CN102769470A

CN102769470A - 一种具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器

Info

Publication number: CN102769470A
Application number: CN2012102614174A
Authority: CN
Inventors: 何乐年; 施琦锋; 薛晓博
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: CN102769470B

Abstract

本发明公开了一种具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，包括n+1条数模转换通道和一时域误差校正单元；数模转换通道包括锁存器、延时电路和电流元，时域误差校正单元包括电流方波检测器、时间差放大器和时数转换器。本发明采用了时间差放大器和时数转换器，存在于数模转换器中的时域误差可以被线性放大，并且直接转化为数字量，所以时域误差检测的精度大大提高；且检测微小的时域误差变得更加容易和快速；同时本发明中的校正单元可完全采用数字电路得以实现，所以静态功耗几乎为零。

Description

一种具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器

技术领域

本发明属于数模转换技术领域，具体涉及一种具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器。

背景技术

随着移动通讯技术的普及和片上系统(system on chip，SOC)概念的提出，更多的模拟信号和数字信号被集成在一块系统芯片中。由于处理器的发展已经能够适应高速数字信号处理的要求，因此，高速处理器和外围模拟信号设备之间的通讯成为制约高速信号处理系统的主要因素；由此，近年来，高速高精度数模转换芯片设计得到了很大发展。

电流舵数模转换器是目前最为流行的高速高精度数模转换器结构，其一般包括译码电路、锁存器阵列和电流元阵列。其中，译码电路通常将输入的二进制数字信号转化为温度计编码的数字信号，并输入给锁存器阵列，锁存器利用时钟信号对译码电路输出的数字信号做同步处理，并将同步后的数字信号传输给电流元，电流元根据输入的数字信号决定其自身电流的流向，至此，数模转换器完成了从输入数字信号到输出模拟信号的转换。

然而由于锁存器阵列和电流元阵列中存在不匹配，不同电流元单元的输出存在延时差，而此延时差大大降低了数模转换器的动态性能，因此需要一定的校正方法加以去除。而典型的具有时域误差校正功能的数模转换器如图1所示，其在传统的电流舵数模转换器结构基础上，通过在锁存器和电流元之间设置延时电路，通过一时域误差校正单元为延时电路提供延时信号，时域误差校正单元包括有两个放大器、时间差保持电路、运算放大器、电容C和延时控制电路。该数模转换器利用延时电路校正存在的时域误差，电流元将输入信号转化为差分的电流信号输出。基准电流元与电流元结构一致，基准延时电路和延时电路也为相同模块。基准延时电路和基准电流元在此作为校正系统的基准模块。电阻R2和R3为数模转换器输出端所接电阻，另外，电阻R3和电阻R1可分别将电流元和基准电流元输出的电流信号转化为电压信号，并将其作为放大器的输入。

该数模转换器采用依次校正的模式，即依次将需要校正的电流元与基准电流元进行比较，消除它们之间的时域误差。其中，两个放大器分别将电流元和基准电流元的输出的同相位的方波信号进行放大，以便于时间差保持电路处理，时间差保持电路对输入的两个方波信号之间的时域误差进行保持，并输出给运算放大器，此时，由于运算放大器输入端的两个方波信号之间存在时域误差，因此，存在一段时间，在这段时间内，运算放大器两个输入信号之间存在电压差，这种电压差导致了运算放大器输出端对电容C进行充放电，延时控制电路对电容C的电压进行检测，并通过调整延时电路的延时大小，最后达成对时域误差的消除。

但该数模转换器也存在以下一些缺陷：(1)在数模转换器输出端做检测会影响输出性能；(2)利用电阻将电流元输出电流信号转化为电压信号会在电流元输出端引入较大的RC常数，若匹配不当，则会引入巨大的时域误差，从而影响原有时域误差的检测；(3)放大器需要较大的放大倍数才能将输入的电压信号转化为下级电路可识别的信号，从而增加了电路复杂度和功耗，并且如果两个放大器无法完全匹配，则也会引入额外的时域误差，影响最后的检测；(4)系统的校正精度不高。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，校正精度高，静态功耗低。

一种具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，包括：n+1条数模转换通道和一时域误差校正单元；n+1条数模转换通道分为一条基准数模转换通道和n条待测数模转换通道，所述的时域误差校正单元用于向待测数模转换通道提供延时控制信号；n为大于1的自然数；

所述的数模转换通道包括：

锁存器，用于产生数字方波信号；

延时电路，用于对数字方波信号进行延时输出；其中，基准数模转换通道的延时电路根据给定的基准延时信号对数字方波信号进行延时输出，待测数模转换通道的延时电路根据所述的延时控制信号对数字方波信号进行延时输出；

电流元，用于将延时后的数字方波信号转换为电流方波信号输出；

所述的时域误差校正单元包括：

电流方波检测器，用于采集基准数模转换通道输出的电流方波信号和任一待测数模转换通道输出的电流方波信号，并将这两个信号分别转换为第一电压信号和第二电压信号；

时间差放大器，用于对第一电压信号与第二电压信号之间的时域误差进行放大；

时数转换器，用于接收时域误差放大后的第一电压信号和第二电压信号，并提取这两个信号之间的时域误差，并根据该时域误差产生延时控制信号以校正对应的待测数模转换通道。

所述的延时控制信号和基准延时信号均为m位的数字码；m为大于1的自然数；

所述的延时电路由m个延时单元和四个MOS管M11～M14组成；其中，所述的延时单元的第一输入端与MOS管M11的源极相连并接电源电压，延时单元的第一输出端与MOS管M11的漏极和MOS管M12的源极相连，MOS管M11的栅极接收给定的偏置电压信号vpb，MOS管M12的栅极与MOS管M13的栅极相连且为延时电路的输入端，MOS管M12的漏极与MOS管M13的漏极相连且为延时电路的输出端，延时单元的第二输入端与MOS管M13的源极和MOS管M14的漏极相连，延时单元的第二输出端与MOS管M14的源极相连并接地；MOS管M14的栅极接收给定的偏置电压信号vnb；

所述的延时单元由两个MOS管M1～M2和一个反相器INV1组成；其中，MOS管M1的源极为延时单元的第一输入端，MOS管M1的漏极为延时单元的第一输出端，MOS管M1的栅极与反相器INV1的输入端相连且为延时单元的控制端，反相器INV1的输出端与MOS管M2的栅极相连，MOS管M2的漏极为延时单元的第二输入端，MOS管M2的源极为延时单元的第二输出端；m个延时单元的控制端分别接收延时控制信号对应的m位数字码或基准延时信号对应的m位数字码；其中，MOS管M1、M11和M12均为PMOS管，MOS管M2、M13和M14均为NMOS管；偏置电压信号vpb与偏置电压信号vnb相位互补。

本发明延时电路是在简单的反相器结构上拓展得来的电路，因此结构简单，便于实现；由于该延时电路的延时调节是通过改变上拉和下拉MOS管的数量实现的，所以具有很高的延时调节精度；理论上用于调节延时的上拉和下拉MOS管的数量是不受限制的，所以可以在很大范围内做延时调节。

所述的电流元由一电流源I、一反相器INV2、七个MOS管M21～M27和两个电阻R1～R2组成；其中，电流源I的输入端接电源电压，电流源I的输出端与MOS管M21的源极和MOS管M22的源极相连，MOS管M21的栅极和MOS管M22的栅极分别接收给定的偏置电压信号V1和偏置电压信号V2，MOS管M21的漏极与MOS管M23的源极和MOS管M24的源极相连，MOS管M22的漏极与MOS管M25的源极和MOS管M26的源极相连，MOS管M23的栅极与MOS管M25的栅极和反相器INV2的输入端相连且为电流元的输入端，反相器INV2的输出端与MOS管M24的栅极和MOS管M26的栅极相连，MOS管M23的漏极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端接地，MOS管M24的漏极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端接地，MOS管M25的漏极为电流元的输出端，MOS管M26的漏极与MOS管M27的漏极和栅极相连，MOS管M27的源极接地；其中，MOS管M21～M26均为PMOS管，MOS管M27为NMOS管。

本发明电流元因为在正常工作的差分输出口之外引出用于检测的电流输出，所以检测电路的存在不会影响正常电路的工作；电流元结构中将用于导通检测电流的MOS管直接加在电流源下方，避免了在一些关键节点(如输出端)，增加不必要的电容而破坏电流元性能。

所述的电流方波检测器由两个电流比较器组成；所述的电流比较器由七个MOS管M31～M37和两个反相器INV3～INV4组成；其中，MOS管M32的栅极与MOS管M31的栅极和漏极相连且为电流比较器的输入端，MOS管M32的漏极与MOS管M33的漏极、MOS管M34的源极、MOS管M35的源极、MOS管M36的栅极和MOS管M37的栅极相连，MOS管M33的栅极接收给定的偏置电压信号VB，MOS管M34的栅极与MOS管M35的栅极、MOS管M36的漏极、MOS管M37的漏极和反相器INV3的输入端相连，MOS管M33的源极与MOS管M34的漏极和MOS管M37的源极相连并接电源电压，MOS管M31的源极与MOS管M32的源极、MOS管M35的漏极和MOS管M36的源极相连并接地，反相器INV3的输出端与反相器INV4的输入端相连，反相器INV4的输出端为电流比较器的输出端；其中，MOS管M33、M35和M37均为PMOS管，MOS管M31、M32、M34和M36均为NMOS管。

电流方波检测器的核心电路为电流比较器，而非传统电路中的电阻和运算放大器；电流比较器具有快速响应的性能，该检测器可以快速跟踪输入电流方波，而且由于结构中不存在电阻，避免了由于电阻匹配问题而导致的两个输出电压方波上升沿不一致，从而方便了下级电路对时域误差的检测；另外，由于电路结构简单，检测电路几乎不会引入额外的时域误差。

所述的时间差放大器由两个互斥单元U1～U2和两个或门OR1～OR2组成；其中，互斥单元U1的第一输入端与互斥单元U2的第二输入端相连且为时间差放大器的第一信号输入端，互斥单元U2的第一输入端与互斥单元U1的第二输入端相连且为时间差放大器的第二信号输入端，互斥单元U1的第一输出端和第二输出端分别与或门OR1的两个输入端相连，互斥单元U2的第一输出端和第二输出端分别与或门OR2的两个输入端相连，或门OR1的输出端和或门OR2的输出端分别为时间差放大器的第一信号输出端和第二信号输出端；

本发明时间差放大器基本为数字电路结构，对单个MOS管性能的要求不高，所以电路实现方便；其次由于利用了亚稳态的原理，在一定范围内，该放大器的放大倍数可以保持稳定，因此可靠性高；另外由于该放大器的放大倍数可以达到10倍以上，方便了下级电路的检测，并且提高了检测的速度和精度。

所述的时数转换器由m个时数转换单元依次级联而成；其中，第一时数转换单元的第一输入端和第二输入端分别为时数转换器的第一输入端和第二输入端，第i-1时数转换单元的第一级联端和第二级联端分别与第i时数转换单元的第一输入端和第二输入端相连，第m时数转换单元的第一级联端和第二级联端均悬空，m个时数转换单元的输出端分别输出延时控制信号对应的m位数字码；i为自然数且2≤i≤m；

所述的时数转换单元由一互斥单元U3和四个反相器INV5～INV8组成；其中，互斥单元U3的第一输入端与反相器INV5的输入端相连且为时数转换单元的第一输入端，互斥单元U3的第二输入端与反相器INV7的输入端相连且为时数转换单元的第二输入端，反相器INV5的输出端与反相器INV6的输入端相连，反相器INV7的输出端与反相器INV8的输入端相连，反相器INV6的输出端和反相器INV8的输出端分别为时数转换单元的第一级联端和第二级联端，互斥单元U3的第一输出端为时数转换单元的输出端。

本发明时数转换器结构基本为数字电路，因此电路功能容易实现；其基本原理是利用了反相器对之间的延时差，所以检测精度可以做到几皮秒；该结构中大量使用了重复的结构，因此，在版图实现时，可以做到一起，提高匹配性。

所述的互斥单元由两个与非门NAND1～NAND2和四个MOS管M41～M44组成；其中，与非门NAND1的第一输入端和与非门NAND2的第一输入端分别为互斥单元的第一输入端和第二输入端，与非门NAND1的第二输入端与第二与非门的输出端、MOS管M41的源极、MOS管M43的栅极和MOS管M44的栅极相连，第二与非门的第二输入端与第一与非门的输出端、MOS管M43的源极、MOS管M41的栅极和MOS管M42的栅极相连，MOS管M42的源极与MOS管M44的源极相连并接地，MOS管M41的漏极与MOS管M42的漏极相连且为互斥单元的第一输出端，MOS管M43的漏极与MOS管M44的漏极相连且为互斥单元的第二输出端；其中，MOS管M41和M43均为PMOS管，MOS管M42和M44均为NMOS管。

本发明的误差校正原理为：首先利用电流方波检测器将待测电流元和基准电流元输出的电流方波转化为电压方波，再利用时间差放大器将电流方波检测器输出的电压方波之间的时域误差进行线性放大，接着利用时数转换器将放大后的时域误差转化为数字量，最后利用时数转换器输出的数字量对延时电路的延时大小进行调整，达成消除时域误差的效果。

本发明的有益技术效果为：

(1)本发明采用了时间差放大器和时数转换器，存在于数模转换器中的时域误差可以被线性放大，并且直接转化为数字量，所以时域误差检测的精度大大提高；相对传统的时域误差校正单元只能检测到1ps的时域误差，而本发明中的校正单元可以检测到200fs的时域误差。

(2)本发明采用时间差放大器对时域误差进行放大，检测微小的时域误差变得更加容易和快速；相对传统的校正单元需要50个周期才能检测出时域误差，而本发明中的校正单元只需要1到2个周期便可以精确地检测出时域误差；并且因为时数转换器直接将时间量转化为了数字量，而不需要先转化为模拟量，因此，单个检测周期的时间也被缩短了。

(3)本发明中的校正单元可完全采用数字电路得以实现，所以静态功耗几乎为0，而传统的校正单元中包含的运算放大器等模拟电路存在较大而稳定的静态功耗。

(4)本发明利用电流方波检测器将电流元输出的电流方波转化为电压方波可精确地做到跟踪电流方波的上升沿，并且不需要电阻的辅助，这样可以减小RC常数不匹配造成的额外时间差对检测精度的影响。

附图说明

图1为传统具有时域误差校正系统的数模转换器的结构示意图。

图2为本发明数模转换器的结构示意图。

图3为延时电路的结构示意图。

图4为电流元的结构示意图。

图5为电流比较器的结构示意图。

图6为时间差放大器的结构示意图。

图7为时数转换器的结构示意图。

图8为互斥单元的结构示意图。

图9为延时电路输入输出信号的波形示意图。

图10为电流元输入输出信号的波形示意图。

图11为电流比较器输入输出信号的波形示意图。

图12为时间差放大器输入输出信号的波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图2所示，一种具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，包括：译码电路、32条数模转换通道和一时域误差校正单元；32条数模转换通道分为一条基准数模转换通道和31条待测数模转换通道，待测数模转换通道与译码电路相连；译码电路用于将输入的二进制数字信号转化为温度计编码的数字信号，时域误差校正单元用于向待测数模转换通道提供延时控制信号；

数模转换通道包括一锁存器、一延时电路和一电流元；其中：

锁存器在数模转换通道处于正常工作时用于利用时钟信号对译码电路对应输出的数字信号做同步处理，在数模转换通道处于误差校正时根据给定的信号输出一数字方波信号；其中，基准数模转换通道对应的锁存器不与译码电路连接，其根据给定的信号输出一数字方波信号作为基准，其输出信号相对于待测数模转换通道对应的锁存器的输出信号存在延时；待测数模转换通道对应的锁存器在做误差校正时与译码电路断开，其根据给定的信号输出一数字方波信号作为检测。

延时电路用于对数字方波信号进行延时输出；其中，基准数模转换通道的延时电路根据给定的基准延时信号对数字方波信号进行延时输出，待测数模转换通道的延时电路根据延时控制信号对数字方波信号进行延时输出；延时控制信号和基准延时信号均为4位的数字码B1～B4；

如图3所示，延时电路由4条延时单元和四个MOS管M11～M14组成；其中，延时单元的第一输入端与MOS管M11的源极相连并接电源电压VDD，延时单元的第一输出端与MOS管M11的漏极和MOS管M12的源极相连，MOS管M11的栅极接收给定的偏置电压信号vpb，MOS管M12的栅极与MOS管M13的栅极相连且为延时电路的输入端，MOS管M12的漏极与MOS管M13的漏极相连且为延时电路的输出端，延时单元的第二输入端与MOS管M13的源极和MOS管M14的漏极相连，延时单元的第二输出端与MOS管M14的源极相连并接地；MOS管M14的栅极接收给定的偏置电压信号vnb；

延时单元由两个MOS管M1～M2和一个反相器INV1组成；其中，MOS管M1的源极为延时单元的第一输入端，MOS管M1的漏极为延时单元的第一输出端，MOS管M1的栅极与反相器INV1的输入端相连且为延时单元的控制端，反相器INV1的输出端与MOS管M2的栅极相连，MOS管M2的漏极为延时单元的第二输入端，MOS管M2的源极为延时单元的第二输出端；4条延时单元的控制端分别接收延时控制信号对应的4位的数字码B1～B4或基准延时信号对应的4位的数字码B1～B4；MOS管M1、M11和M12均为PMOS管，MOS管M2、M13和M14均为NMOS管；偏置电压信号vpb与偏置电压信号vnb相位互补。

延时电路包含一个输入端、一个输出端和一个控制端；输入端与对应锁存器相连并接收数字方波信号，输出端输出的信号为数字方波信号经过大小为H的延时之后的信号，控制端接收时域误差校正单元提供的延时控制信号对应的4位的数字码以调节H的大小(基准数模转换通道的延时电路接收的4位的数字码为预设值0000)；延时电路输入输出信号波形如图9所示。在延时电路结构中，M12和M13为普通反相器结构，其输入为IN，输出为OUT。M11和M14在vpb和vnb的偏置下，在任何工作条件下都处于导通状态，分别作为反相器的上拉电阻和下拉电阻。四条延时单元中M1的导通与关断分别由B1～B4控制，当它们导通时，便减小了反相器的上拉电阻，当它们关断时，便增大了反相器的上拉电阻，同理四条延时单元中M2的导通与关断分别由B1～B4的取反信号控制，它们的开通与关断影响了下拉电阻的大小，B1～B4信号的取反由四条延时单元中反相器INV1实现；故该电路结构就是通过改变上拉和下拉电阻的大小实现了对延时的控制。

电流元用于将延时后的数字方波信号转换为电流方波信号输出；如图4所示，电流元由一电流源I、一反相器INV2、七个MOS管M21～M27和两个电阻R1～R2组成；其中，电流源I的输入端接电源电压VDD，电流源I的输出端与MOS管M21的源极和MOS管M22的源极相连，MOS管M21的栅极和MOS管M22的栅极分别接收给定的偏置电压信号V1和偏置电压信号V2，MOS管M21的漏极与MOS管M23的源极和MOS管M24的源极相连，MOS管M22的漏极与MOS管M25的源极和MOS管M26的源极相连，MOS管M23的栅极与MOS管M25的栅极和反相器INV2的输入端相连且为电流元的输入端，反相器INV2的输出端与MOS管M24的栅极和MOS管M26的栅极相连，MOS管M23的漏极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端接地，MOS管M24的漏极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端接地，MOS管M25的漏极为电流元的输出端，MOS管M26的漏极与MOS管M27的漏极和栅极相连，MOS管M27的源极接地；其中，MOS管M21～M26均为PMOS管，MOS管M27为NMOS管。

电流元包含一个输入端和一个输出端；输入端与延时电路的输出端相连接收延时后的数字方波信号，输出端输出电流方波信号；如图10所示，本实施方式中，输入的数字方波信号为电压信号，其电压幅值为1.8V，输出的电流方波信号为电流信号，其电流幅值为30uA，且两信号间的移相角为180度。如图4所示，当电流元正常工作时，偏置电压V2拉高，将M22关断，由于偏置电压V1在任何工作状态下都使得M21导通，电流源I的电流均流向M21，M23和M24分别由输入信号及其反相信号控制，输入信号的反相信号通过INV2得到，同一时间M23和M24只有一个导通，因此，电流元正常工作时，I的电流要么通过M21和M23流向R1，要么通过M21和M24流向R2。当电流元处于校正状态时，偏置电压V2拉低，使得M22导通，I的电流将有一部分流向M22，M25和M26分别由输入信号及其反相信号控制，同一时间M25和M26只有一个导通，因此，流过M22的电流要么通过M25从输出端OUT流出，要么通过M26流向M27，M27为二极管方式连接的作为负载的MOS管。

时域误差校正单元包括一电流方波检测器、一时间差放大器和一时数转换器；其中：

电流方波检测器用于采集基准数模转换通道输出的电流方波信号和任一待测数模转换通道输出的电流方波信号，并将这两个信号分别转换为第一电压信号和第二电压信号；电流方波检测器由两个电流比较器组成；如图5所示，电流比较器由七个MOS管M31～M37和两个反相器INV3～INV4组成；其中，MOS管M32的栅极与MOS管M31的栅极和漏极相连且为电流比较器的输入端，MOS管M32的漏极与MOS管M33的漏极、MOS管M34的源极、MOS管M35的源极、MOS管M36的栅极和MOS管M37的栅极相连，MOS管M33的栅极接收给定的偏置电压信号VB，MOS管M34的栅极与MOS管M35的栅极、MOS管M36的漏极、MOS管M37的漏极和反相器INV3的输入端相连，MOS管M33的源极与MOS管M34的漏极和MOS管M37的源极相连并接电源电压VDD，MOS管M31的源极与MOS管M32的源极、MOS管M35的漏极和MOS管M36的源极相连并接地，反相器INV3的输出端与反相器INV4的输入端相连，反相器INV4的输出端为电流比较器的输出端；其中，MOS管M33、M35和M37均为PMOS管，MOS管M31、M32、M34和M36均为NMOS管。

电流比较器包含一个输入端和一个输出端，其中，输入信号为电流信号，输出信号为电压信号；如图11所示，当输入的电流信号大于i＝500nA时，输出电压信号输出逻辑高电平1.8V，当输入电流信号小于500nA时，输出电压信号输出逻辑低电平0V。两个电流比较器其中的一个电流比较器的输入端与基准数模转换通道对应的电流元的输出端相连以接收电流方波信号，输出端输出第一电压信号；另一个电流比较器的输入端与待测数模转换通道对应的电流元的输出端相连以接收电流方波信号，输出端输出第二电压信号；电流比较器的结构中，M31成二极管形式连接，并与M32形成电流镜结构，实现将输入的电流信号复制给M32，M33为由电压VB偏置的小电流源，电流大小为500nA。当输入电流为0A时，M31和M32上的电流均为0，此时M33上的电流均流向M35，M35导通作用加上M37和M36所组成反相器的正反馈功能将会快速拉低M35栅端的电压，拉高M35源端的电压，从而将M34关断，并且由于M35栅端电压(同时也为M36漏端电压)的下降，输出端OUT将输出逻辑低电平；当输入电流大于500nA时，M31和M32的电流均大于500nA，此时，M33的电流均流向M32，同时有电流将流过M34，M34的导通效应加上M37和M36所组成的反相器的正反馈作用，将迅速拉高M34栅端电压，拉低M34源端电压，从而关断M35，并且由于M34栅端电压(同时也是M37的漏端电压)升高，输出端OUT将输出逻辑高电平；因此，该电路结构能够实现将输入电流方波转化为输出电压方波的功能。

时间差放大器用于对第一电压信号与第二电压信号之间的时域误差进行放大；如图6所示，时间差放大器由两个互斥单元U1～U2和两个或门OR1～OR2组成；其中，互斥单元U1的第一输入端与互斥单元U2的第二输入端相连且为时间差放大器的第一信号输入端，互斥单元U2的第一输入端与互斥单元U1的第二输入端相连且为时间差放大器的第二信号输入端，互斥单元U1的第一输出端和第二输出端分别与或门OR1的两个输入端相连，互斥单元U2的第一输出端和第二输出端分别与或门OR2的两个输入端相连，或门OR1的输出端和或门OR2的输出端分别为时间差放大器的第一信号输出端和第二信号输出端；如图8所示，互斥单元由两个与非门NAND1～NAND2和四个MOS管M41～M44组成；其中，与非门NAND1的第一输入端和与非门NAND2的第一输入端分别为互斥单元的第一输入端和第二输入端，与非门NAND1的第二输入端与第二与非门的输出端、MOS管M41的源极、MOS管M43的栅极和MOS管M44的栅极相连，第二与非门的第二输入端与第一与非门的输出端、MOS管M43的源极、MOS管M41的栅极和MOS管M42的栅极相连，MOS管M42的源极与MOS管M44的源极相连并接地，MOS管M41的漏极与MOS管M42的漏极相连且为互斥单元的第一输出端，MOS管M43的漏极与MOS管M44的漏极相连且为互斥单元的第二输出端；其中，MOS管M41和M43均为PMOS管，MOS管M42和M44均为NMOS管。

时间差放大器包含两个信号输入端和两个信号输出端；其中，第一信号输入端SIN1与电流方波检测器中的第一电流比较器的输出端相连以接收第一电压信号，第二信号输入端SIN2与电流方波检测器中的第二电流比较器的输出端相连以接收第二电压信号；若第一电压信号和第二电压信号为频率相同，幅值相同，占空比相同的方波，并且第一电压信号与第二电压信号之间存在Δt的时间延时，那么时间差放大器的两个信号输出端输出的两个电压信号也为频率相同，幅值相同，占空比相同的方波，且输出的两个电压信号之间会存在ΔT＝βΔt的时间延时，β为时间差放大电路的放大倍数，本实施方式中，β＝10，Δt＝1ps；则输出两个电压信号之间便会存在ΔT＝10ps的时间延时，其波形关系如图12所示。

互斥单元的功能在于可以判断IN1与IN2对应输入信号的上升沿哪个先出现，比如原来IN1和IN2的输入均为0V，当IN1出现上升沿而IN2没有出现上升沿时，与非门NAND1的输出电平将会下降，而与非门NAND2的输出电平依旧为高电平，此时，M41将会开通，而M42、M43、M44均关断，OUT1将输出上升沿，而OUT2依旧维持在低电平，IN2上升沿先出现的情况类似。故总结可得：当IN1上升沿先出现时，OUT1变为高电平，OUT2为低电平；IN2上升沿先出现时，OUT1为低电平，OUT2变为高电平；而当IN1和IN2的上升沿同时出现，或者它们之间的上升沿延时相差不大时，又可利用其亚稳态的原理，组合作为时间差放大器。放大器中当SIN1和SIN2的上升沿时间差为皮秒级时，利用互斥单元的亚稳态原理，输出SOUT1和SOUT2之间的时间差ΔT可用公式表示为：

ΔT＝τln(t_off+Δt)-τln(t_off-Δt)

其中：τ为与电路中器件大小有关的常量，Δt为SIN1和SIN2的上升沿之间存在的时间差，t_off为互斥单元中与非门NAND1与NAND2之间存在不匹配而引入的时间量。

对上式求导，可得：

从该式中可知ΔT与Δt之间存在线性放大关系。

时数转换器用于接收时域误差放大后的第一电压信号和第二电压信号，并提取这两个信号之间的时域误差，并根据该时域误差产生延时控制信号以校正对应的待测数模转换通道。如图7所示，时数转换器由四个时数转换单元依次级联而成；其中，第一时数转换单元的第一输入端和第二输入端分别为时数转换器的第一输入端和第二输入端，第i-1时数转换单元的第一级联端和第二级联端分别与第i时数转换单元的第一输入端和第二输入端相连，第4时数转换单元的第一级联端和第二级联端均悬空，四个时数转换单元的输出端分别输出延时控制信号对应的4位数字码(B1～B4)；i为自然数且2≤i≤4；时数转换单元由一互斥单元U3和四个反相器INV5～INV8组成；其中，互斥单元U3的第一输入端与反相器INV5的输入端相连且为时数转换单元的第一输入端，互斥单元U3的第二输入端与反相器INV7的输入端相连且为时数转换单元的第二输入端，反相器INV5的输出端与反相器INV6的输入端相连，反相器INV7的输出端与反相器INV8的输入端相连，反相器INV6的输出端和反相器INV8的输出端分别为时数转换单元的第一级联端和第二级联端，互斥单元U3的第一输出端为时数转换单元的输出端。

时数转换器包含两个输入端和一个输出端口；其中，两个输入端分别与时间差放大器的两个信号输出端相连，输出端口与每条待测数模转换通道中延时电路的控制端相连；如果输入端IN1和输入端IN2对应的两个输入信号为频率相同，幅值相同，占空比相同的方波，且两个输入信号之间存在ΔT的时间延时，那么输出端口则输出能够表示ΔT大小的数字量。

如图7所示，四个时数转换单元中的INV5和INV6为四个相同的反相器对，且归为第一类反相器对；INV7和INV8也为四个相同的反相器对，且归为第二类反相器对；第一类反相器对的延时比第二类反相器对的延时少5ps；互斥单元U3的结构如图8所示，作用在于判断两个输入信号上升沿哪个先到来。时间差放大器输出的两个电压信号为输入信号，先由第一时数转换单元中的互斥单元判断两个电压信号的上升沿哪个先出现，若IN1上升沿先出现，则B1被置为高电平，若IN2上升沿先出现，则B1被置为低电平，IN1在经过INV5和INV6的延时之后的信号与IN2经过INV7和INV8延时之后的信号再次交由第二时数转换单元比较，比较结果再对B2赋值，以此类推，最终得到B1～B4。

本实施方式的校正流程为：首先，基准数模转换通道和待测数模转换通道的锁存器分别提供1.8V、10MHZ、50％占空比、相位基本一致但可能存在略微偏差的两个数字方波信号给各自对应延时电路；基准数模转换通道和待测数模转换通道的电流元分别将各自对应的延时电路输出幅值为1.8V的电压方波转换为30uA的电流方波输出；然后，电流方波检测器将两个电流元输出的幅值为30uA两个电流方波分别转换为幅值为1.8V两个电压方波输出；时间差放大器将电流方波检测器输出的两个电压方波之间存在的延时差放大10倍后再将两个电压方波输出给时数转换器；最后，时数转换器将输入的两个方波之间的时间差转化为数字量，输出给待测数模转换通道的延时电路，则延时电路根据时数转换器的输出的数字控制量对延时大小进行调整；依此循环，直至基准数模转换通道和待测数模转换通道的电流元输出的信号同步。

本实施方式中，基准通道的延时电路的延时控制信号一直设定为0000，待测通道的延时电路的延时控制信号初始值也为0000，由于基准锁存器的输出方波信号相比于其他锁存器的输出方波信号存在延时，导致基准数模转换通道的输出波形相比于待测数模转换通道的输出波形存在延时，设该延时量为1ps，并且时间差放大器的放大倍数为10倍，则时数转换器的第一输入信号将领先第二输入信号10ps，经过时数转换器检测之后输出的B1～B4的信号为1100，该信号作为延时控制信号传输给延时电路，若每个延时单元的变化会造成500fs的延时，则当延时控制信号从0000变为1100时，延时电路将会在原有延时基础上再延时1ps，这样便完成了对该数模转换通道的时域误差校正。

Claims

1.一种具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，包括：n+1条数模转换通道和一时域误差校正单元；n+1条数模转换通道分为一条基准数模转换通道和n条待测数模转换通道，所述的时域误差校正单元用于向待测数模转换通道提供延时控制信号，n为大于1的自然数；其特征在于：

所述的数模转换通道包括：

锁存器，用于产生数字方波信号；

延时电路，用于对数字方波信号进行延时输出；其中，基准数模转换通道的延时电路根据给定的基准延时信号对数字方波信号进行延时输出，待测数模转换通道的延时电路根据所述的延时控制信号对数字方波信号进行延时输出；所述的延时控制信号和基准延时信号均为m位的数字码；m为大于1的自然数；

所述的时域误差校正单元包括：

2.根据权利要求1所述的具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，其特征在于：所述的延时电路由m个延时单元和四个MOS管M11～M14组成；其中，所述的延时单元的第一输入端与MOS管M11的源极相连并接电源电压，延时单元的第一输出端与MOS管M11的漏极和MOS管M12的源极相连，MOS管M11的栅极接收给定的偏置电压信号vpb，MOS管M12的栅极与MOS管M13的栅极相连且为延时电路的输入端，MOS管M12的漏极与MOS管M13的漏极相连且为延时电路的输出端，延时单元的第二输入端与MOS管M13的源极和MOS管M14的漏极相连，延时单元的第二输出端与MOS管M14的源极相连并接地；MOS管M14的栅极接收给定的偏置电压信号vnb。

3.根据权利要求2所述的具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，其特征在于：所述的延时单元由两个MOS管M1～M2和一个反相器INV1组成；其中，MOS管M1的源极为延时单元的第一输入端，MOS管M1的漏极为延时单元的第一输出端，MOS管M1的栅极与反相器INV1的输入端相连且为延时单元的控制端，反相器INV1的输出端与MOS管M2的栅极相连，MOS管M2的漏极为延时单元的第二输入端，MOS管M2的源极为延时单元的第二输出端；m个延时单元的控制端分别接收延时控制信号对应的m位数字码或基准延时信号对应的m位数字码。

4.根据权利要求1所述的具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，其特征在于：所述的电流元由一电流源I、一反相器INV2、七个MOS管M21～M27和两个电阻R1～R2组成；其中，电流源I的输入端接电源电压，电流源I的输出端与MOS管M21的源极和MOS管M22的源极相连，MOS管M21的栅极和MOS管M22的栅极分别接收给定的偏置电压信号V1和偏置电压信号V2，MOS管M21的漏极与MOS管M23的源极和MOS管M24的源极相连，MOS管M22的漏极与MOS管M25的源极和MOS管M26的源极相连，MOS管M23的栅极与MOS管M25的栅极和反相器INV2的输入端相连且为电流元的输入端，反相器INV2的输出端与MOS管M24的栅极和MOS管M26的栅极相连，MOS管M23的漏极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端接地，MOS管M24的漏极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端接地，MOS管M25的漏极为电流元的输出端，MOS管M26的漏极与MOS管M27的漏极和栅极相连，MOS管M27的源极接地。

5.根据权利要求1所述的具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，其特征在于：所述的电流方波检测器由两个电流比较器组成；所述的电流比较器由七个MOS管M31～M37和两个反相器INV3～INV4组成；其中，MOS管M32的栅极与MOS管M31的栅极和漏极相连且为电流比较器的输入端，MOS管M32的漏极与MOS管M33的漏极、MOS管M34的源极、MOS管M35的源极、MOS管M36的栅极和MOS管M37的栅极相连，MOS管M33的栅极接收给定的偏置电压信号VB，MOS管M34的栅极与MOS管M35的栅极、MOS管M36的漏极、MOS管M37的漏极和反相器INV3的输入端相连，MOS管M33的源极与MOS管M34的漏极和MOS管M37的源极相连并接电源电压，MOS管M31的源极与MOS管M32的源极、MOS管M35的漏极和MOS管M36的源极相连并接地，反相器INV3的输出端与反相器INV4的输入端相连，反相器INV4的输出端为电流比较器的输出端。

6.根据权利要求1所述的具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，其特征在于：所述的时间差放大器由两个互斥单元U1～U2和两个或门OR1～OR2组成；其中，互斥单元U1的第一输入端与互斥单元U2的第二输入端相连且为时间差放大器的第一信号输入端，互斥单元U2的第一输入端与互斥单元U1的第二输入端相连且为时间差放大器的第二信号输入端，互斥单元U1的第一输出端和第二输出端分别与或门OR1的两个输入端相连，互斥单元U2的第一输出端和第二输出端分别与或门OR2的两个输入端相连，或门OR1的输出端和或门OR2的输出端分别为时间差放大器的第一信号输出端和第二信号输出端。

7.根据权利要求1所述的具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，其特征在于：所述的时数转换器由m个时数转换单元依次级联而成；其中，第一时数转换单元的第一输入端和第二输入端分别为时数转换器的第一输入端和第二输入端，第i-1时数转换单元的第一级联端和第二级联端分别与第i时数转换单元的第一输入端和第二输入端相连，第m时数转换单元的第一级联端和第二级联端均悬空，m个时数转换单元的输出端分别输出延时控制信号对应的m位数字码；i为自然数且2≤i≤m。

8.根据权利要求7所述的具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，其特征在于：所述的时数转换单元由一互斥单元U3和四个反相器INV5～INV8组成；其中，互斥单元U3的第一输入端与反相器INV5的输入端相连且为时数转换单元的第一输入端，互斥单元U3的第二输入端与反相器INV7的输入端相连且为时数转换单元的第二输入端，反相器INV5的输出端与反相器INV6的输入端相连，反相器INV7的输出端与反相器INV8的输入端相连，反相器INV6的输出端和反相器INV8的输出端分别为时数转换单元的第一级联端和第二级联端，互斥单元U3的第一输出端为时数转换单元的输出端。

9.根据权利要求6或8所述的具有时域误差校正功能的电流舵数模转换器，其特征在于：所述的互斥单元由两个与非门NAND1～NAND2和四个MOS管M41～M44组成；其中，与非门NAND1的第一输入端和与非门NAND2的第一输入端分别为互斥单元的第一输入端和第二输入端，与非门NAND1的第二输入端与第二与非门的输出端、MOS管M41的源极、MOS管M43的栅极和MOS管M44的栅极相连，第二与非门的第二输入端与第一与非门的输出端、MOS管M43的源极、MOS管M41的栅极和MOS管M42的栅极相连，MOS管M42的源极与MOS管M44的源极相连并接地，MOS管M41的漏极与MOS管M42的漏极相连且为互斥单元的第一输出端，MOS管M43的漏极与MOS管M44的漏极相连且为互斥单元的第二输出端。