[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于新型時(shí)間放大器的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911089115.1
• 申請(qǐng)日: 2019-11-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110824889B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭建平;李開(kāi)友;安彥吾
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G04F10/00
• 分類(lèi)號(hào): G04F10/00
• 代理公司: 北京思創(chuàng)大成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11614
• 代理人: 張立君

本發(fā)明提供一種基于新型時(shí)間放大器的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括：新型時(shí)間放大器電路，用于將異步信號(hào)上升沿與同步信號(hào)上升沿之間的時(shí)間差進(jìn)行放大；粗計(jì)數(shù)器，用于計(jì)量經(jīng)過(guò)同步器同步之后的START和STOP信號(hào)之間的時(shí)鐘周期數(shù)；精計(jì)數(shù)器，用于對(duì)新型時(shí)間余量放大電路放大后的時(shí)間余量進(jìn)行計(jì)數(shù)；計(jì)算模塊，用于將粗計(jì)數(shù)器的計(jì)量結(jié)果與精計(jì)數(shù)器的計(jì)量結(jié)果相加，得到最終的測(cè)量結(jié)果；晶振，用于提供時(shí)鐘信號(hào)。本發(fā)明可以在有限的面積內(nèi)，達(dá)到兼顧時(shí)間放大器的放大精度與放大動(dòng)態(tài)范圍，還可以在降低所需時(shí)鐘頻率的情況下達(dá)到較高的測(cè)量精度和測(cè)量范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于新型時(shí)間放大器的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)

TDC(時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器)要完成的功能是用一個(gè)特定的精度對(duì)兩路輸入信號(hào)的上升沿之間的時(shí)間間隔進(jìn)行量化。TDC具有多種應(yīng)用場(chǎng)景，如激光雷達(dá)、全數(shù)字鎖相環(huán)、人臉識(shí)別和核反應(yīng)成像等。

TDC具有多種結(jié)構(gòu)，如模擬TDC、延遲線型TDC、環(huán)振型TDC等。模擬TDC是使用一個(gè)恒流源經(jīng)輸入信號(hào)的控制來(lái)對(duì)一個(gè)電容充電，再用一個(gè)ADC對(duì)電容的電壓采樣，從而得到充電的時(shí)間，這種TDC的動(dòng)態(tài)范圍受到電容的大小限制所以動(dòng)態(tài)范圍較小，實(shí)用性有限。如圖1所示，延遲線型TDC是使用一條緩沖器鏈夠成的延遲線作為start信號(hào)的傳輸線，每個(gè)緩沖器的輸出節(jié)點(diǎn)處作為一個(gè)觸發(fā)器的輸入，stop信號(hào)作為CLK信號(hào)，stop信號(hào)的上升沿觸發(fā)觸發(fā)器，將延遲線的狀態(tài)鎖存，輸出一個(gè)熱碼。通過(guò)熱碼中的”1”的個(gè)數(shù)，乘上緩沖器的單級(jí)延遲就可以得到待測(cè)的時(shí)間差。如圖2所示，環(huán)振型TDC由一個(gè)環(huán)形振蕩器、一個(gè)計(jì)數(shù)器和兩個(gè)狀態(tài)鎖存器組成，在start信號(hào)到來(lái)時(shí)，start狀態(tài)鎖存器記錄下此時(shí)的環(huán)形振蕩器的相位狀態(tài)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始記錄環(huán)形振蕩器的振蕩圈數(shù)，stop信號(hào)到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器停止同時(shí)stop狀態(tài)鎖存器記錄此時(shí)的環(huán)形振蕩器的相位狀態(tài)。通過(guò)計(jì)數(shù)器的值和兩個(gè)相位狀態(tài)之差就可以知道start信號(hào)與stop信號(hào)之間的時(shí)間間隔。對(duì)于這后兩種TDC來(lái)說(shuō)，測(cè)量精度都取決于單級(jí)的門(mén)延遲，延遲線型TDC的測(cè)量精度與測(cè)量范圍是對(duì)立的，測(cè)量范圍大需要更多級(jí)的反相器，會(huì)導(dǎo)致芯片版圖面積較大，環(huán)振型TDC其中的環(huán)形振蕩器的功率則比較大。

此外還有層次型TDC，這種TDC對(duì)時(shí)間間隔進(jìn)行粗細(xì)兩級(jí)量化，粗量化可以拓展測(cè)量范圍，細(xì)量化可以提高測(cè)量精度。傳統(tǒng)的層次型TDC使用一種時(shí)間放大器對(duì)粗量化時(shí)鐘無(wú)法量化的時(shí)間間隔進(jìn)行放大操作后再用時(shí)鐘量化，循環(huán)多次得到一個(gè)精確的細(xì)時(shí)間。如圖3所示，這種TDC中，因?yàn)門(mén)A(TimeAmplifier時(shí)間放大器)的動(dòng)態(tài)范圍取決于反相器的級(jí)數(shù)，而精度又取決于反相器的單級(jí)延遲，所以也存在動(dòng)態(tài)范圍與精度不能兼顧的問(wèn)題。動(dòng)態(tài)范圍過(guò)小，進(jìn)行細(xì)量化的時(shí)間(即輸入信號(hào)上升沿與時(shí)鐘上升沿之差)不能太大，這樣就要求較高的時(shí)鐘頻率。動(dòng)態(tài)范圍足夠會(huì)導(dǎo)致TA的面積較大或TA的放大精度下降，TA的放大精度下降則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)TDC的量化精度下降。

文獻(xiàn)中提出的一種時(shí)間放大器如圖3所示，如果要做到高精度的時(shí)間放大，就需要較小的單級(jí)反相器延遲。這樣為了達(dá)到同樣的放大范圍需要更多的反相器級(jí)數(shù)，更大的芯片版圖面積。如果要在較小的面積下達(dá)到較大的放大范圍，則需要較大的單級(jí)反相器延遲，這樣就會(huì)導(dǎo)致反相器鏈的單級(jí)延遲較大，導(dǎo)致時(shí)間放大的精度較低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種基于新型時(shí)間放大器的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

本發(fā)明的發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種基于新型時(shí)間放大器的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該轉(zhuǎn)換器包括：

新型時(shí)間放大器電路，用于將異步信號(hào)上升沿與同步信號(hào)上升沿之間的時(shí)間差進(jìn)行放大；

粗計(jì)數(shù)器，用于計(jì)量經(jīng)過(guò)同步器同步之后的START和STOP信號(hào)之間的時(shí)鐘周期數(shù)；

精計(jì)數(shù)器，用于對(duì)新型時(shí)間放大器電路放大后的時(shí)間余量進(jìn)行計(jì)數(shù)；