测器输入端和第二过阈值检测器的输入端连接，所述第一过阈值检测器的输出端为第一输出接口，第二过阈值检测器的输出端为第二输出接口。
4.根据权利要求3所述的带电源抑制的高线性度时间放大器，其特征在于：所述复位网络还包括第一复位开关和第二复位开关，所述第二控制时钟信号通过第一复位开关与第一过阈值检测器输入端连接，所述第二控制时钟信号还通过第二复位开关与第二过阈值检测器输入端连接。
5.根据权利要求4所述的带电源抑制的高线性度时间放大器，其特征在于：所述结点电容单元包括第一结点电容和第二结点电容，所述第一开关恒流源模块的输出端、第二开关恒流源模块的输出端、第一结点电容的上极板、第一复位开关的一端和第一过阈值检测器连接，所述第一开关恒流源模块的输入端，第一结点电容的下极板接地，第一复位开关的另一端与共模输出缓冲器的输出端连接，共模输出缓冲器的输入端与过阈值检测器共模产生单元的输出端连接，过阈值检测器共模产生单元的输入端与其本身输出端短接，产生过阈值检测器共模电平；
所述第三开关恒流源模块的输出端、第四开关恒流源模块的输出端、第二结点电容的上极板、第二复位开关的一端和第二过阈值检测器连接，第二结点电容的下极板接地，第二复位开关的另一端与共模输出缓冲器的输出端连接。
6.根据权利要求5所述的带电源抑制的高线性度时间放大器，其特征在于：根据所述第一控制时钟信号控制第一开关恒流源模块的充电时间、根据所述第四控制时钟信号控制第四开关恒流源模块的充电时间，充电结束后，所述第二开关恒流源模块和第四开关恒流源模块在第三控制时钟信号的控制下，同时对第一结点电容和第二结点电容进行放电，直至第一过阈值检测器和第二过阈值检测器的输入电平分别达到其阈值值，第一过阈值检测器和第二过阈值检测器的输出翻转，完成时间放大过程。
7.根据权利要求3所述的带电源抑制的高线性度时间放大器，其特征在于：第一输出接口和第二输出接口的输出通道为伪差分结构。
8.根据权利要求3所述的带电源抑制的高线性度时间放大器，其特征在于：所述第一过阈值检测器和第二过阈值检测器的电路结构相同，所述过阈值检测单元包括一个或多个反相器，第一过阈值检测器和第二过阈值检测器输入端的第一个反相器的结构与过阈值检测器共模产生单元的结构相同。
9.根据权利要求6所述的带电源抑制的高线性度时间放大器，其特征在于，通过如下公式获取时间放大器的放大倍数：
其中，VCM表示复位电平，tchagp和tchagn分别表示有时钟第一时钟控制信号与第二时钟控制信号决定的充电时间，tdiscp和tdiscn分别表示过第一阈值检测器和第二阈值检测器输入电平下降到其阈值所用时间，ICHAGP表示第一恒流源，ICHAGN表示第二恒流源，IDISCP表示第三恒流源，IDISCN表示第四恒流源。
10.根据权利要求6所述的带电源抑制的高线性度时间放大器，其特征在于：所述开关恒流源模块在工作时输出的电流恒定。
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