[發明專利]基于充放電結構的單脈沖時域放大器

無效

• 申請號: 201310322955.4
• 申請日: 2013-07-29
• 公開（公告）號: CN103391101A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發明（設計）人: 王小松;張海英
• 申請（專利權）人: 江蘇物聯網研究發展中心
• 主分類號: H03M9/00
• 分類號: H03M9/00;H03G3/20
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 殷紅梅

技術領域

本發明涉及一種適用于時間-數字轉換器（TDC）的時域放大器，尤其是一種基于充放電結構的單脈沖時域放大器。

背景技術

模擬、混合信號電路的數字化趨勢（如：全數字鎖相環ADPLL和時域模數轉換器ADC）使得時域至數字域轉換器（TDC）變得越來越重要。在ADPLL中，TDC和數字環路濾波器（DLF）已經取代了傳統的模擬電路（電荷泵和環路濾波器）；在時域模數轉換器ADC中，電壓至時域轉換器（V2T）和TDC則取代了電壓域比較器。

由于這些電路大部分基于數字技術實現，所以隨著CMOS工藝技術的進步，它們的性能能夠得以提高。然而，由于缺少高精度、高速率的TDC，這些電路的性能沒有像預期那樣得到很大提高。因此，提高TDC的精度和速度成為當今學術界和工業界的熱點之一。

目前，為了獲得高精度、高速率TDC，其普遍的解決方法是采用時域放大器。類似于電壓域放大器能將小的電壓差放大為大的電壓差，時域放大器能將小的時間差放大為大的時間差。所以，時域放大器可以用來改善TDC的精度和轉換率，就像電壓域放大器在高精度ADC中的應用一樣。

為此，有研究者提出了不同類型的時域放大器。在文獻[Time?difference?amplifier]和[A?9b,?1.25ps?resolution?coarse-fine?time-to-digital?converter?in?90nm?CMOS?that?amplifies?a?time?residue]中，時域放大器通過采用輸入時變延遲的SR鎖存器來實現。如圖1所示，SR鎖存器工作于亞穩態區，但是其缺點是：①這種時域放大器的增益不可預測且不精確；②由于其亞穩態特性，所以需要校正；③輸入線性范圍非常小，增益不可變。

文獻[A?1.25ps?resolution?8b?cyclic?TDC?in?0.13μm?CMOS]提出了一種不同的亞穩態時域放大器，如圖2所示。雖然該電路也采用類似于圖1所示的交叉耦合結構，但是其增益相對易于控制，因為其增益通過設置兩條放電路徑間的不同放電量來決定，增益大約為2，由于是交差耦合結構，該電路仍然存在增益不精確性和輸入線性范圍不足的問題，所以也需要校正。

文獻[A?128-channel,9ps?column-parallel?two-stage?TDC?based?on?time?difference?amplification?for?time-resolved?imaging]提出了另外一種時域放大器，如圖3所示，其有別于前面兩種時域放大器。通過采用交叉耦合延遲單元鏈及它們傳輸時間的不同，來獲得時間的放大。但是這種結構也存在著非線性增益和需要DLL來校正的問題，同時，增益不可變。

為了在寬的輸入范圍內獲得線性、精確和可變的增益，文獻[A?7bit,3.75ps?resolution?two-step?time-to-digital?converter?in?65nm?CMOS?using?pulse-train?time?amplifier]提出了一種脈沖序列時域放大器，如圖4所示。這種結構的基本思想是將N個相同脈沖（脈沖寬度為Tin）構成的序列等價于一個寬的脈沖，這個寬脈沖的脈沖寬度為N×Tin。脈沖序列與寬脈沖具有相同的總脈沖寬度，因此通過這一概念，可實現Tin脈沖寬度放大為N×Tin的脈沖寬度。但是，這種時域放大器結構為了避免脈沖序列中脈沖間的重疊，其需要足夠長的延遲時間，因此這會導致TDC轉換速率的降低。

鑒于以上背景，需要提出一種能夠滿足在寬的輸入范圍內可獲得線性、精確和可變的增益、且能提高其應用的TDC轉換速率的時域放大器結構。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種基于充放電結構的單脈沖時域放大器，該時域放大器提供增益是線性、精確和可動態設定、改變的。??

按照本發明提供的技術方案，一種基于充放電結構的單脈沖時域放大器，其特征是：包括充電電流源、放電電流源、充電開關、放電開關、電容和比較器；所述比較器的同相輸入端分別與電容的一端、充電開關的一端和放電開關的一端連接，比較器的反相輸入端接地；所述電容的另一端接地；所述充電開關的另一端與充電電流源連接，放電開關的另一端與放電電流源的一端連接，放電電流源的另一端接地。

所述充電電流源的電流是放電電流源電流的N倍，N為整數。

當輸入信號為高電平時充電開關導通，輸入信號為低電平時放電開關導通。