CN103501164B - 一种时间放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种时间放大器，包括：控制信号生成模块，用于根据时钟信号生成控制信号；时间‑中间量转换模块，用于将输入时间转换为中间量，并且用于根据所述控制信号将所述中间量清零；参考值生成模块，用于生成参考值，并且用于根据所述控制信号将所述参考值清零；比较模块，用于将所述中间量和所述参考值进行比较，输出放大后的时间。本发明的时间放大器的输出的开始时间与输入无关，可以与时钟存在固定的相位关系，适合在同步电路中集成；并且其输入到输出的延时由电路结构决定，与输入时间的大小无关，具有可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及电子测量和信号处理，尤其涉及一种时间放大器。
背景技术
在电子测量和信号处理领域，时间放大器，又称时间差分放大器，是一种放大两个信号间的时间间隔的装置，时间间隔是结束时间与开始时间的差。结束时间和开始时间可以由信号的下降沿和上升延或上述两者发生的时间表示。时间放大器的放大倍数定义为时间放大器的输出时间间隔除以时间放大器的输入时间间隔的值。时间放大器可以用于距离测量等应用中，是时间域信号处理电路的基本装置。
时间放大器可以由互斥（Mutual Exclusion,MUTEX）单元或两个交叉耦合的运算跨导放大器实现。这两种结构的时间放大器通过互斥或交叉耦合的结构，放大输入的时间间隔。现有的时间放大器输出的开始时间与输入相关，换言之，时间放大器输入到输出的延时与输入大小有关。在输入大小不确定的情况下，输出的开始时间是不确定的。由于现有的时间放大器的电路没有引入固定周期的时钟信号，使其在目前普遍采用同步电路的环境下存在难以集成的困难。
时间放大器的输入和输出是时间，时间表达可以是信号的边沿（上升延、下降沿）、电平、或其边沿和电平的组合。图1是现有的两种可以相互转换的时间放大的输入输出方式。
图1的上半部分示出了一种时间放大的输入输出及其时序，其中，其输入时间和输出时间均为两个信号。Tin-start代表输入的开始时间，Tin-stop代表输入的结束时间，Tout-start代表输出的开始时间，Tout-stop代表输出的结束时间。在右边的时序图中，Tin代表输入的时间间隔，Tout代表输出的时间间隔，时间间隔为输入或输出的结束时间与开始时间之差。
图1的下半部分示出了另一种时间放大器的输入输出及其时序，不同之处在于，其输入时间和输出时间均为一个信号。Tin代表输入的时间，Tout代表输出的时间，Tin代表输入的时间间隔，Tout代表输出的时间间隔，时间间隔为输入或输出信号的上升沿和下降沿确定。
从图1中可以看出，当输入结束后，输出的开始时间与输入有关，输入到输出的延迟不确定。当希望把时间放大器放到同步电路中时，现有的时间放大器结构/电路存在难以集成的困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够克服上述缺陷的时间放大器。
本发明提供了一种时间放大器，包括：控制信号生成模块，用于根据时钟信号生成控制信号；时间-中间量转换模块，用于将输入时间转换为中间量，并且用于根据所述控制信号将所述中间量清零；参考值生成模块，用于生成参考值，并且用于根据所述控制信号将所述参考值清零；比较模块，用于将所述中间量和所述参考值进行比较，输出放大后的时间。
优选地，所述控制信号是一个复位信号，所述复位信号用于所述中间量清零和所述参考值清零，所述输入时间的开始时间和所述放大后的时间的开始时间与所述时钟信号有固定的相位关系。
优选地，所述控制信号包括第一复位信号和第二复位信号；所述第一复位信号用于所述中间量清零，所述第二复位信号用于所述参考值清零；所述输入时间包括多个顺序的时间间隔，前后两个时间间隔之间至少存在一个没有时间间隔的时钟周期。
优选地，所述第一复位信号是通过所述时钟信号与所述时钟信号的延时反相信号进行与操作，再将与操作的结果与所述时钟信号的放大信号进行与操作得到的；
所述第二复位信号是通过所述时钟信号与所述时钟信号的延时反相信号的与操作的结果，再将与操作的结果与所述时钟信号的放大信号的反相信号进行与操作得到的。
优选地，所述时间放大器还包括：切换电路；所述时间-中间量切换模块包括第一路和第二路，用于分别将时间输入的原始时间间隔转换为第一中间量和第二中间量；所述控制信号包括第一复位信号，第二复位信号，第三复位信号和切换信号；所述第一复位信号用于所述第一中间量清零，所述第二复位信号用于所述第二中间量清零，所述第三复位信号用于所述参考值清零；所述切换电路根据所述切换信号在所述第一路和所述第二路之间切换，当所述第一路接受时间输入时所述第二中间量与所述参考值进行比较，当所述第二路接受时间输入时所述第一中间量与所述参考值进行比较；所述放大后的时间的开始时间与所述时钟信号有固定的相位关系。
优选地，所述第一复位信号是通过所述时钟信号与所述时钟信号的延时反相信号进行与操作，再将与操作的结果与所述时钟信号的放大信号进行与操作得到的；所述第二复位信号是通过所述时钟信号与所述时钟信号的延时反相信号的与操作的结果，再将与操作的结果与所述时钟信号的放大信号的反相信号进行与操作得到的；所述第三复位信号是通过所述时钟信号与所述时钟信号的延时反相信号进行与操作得到的；所述切换信号是通过将所述时钟信号进行放大得到的
优选地，所述时间-中间量转换模块包括：电流源、第一开关电路、第二开关电路和电容；所述第一开关电路在所述输入时间的控制下通过所述电流源对所述电容充电，所述电容电压为所述中间量；所述第二开关电路在所述控制信号的控制下使所述电容放电。
优选地，所述参考值生成模块包括：电流源、开关电路和电容；所述电流源对所述电容充电，所述电容电压为所述参考值；所述开关电路在所述控制信号的控制下使所述电容放电。
优选地，所述比较模块是电压放大器，其两个输入为所述中间量和所述参考值。
优选地，所述参考值生成模块还被配置为接收所述放大后的时间，在所述放大后的时间的控制下将所述参考值保持不变。
本发明的时间放大器的输出的开始时间与输入无关，可以与时钟存在固定的相位关系，适合在同步电路中集成；并且其输入到输出的延时由电路结构决定，与输入时间的大小无关，具有可扩展性。
附图说明
图1是现有的两种可以相互转换的时间放大的输入输出方式；
图2是根据本发明的时间放大器的示意框图。；
图3是图2的时间放大器的一个实施例的电路示意图；
图4是图3的电路时序图；
图5是图3的时间放大器的具体电路图；
图6是图3的时间放大器的一个变形；
图7是图2的时间放大器的另一个实施例的电路示意图；
图8为图7的电路时序图；
图9是图2的时间放大器的又一个实施例的电路示意图；
图10是图9电路的时序图；
图11是根据本发明的具有反馈控制的时间放大器的示意框图；
图12是图11的时间放大器的一个实施例的电路示意图；
图13是图12的电路时序图；
图14是图11的时间放大器的具体电路图；
图15是图11的时间放大器的另一个实施例的电路示意图；
图16是图15的电路时序图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图2是根据本发明的时间放大器的示意框图。
如图2所示，时间放大器包括时间-中间量转换模块、参考值生成模块、比较模块和控制信号生成模块。控制信号生成模块，用于将时钟信号生成周期性的控制信号。时间-中间量转换模块，用于接受时间输入，并且在控制信号的控制下将时间输入的时间间隔转换成中间量，并且用于根据控制信号将中间量清零；参考值生成模块，用于根据控制信号生成参考值，并且用于根据控制信号将参考值清零；比较模块，用于将所述中间量和所述参考值进行比较，得出放大后的时间/放大后的时间间隔。因为控制信号与时钟信号的关联，使得时间放大器输出的开始时间与时钟有固定的相位关系，从而便于时间放大器便于在同步电路集成和扩展。本领域技术人员应当理解，对中间量和参考值的清零并非必须是绝对意义上的清“零”，例如，当中间量和参考值是电压值的情况下，所谓的“清零”可以通过接地或固定电位（即系统设定的零值）来实现。
图3是图2的时间放大器的一个实施例的电路示意图。
控制信号生成模块接受时钟信号并输出复位信号，其中，复位信号通过将时钟信号与其延时后的反相信号进行与操作得到。
时间-中间量转换模块包括电流源、两个开关和电容，时间输入用于控制与电流源紧邻的开关/输入开关，复位信号用于控制另一个开关/复位开关。在时间输入和复位信号的控制下，电容进行充电和放电。
参考值生成模块包括电流源、开关和电容，复位信号用于控制开关/复位开关。电容通过电流源进行充电，并且在复位信号的控制下放电。
比较模块可以由电压放大器实现，其两个输入分别是上述两个电容的电压，即图中A、B两点的电压，时间输出中的时间间隔是时间输入中的时间间隔比较放大后的结果。
时间放大器的放大倍数由时间-中间量转换模块中的电流源和电容，以及参考值生成模块中的电流源和电容决定。时间-中间量转换模块的时间输入控制电流源的电流流向电容，电容的电荷数（Q=It）与充电时间成正比。在电容的电容值已知的情况下，电容电压（A点）与时间成正比（U=Q/C=It/C）。参考值生成模块中的电流源对其中的电容充电，电容电压（B点）与时间成正比。A点电容电压与B点电容电压通过比较模块的比较得出时间输出。时间-中间量转换模块中的电容的电容值C1、时间-中间量转换模块中的的电流源电流值I1、参考值生成模块中的电容的电容值C2、参考值生成模块中的恒定电流源电流值I2可以用于设计/计算放大倍数：(I1/C1)/(I2/C2)。
图4是图3的电路时序图。
在图4中，时间间隔由时间信号的上升延和下降沿表示，设定的放大倍数为2。复位脉冲的时间宽度所占时钟周期的比例很小，图5中为了清晰的显示时序，对复位脉冲的时间宽度的表示做了适当的调整。虽然延时后的时钟信号及其反相信号未示出，但是通过前述说明和图5中的复位信号波形图可以看出其特征。根据时间输入和复位信号的关系可以看出，在复位信号失效的时间即是时间输入的开始时间，同时也是时间输出的开始时间，并且此特征在每个时钟周期内都是如此。因此，根据图5的原理，要求时间输入的开始时间与延时后的时钟沿一致。换言之，图3的时间放大器的时间输入与时间输出的开始时间与时钟都有一定的相位关系。
图5是图3的时间放大器的具体电路图。
在图5中，PMOS起电流源及其开关的作用，NMOS起复位开关的作用，具体设计时，NMOS允许通过的电流应远大于PMOS允许通过的电流。应当理解，对于时间-中间量转换模块，也可如图3所述采用结构上独立的电流源和开关。例如，采用复制电流的电流镜作为提供恒定电流的电流源，采用PMOS作为所述的输入开关，开关在时间输入的控制下对电容充电。
在时间-中间量转换模块中，当输入信号有效且复位信号无效时，PMOS导通，NMOS断开，电流经PMOS流向电容进行充电。当输入信号失效时，PMOS断开，电容电压/A点电压保持。当复位信号有效时，NMOS导通，电流经NMOS从电容流向地进行瞬间放电。
在参考值生成模块中，当复位信号无效时，PMOS导通，NMOS断开，电流经PMOS流向电容进行充电；当复位信号有效时，PMOS断开，NMOS导通，电容经NMOS向地进行瞬间放电。
图6是图3的时间放大器的一个变形。
就时间-中间量转换模块而言，图3和图6的区别在于：图3是电流源输出端连接到输入开关，输入开关再连接到复位开关和电容，复位开关接地；而图6是复位开关连接到电流源输入端和电容，电流源输出端连接到输入开关，输入开关接地。
就参考值生成模块而言，图3和图6的区别在于：图3是电流源输出端连接到复位开关和电容，复位开关接地；图6是复位开关连接到电流源输入端和电容，电流源的输出端接地。
本领域技术人员应当理解，图6同样可以采用如图5之类的具体电路来实现时间放大。
图7是图2的时间放大器的另一个实施例的电路示意图。图8为图7的电路时序图。
上面提到，图3的时间放大器要求时间输入的开始时间与时钟有固定的相位关系，而图7的时间放大器不要求时间输入的开始时间与时钟有固定相位关系。从图7中可见，其与图3的本质区别在于，针对时间-中间量转换模块和参考值生成模块分别采用了两个不同的复位信号，即复位1和复位2。
在图7中，控制信号生成模块根据时钟信号生成复位1和复位2。将时钟信号及其延时反相信号进行与操作，将与操作的结果与时钟信号的放大信号进行与操作，得到复位1。将时钟信号及其延时反相信号进行与操作，将与操作的结果与时钟信号的放大反相信号进行与操作，得到复位2。通过复位1和复位2的控制，时间-中间量转换模块在当前时钟周期内将时间转换成中间量，并保持到下一个时钟周期结束。时间-中间量转换模块中的中间量在下一个时钟周期与参考值生成模块产生的中间量比较得出放大后的时间输出。如图8所示，如果在当前时钟周期内有时间输入，时间-中间量转换模块在下一个时钟周期内保持中间量的值，因此在下一个时钟周期内，不能有时间输入。复位1在每两个时钟周期开始时对时间-中间量转换模块进行复位，复位2在有时间输入的下一个时钟周期开始时对参考值生成模块进行复位。图8中示出的两倍放大倍数意在举例而非限制，其可以通过电流源和电容的设计而被设定为其他值。
图9是图2的时间放大器的又一个实施例的电路示意图。图10是图9电路的时序图。
图9的时间放大器在图7电路的基础上增加切换电路得到。具体地，图9与图7的区别之处在于，图9的时间-中间量转换模块由两路组成，每一路的结构都类似于图7的时间-中间量转换模块，在这两路之间的切换由切换电路进行切换。上一路的复位信号，即复位1与图7一样；下一路的复位信号，即复位2与图7也一样；参考值生成模块的复位信号，即复位通过将时钟信号与其延时后的反相信号进行与操作得到，与图3/图6的复位一样。切换电路由两个切换开关实现，两个切换开关分别切换信号控制进行切换。切换信号是时钟信号的放大信号，例如，图9中是对时钟信号放大两倍后得到的信号。
结合图9和图10可见，通过切换电路，在时间-中间量转换模块中的一路接受时间输入时，另一路生成的中间量与参考值进行比较放大。因此，时间放大器每个时钟周期都能放大输入时间，不要求时间输入的开始时间与时钟有固定相位关系，时间输出的开始时间与时钟有固定的相位关系。
图11是根据本发明的具有反馈控制的时间放大器的示意框图。
图3至图10都是图2时间放大器框图的具体实现。以图3为例，在图3放大器框图的基础上，增加时间输出到参考值生成模块的反馈控制，可以在不必要的时候关闭参考值生成模块中的部分电路，起到降低功耗的作用。
如图11所示，比较模块的时间输出还反馈到参考值生成模块，此反馈控制可以在比较完成后，关闭参考值生成模块中的部分电路，降低图3电路的功耗，得到的电路如图12所示。
图12是图11的时间放大器的一个实施例的电路示意图。图13是图12的电路时序图。图14是图11的时间放大器的具体电路图。
在图3电路的基础上，比较模块的时间输出反馈到参考值生成模块中。具体地，在参考值生成模块中的电流源和复位开关之间增加了一个反馈开关，反馈开关接受时间输出的反馈控制。如图14所示，时间输出经过反相放大后的用于控制反馈开关，反馈开关例如可用PMOS实现。在比较完成后，即时间输出的时间间隔结束时/下降沿，反馈开关PMOS断开，电容不再充电，如此一来，电路的功耗得以降低。
图15是图11的时间放大器的另一个实施例的电路示意图。图16是图15的电路时序图。
图15是在图9的时间放大器的基础上增加反馈控制得到的，其相对于图9的反馈控制改进与图11相对于图3的反馈控制改进相同，具体请参见针对图11的描述。本领域技术人员应当理解，除了以图3和图9为基础的时间放大器之外，降低功耗的反馈控制同样可以应用到上述的其他时间放大器中，其实现原理与本实施例相同，因此不再赘述。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种时间放大器，包括：
控制信号生成模块，用于根据时钟信号生成控制信号；
时间-中间量转换模块，用于将输入时间转换为中间量，并且用于根据所述控制信号将所述中间量清零；
参考值生成模块，用于生成参考值，并且用于根据所述控制信号将所述参考值清零；
比较模块，用于将所述中间量和所述参考值进行比较，输出放大后的时间；
所述时间-中间量转换模块包括：电流源、第一开关电路、第二开关电路和电容；
所述第一开关电路在所述输入时间的控制下通过所述电流源对所述电容充电，所述电容的电压为所述中间量；
所述第二开关电路在所述控制信号的控制下使所述电容放电。
2.根据权利要求1所述的时间放大器，其中，所述控制信号是一个复位信号，所述复位信号用于所述中间量清零和所述参考值清零，所述输入时间的开始时间和所述放大后的时间的开始时间与所述时钟信号有固定的相位关系。
3.根据权利要求1所述的时间放大器，其中：
所述控制信号包括第一复位信号和第二复位信号；
所述第一复位信号用于所述中间量清零，所述第二复位信号用于所述参考值清零；
所述输入时间包括多个顺序的时间间隔，前后两个时间间隔之间至少存在一个没有时间间隔的时钟周期。
4.根据权利要求3所述的时间放大器，其中：
所述第一复位信号是通过所述时钟信号与所述时钟信号的延时反相信号进行与操作，再将与操作的结果与所述时钟信号的放大信号进行与操作得到的；
所述第二复位信号是通过所述时钟信号与所述时钟信号的延时反相信号的与操作的结果，再将与操作的结果与所述时钟信号的放大信号的反相信号进行与操作得到的。
5.根据权利要求1所述的时间放大器，还包括：
切换电路；
所述时间-中间量转换模块包括第一路和第二路，用于分别将时间输入的原始时间间隔转换为第一中间量和第二中间量；
所述控制信号包括第一复位信号，第二复位信号，第三复位信号和切换信号；
所述第一复位信号用于所述第一中间量清零，所述第二复位信号用于所述第二中间量清零，所述第三复位信号用于所述参考值清零；
所述切换电路根据所述切换信号在所述第一路和所述第二路之间切换，当所述第一路接受时间输入时所述第二中间量与所述参考值进行比较，当所述第二路接受时间输入时所述第一中间量与所述参考值进行比较；
所述放大后的时间的开始时间与所述时钟信号有固定的相位关系。
6.根据权利要求5所述的时间放大器，其中：
所述第一复位信号是通过所述时钟信号与所述时钟信号的延时反相信号进行与操作，再将与操作的结果与所述时钟信号的放大信号进行与操作得到的；
所述第二复位信号是通过所述时钟信号与所述时钟信号的延时反相信号的与操作的结果，再将与操作的结果与所述时钟信号的放大信号的反相信号进行与操作得到的；
所述第三复位信号是通过所述时钟信号与所述时钟信号的延时反相信号进行与操作得到的；
所述切换信号是通过将所述时钟信号进行放大得到的。
7.根据权利要求1所述的时间放大器，其中，所述参考值生成模块包括：电流源、开关电路和电容；
所述电流源对所述电容充电，所述电容的电压为所述参考值；
所述开关电路在所述控制信号的控制下使所述电容放电。
8.根据权利要求7所述的时间放大器，其中，所述比较模块是电压放大器，其两个输入为所述中间量和所述参考值。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的时间放大器，其中，所述参考值生成模块还被配置为接收所述放大后的时间，在所述放大后的时间的控制下将所述参考值保持不变。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170118 Termination date: 20200924 |
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