CN103560787A - 宽输入范围线性电压时间转换方法及转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子学的模拟集成电路设计领域，为进一步增加传统VTC的输入范围，使VTC在较大输入范围下仍能保持线性特性，本发明采用的技术方案是，宽输入范围线性电压时间转换器，包括：两个采样开关Sh，两个放电开关Sd，两个采样电容CH或CL和Cref，其中的H代表高，L代表低；两个电流源I和两个比较器Com1和Com2；两个采样开关Sh闭合将输入的两组模拟电压信号由采样电容CH或CL和Cref采样；然后采样开关Sh断开，放电开关Sd闭合，从而完成在特定时间内对采样电容的放电，比较器Com1和Com2通过检测电容两端电压并与比较信号进行比较。本发明主要应用于模拟集成电路设计。
Description
技术领域
本发明涉及微电子学的模拟集成电路设计领域，特别涉及一种宽输入范围线性电压时间转换器。
技术背景
电压时间转换器（Voltage to time converter,VTC）是时域ADC的重要器件。VTC将电压信号转换为时间信号，转换的时间再由后级电路进行数字量化。线性度和输入范围是衡量VTC性能的重要指标。
上述技术至少存在以下缺点和不足：
传统提出的电压时间转换器的输入范围都只有几十到几百毫伏，对应的转换时间为几十皮秒，因为只有在这个范围内才能保证线性输出。除此之外，现有技术中提到的电压时间转换器的线性度都受限于器件传输特性，线性度很难进一步得到提高。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在进一步增加传统VTC的输入范围，使VTC在较大输入范围下仍能保持线性特性，为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，宽输入范围线性电压时间转换器，包括：包括：两个采样开关Sh，两个放电开关Sd，两个采样电容CH或CL和Cref，其中的H代表高，L代表低；两个电流源I和两个比较器Com1和Com2；
第一个采样开关Sh的一端接模拟输入VH或VL，另一端接采样电容CH或CL的一端和第一个放电开关Sd的一端，采样电容CH或CL的另一端接地，第一个放电开关Sd的另一端接第一个电流源I的流入端和第一个比较器Com1的负端，第一个电流源I的流出端接地，第一个比较器的正端和第二个比较器的正端相连，共同接比较电压Vcm；第一个比较器Com1的输出端为高时输出时间为TH，或者第一个比较器Com1的输出端为低时输出时间为TL；
第二个采样开关Sh的一端接模拟输入Vref，另一端接参考采样电容Cref的一端和第二个放电开关Sd的一端，参考采样电容Cref的另一端接地；第二个放电开关Sd的另一端接第二个电流源I的流入端和第二个比较器Com2的负端，第二个电流源I的流出端接地，第二个比较器的输出端Com2为输出参考时间TR。
宽输入范围线性电压时间转换方法借助于前述转换器实现，包括如下步骤：两个采样开关Sh闭合将输入的两组模拟电压信号由采样电容CH或CL和Cref采样。然后采样开关Sh断开，放电开关Sd闭合，从而完成在特定时间内对采样电容的放电，比较器Com1和Com2通过检测电容两端电压并与比较信号进行比较，从而实现脉冲输出，完成模拟电压到时间信号的转换。
本发明具备下列技术效果：
本发明提供了一种宽输入范围线性电压时间转换器，与传统时间VTC相比，提出的VTC 不依赖于器件的传输特性，而是采用电容-比较器的充放电模式来实现电压到时间的转换，这种工作方式具有较大的输入范围和良好的线性度的特点。上述电路和具体的实现方法，实现了对输入模拟电压信号到时间信号的转换，满足了实际应用中的需要。
附图说明
图1是本发明提供的宽输入范围线性电压时间转换电路原理示意图；
图2是本发明提供的宽输入范围线性电压时间转换电路时序图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
VH:高输入电压； VL:低输入电压；
Vref:输入参考电压； Vcm:比较电压；
I：电流源； Sh:采样开关； Sd:放电开关；
CH(L):高/低输入电压采样电容； Cref:输入参考电压采样电容；
Com1：比较器1； Com2：比较器2；
TH(L):高/低输出时间； TR：输出参考时间。
具体实施方式
为了增加传统VTC的输入范围，使输出在较大范围内保持线性，本发明提供了一种时间放大器电路，详见下文描述：
宽输入范围线性电压时间转换器（VTC）的电路结构参见图1，实现电路包括：两个采样开关Sh，两个放电开关Sd，两个采样电容CH(L)和Cref，两个电流源I和两个比较器Com1和Com2。
第一个采样开关Sh的一端接模拟输入VH（L），另一端接采样电容CH(L)的一端和第一个放电开关Sd的一端。采样电容CH(L)的另一端接地。第一个放电开关Sd的另一端接第一个电流源I的流入端和第一个比较器Com1的负端。第一个电流源I的流出端接地。第一个比较器的正端和第二个比较器的正端相连，共同接比较电压Vcm。第一个比较器Com1的输出端为高（低）输出时间TH(L)。
第二个采样开关Sh的一端接模拟输入Vref，另一端接参考采样电容Cref的一端和第二个放电开关Sd的一端。参考采样电容Cref的另一端接地。第二个放电开关Sd的另一端接第二个电流源I的流入端和第二个比较器Com2的负端。第二个电流源I的流出端接地。第二个比较器的输出端Com2为输出参考时间TR。
两个采样开关Sh闭合将输入的两组模拟电压信号由采样电容CH(L)和Cref采样。然后采样开关Sh断开，放电开关Sd闭合，从而完成在特定时间内对采样电容的放电，比较器Com1和Com2通过检测电容两端电压并与比较信号进行比较，从而实现脉冲输出，完成模拟电压到时间信号的转换。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
以图1对该图工作方法进行说明，详见下文描述：
图1显示了提出的宽输入范围线性电压时间转换器结构。图2显示的是其对应的时序图。为简化分析，忽略各级门延迟。如图2所示，在初始阶段，采样开关Sh闭合，放电开关Sd断开。采样电容CH（L）和Cref在采样电压VH（或VL）和Vref下充电，当采样电压为高于Vref的VH时，采样电容被充电为VH，当采样电压为低于Vref的VL时，采样电容被充电为VL。在t0时刻，两个采样开关Sb断开，两个放电开关Sd同时闭合。这时采样电容CH（L）和Cref上的电压开始以时间为函数线性减小。当采样电容CH（L）和Cref上的电压低于比较器Com1和Com2的阈值电压时，两个比较器的输出发生翻转。假设电流源I是相同的，那么TR和TH（或TL）之间的时间差就和输入电压差VH（或VL）和Vref线性相关。
当输入电压为VL时，其电压值低于Vref，则Vref和VL的放电时间差为：
同理，当输入电压为VH时，其电压值高于Vref，则VH和Vref的放电时间差为：
时间差值TH-TL是时间转换器的转换范围。输入电压范围为VH-VL，和时间差值成比例。选择合适的电流源I和电容值C，提出的线性时间转换器可以比传统的电压时间转换器获得更大的线性输入范围。
下面以一种宽输入范围线性电压时间转换器为例，分析其工作原理，详见下文描述：
假设采用如下参数VDD为1.8V，VSS为0V，C为150fF，I为10μA,Vcm为0.6V，VL为0.9V，VH为1.5V，VR为1.2V。在初始阶段，采样电容完成对输入模拟电压的采样。若输入的模拟电压为VH和Vref，在t0=5ns时，两组采样电容开始放电。在t3=22.5ns和t2=18ns时，两组比较器发生翻转，输出TH和TR，输出时间差TH-TR和电压差VH-Vref成线性关系。若输入的模拟电压为Vref和VL，在t0=5ns时，两组采样电容开始放电。在t2=18ns和t1=13.5ns时，两组比较器发生翻转，输出TH和TR，输出时间差TH-TR和电压差VH-Vref成线性关系。从而完成了输入电压信号到时间信号的转换。传统电压时间转换器的输入电压几十毫伏，转换时间几百皮秒，提出的电压时间转换器的输入电压范围可达0.6V，转换时间可达纳秒级，相比传统的转化器性能有很大提高。
Claims (2)
1.一种宽输入范围线性电压时间转换器，其特征是，包括：两个采样开关Sh，两个放电开关Sd，两个采样电容CH或CL和Cref，其中的H代表高，L代表低；两个电流源I和两个比较器Com1和Com2；
第一个采样开关Sh的一端接模拟输入VH或VL，另一端接采样电容CH或CL的一端和第一个放电开关Sd的一端，采样电容CH或CL的另一端接地，第一个放电开关Sd的另一端接第一个电流源I的流入端和第一个比较器Com1的负端，第一个电流源I的流出端接地，第一个比较器的正端和第二个比较器的正端相连，共同接比较电压Vcm；第一个比较器Com1的输出端为高时输出时间为TH，或者第一个比较器Com1的输出端为低时输出时间为TL，前；
第二个采样开关Sh的一端接模拟输入Vref，另一端接参考采样电容Cref的一端和第二个放电开关Sd的一端，参考采样电容Cref的另一端接地；第二个放电开关Sd的另一端接第二个电流源I的流入端和第二个比较器Com2的负端，第二个电流源I的流出端接地，第二个比较器的输出端Com2为输出参考时间TR。
2.一种宽输入范围线性电压时间转换方法，其特征是，借助于权1所述转换器实现，包括如下步骤：两个采样开关Sh闭合将输入的两组模拟电压信号由采样电容CH或CL和Cref采样；然后采样开关Sh断开，放电开关Sd闭合，从而完成在特定时间内对采样电容的放电，第一个比较器Com1和第二个Com2通过检测电容两端电压并与比较信号进行比较，从而实现脉冲输出，完成模拟电压到时间信号的转换。
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