CN108696279B - 电压信号到时间信号的转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电压信号到时间信号的转换器，包括：储能器件、采样电路、充电电路和比较电路；储能器件与采样电路、充电电路和比较电路分别连接；采样电路与储能器件配合，用于对模拟电压输出电路输出的模拟电压信号进行采样；充电电路与储能器件配合，用于采用预设的恒定电流对储能器件进行充电，以使储能器件两端的电压以预设的速率增大；比较电路与储能器件配合，用于将储能器件两端的电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果输出时间脉冲信号。本发明提供的电压信号到时间信号的转换器，具有较高的线性度，并且其输入摆幅和线性度之间没有耦合关系，从而转换器可以同时具有较宽的输入摆幅和较高的线性度。

Description

电压信号到时间信号的转换器

技术领域

本发明涉及模拟集成电路技术领域，尤其涉及一种电压信号到时间信号的转换器。

背景技术

随着半导体制造工艺的提升，半导体的工艺节点减小，晶体管的速度越来越快，这给时域模数转换器(Analog-to-Digital Convertor，ADC)带来巨大的优势。而电压信号到时间信号的转换器(Voltage-to-Digital Convertor，VTC)是时域ADC的重要组成器件。VTC将电压信号转换为时间信号，转换后的时间信号再由后续电路进行数字量化处理。输入摆幅和线性度是衡量VTC性能的重要指标。其中，输入幅值是指VTC可输入的模拟电压的范围，线性度是指VTC输出的时间信号与输入VTC的电压信号之间的线性程度。

传统的VTC电路，输入摆幅和线性度存在耦合关系，输入摆幅和线性度不能够同时得到提升，例如：若要保持线性度较高，则输入摆幅就会受到限制，当输入摆幅过大时，其线性度就会降低。

发明内容

本发明提供一种电压信号到时间信号的转换器，其输入摆幅和线性度不存在耦合关系，使得输入摆幅和线性度可以同时得到提升，从而转换器可以具有较宽的输入摆幅和较高的线性度。

本发明提供的电压信号到时间信号的转换器，包括：储能器件、采样电路、充电电路和比较电路；所述储能器件与所述采样电路、所述充电电路和所述比较电路分别连接；

所述采样电路与所述储能器件配合，用于对模拟电压输出电路输出的模拟电压信号进行采样，以使所述储能器件两端的电压为采样时刻的所述模拟电压信号对应的电压值；

所述充电电路与所述储能器件配合，用于采用预设的恒定电流对所述储能器件进行充电，以使所述储能器件两端的电压以预设的速率增大；

所述比较电路与所述储能器件配合，用于将所述储能器件两端的电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果输出时间脉冲信号。

可选的，所述充电电路包括电源、电流源和充电开关；

所述电流源的输入端与所述电源连接，所述电流源的输出端与所述充电开关的第一端连接，所述充电开关的第二端与所述储能器件连接。

可选的，所述充电电路包括电压比较器；

所述电压比较器的第一输入端与所述储能器件连接，所述电压比较器的第二输入端用于接收所述预设的参考电压，所述电压比较器的输出端用于输出所述时间脉冲信号。

可选的，所述充电开关的第二端与所述储能器件的第一端连接，所述电压比较器的第一输入端与所述储能器件的第一端连接，所述储能器件的第二端接地；

所述采样电路包括采样开关；

所述采样开关的第一端与所述模拟电压输出电路连接，所述采样开关的第二端与所述储能器件的第一端连接。

可选的，所述转换器还包括时钟源，所述时钟源与所述采样开关和所述充电开关分别连接，用于控制所述采样开关和所述充电开关的断开和闭合。

可选的，所述充电开关的第二端与所述储能器件的第二端连接，所述电压比较器的第一输入端与所述储能器件的第二端连接；

所述采样电路包括第一采样开关、第二采样开关和第三采样开关；

所述第一采样开关的第一端与所述模拟电压输出电路连接，所述第一采样开关的第二端与所述储能器件的第一端连接；

所述第二采样开关的第一端与所述储能器件的第二端连接，所述第二采样开关的第二端接地；

所述第三采样开关的第一端与所述储能器件的第一端连接，所述第三采样开关的第二端接地。

可选的，所述转换器还包括第一时钟源和第二时钟源；

所述第一时钟源与所述第一采样开关、所述第二采样开关和所述第三采样开关分别连接，用于控制所述第一采样开关、所述第二采样开关和所述第三采样开关的断开和闭合；所述第二时钟源与所述充电开关连接，用于控制所述充电开关的断开和闭合。

可选的，当所述采样开关处于闭合状态，且所述充电开关处于断开状态时，所述采样电路对所述模拟电压信号进行采样，以使所述储能器件两端的电压为采样时刻的所述模拟电压信号对应的电压值；

当所述采样开关处于断开状态，且所述充电开关处于闭合状态时，所述电流源以预设的恒定电流对所述储能器件进行充电，以使所述储能器件两端的电压以预设的速率增大；

当所述储能器件两端的电压大于等于所述预设的参考电压时，所述电压比较器输出高电平，当所述储能器件两端的电压小于所述预设的参考电压时，所述电压比较器输出低电平。

可选的，当所述第一采样开关和所述第二采样开关处于闭合状态，且所述第三采样开关和所述充电开关处于断开状态时，所述采样电路对所述模拟电压信号进行采样，以使所述储能器件的第一端的电压为采样时刻的所述模拟电压信号对应的电压值；

当所述第一采样开关、所述第二采样开关和所述充电开关处于断开状态，且所述第三采样开关处于闭合状态时，所述采样电路对所述储能器件两端的电压进行转移，以使所述储能器件的第二端的电压为所述模拟电压信号对应的电压值的相反数；

当所述第一采样开关和所述第二采样开关处于断开状态，且所述第三采样开关和所述充电开关处于闭合状态时，所述电流源以预设的恒定电流对所述储能器件进行充电，以使所述储能器件的第二端的电压以预设的速率增大；

当所述储能器件的第二端的电压大于等于所述预设的参考电压时，所述电压比较器输出高电平，当所述储能器件的第二端的电压小于所述预设的参考电压时，所述电压比较器输出低电平。

可选的，所述储能器件为电容。

本发明提供的电压信号到时间信号的转换器，储能器件与采样电路、充电电路和比较电路分别连接，采样电路与储能器件配合，用于对模拟电压信号进行采样，使得模拟器件两端的初始电压为采样时刻的所述模拟电压信号对应的电压值；充电电路与储能器件配合，采用预设的恒定电流对储能器件进行充电，使得储能器件两端的电压可以随时间以预设的速率增大；比较电压与储能器件配合，用于将储能器件两端的电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果输出时间脉冲信号；由此可见，本发明提供的电压信号到时间信号的转换器，可以实现将电压信号转换为时间信号；同时，由于充电电路采用恒定电流对储能器件进行充电，使得转换器在将电压信号转换为时间信号时具有较高的线性度；由于本发明提供的转换器的输入摆幅取决于比较电路中的所述预设的参考电压，使得转换器的输入摆幅和线性度之间不存在耦合关系。另外，还可以通过调节比较电路中的所述预设的参考电压，实现对转换器的输入摆幅的调节，从而使转换器可同时具有较宽的输入摆幅和较高的线性度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的电压信号到时间信号的转换器实施例一的结构示意图；

图2为本发明提供的电压信号到时间信号的转换器实施例二的结构示意图；

图3A为本发明实施例二在工作状态的示意图；

图3B为本发明实施例二在工作状态的时序图；

图4为本发明提供的电压信号到时间信号的转换器实施例三的结构示意图；

图5A为本发明实施例三在工作状态的示意图；

图5B为本发明实施例三在工作状态的时序图。

附图标记说明：

10：储能器件；

20：采样电路；

30：充电电路；

40：比较电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

随着半导体制造工艺的提升，半导体的工艺节点减小，晶体管的速度越来越快，这给时域模数转换器(Analog-to-Digital Convertor，ADC)带来巨大的优势。而电压信号到时间信号的转换器(Voltage-to-Digital Convertor，VTC)是时域ADC的重要组成器件。VTC将电压信号转换为时间信号，转换后的时间信号再由后续电路进行数字量化处理。输入摆幅和线性度是衡量VTC性能的重要指标。其中，输入幅值是指VTC可输入的模拟电压的范围，线性度是指VTC输出的时间信号与输入VTC的电压信号之间的线性程度。

传统的VTC电路，输入摆幅和线性度存在耦合关系，使得输入摆幅和线性度不能够同时得到提升，例如：若要保持线性度较好，则输入摆幅就会受到限制，当输入摆幅过大时，其线性度就会降低。

本发明提供的电压信号到时间信号的转换器，其输入摆幅和线性度不存在耦合关系，使得输入摆幅和线性度可以同时得到提升，从而转换器可以具有较宽的输入摆幅和较高的线性度。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明提供的电压信号到时间信号的转换器实施例一的结构示意图，如图1所示，本实施例的转换器，包括：储能器件10、采样电路20、充电电路30和比较电路40；储能器件10与采样电路20、充电电路30和比较电路40分别连接。

其中，储能器件10可以是任意具有储存电压功能的电子器件，可选的，储能器件10为电容。

采样电路20与储能器件10配合，用于对模拟电压输出电路输出的模拟电压信号进行采样，以使储能器件10两端的电压为采样时刻的所述模拟电压信号对应的电压值。

具体的，采样电路20与储能器件10组成采样回路，采样电路20的输入端可以与外部的模拟电压输出电路(未示出)连接，输出端与储能器件10连接，采样电路20接收模拟电压输出电路输出的模拟电压信号，并对所述模拟电压信号进行采样，使得储能器件10两端的电压为采样时刻的所述模拟电压信号对应的电压值。需要说明的是，采样电路20可以有多种实施方式，本实施例对此不作具体限定，具体可参见后续实施例二和实施例三的详细描述，此处不再赘述。

充电电路30与储能器件10配合，用于采用预设的恒定电流对储能器件10进行充电，以使储能器件10两端的电压以预设的速率增大。

具体的，充电电路30与储能器件10组成充电回路，充电电路30中可以包括电源和其他器件，充电电路30的输出端与储能器件10连接，使得充电电路30可以对储能器件10进行充电，从而储能器件10两端的电压逐渐增大。为了保证储能器件10两端的电压随时间呈线性增大，在充电电路30中可以采用预设的恒定电流对储能器件10进行充电。

由于充电电路30对储能器件10充电时，采用的是恒定电流，使得储能器件10两端的电压可以随时间以预设的线性速率增大，从而，将电压信号转换为时间信号的过程为线性转换过程，因此，本实施例的转换器可以具有较高的线性度。

需要说明的是，充电电路30可以有多种实施方式，本实施例对此不作具体限定，具体可参见后续实施例二和实施例三的详细描述，此处不再赘述。

比较电路40与储能器件10配合，用于将储能器件10两端的电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果输出时间脉冲信号。具体的，比较电路40与储能器件10组成转换回路，比较电路40的输入端与储能器件10连接，比较电路40将储能器件10两端的电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果输出时间脉冲信号。需要说明的是，比较电路40将电压信号转换为时间脉冲信号的方式可以有多种，其中一种可选的方式为：当储能器件10两端的电压小于预设的参考电压时，比较电路40输出低电平；当储能器件10两端的电压大于等于预设的参考电压时，比较电路40输出高电平，从而实现将电压信号转换为时间信号。

需要说明的是，比较电路40可以有多种实施方式，本实施例对比不作具体限定，具体可参见后续实施例二和实施例三的详细描述，此处不再赘述。

可以理解的，储能器件10两端的初始电压为采样时刻的所述模拟电压信号对应的电压值，该电压值小于所述预设的参考电压。然后经过充电电路30对储能器件10进行充电，使得储能器件10两端的电压逐渐增大，在储能器件10两端的电压增大至所述预设的参考电压之前，比较电路40输出低电平，当储能器件10两端的电压增大至所述预设的参考电压之后，比较电路40输出高电平。因此，本实施例的转换器，其输入的模拟电压信号对应的电压值只要小于所述预设的参考电压即可，也就是说，转换器的输入摆幅取决于所述预设的参考电压，与转换器的线性度没有耦合关系。另外，还可以通过调节所述预设的参考电压的大小，实现对转换器的输入摆幅的调节，使得转换器具有较宽的输入摆幅。

本实施例的电压信号到时间信号的转换器，储能器件10与采样电路20、充电电路30和比较电路40分别连接，采样电路20与储能器件10配合，用于对模拟电压信号进行采样，使得模拟器件10两端的初始电压为采样时刻的所述模拟电压信号对应的电压值；充电电路30与储能器件10配合，采用预设的恒定电流对储能器件10进行充电，使得储能器件10两端的电压可以随时间以预设的速率增大；比较电压40与储能器件10配合，用于将储能器件10两端的电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果输出时间脉冲信号；由此可见，本实施例的转换器可以实现将电压信号转换为时间信号；同时，由于充电电路30采用恒定电流对储能器件10进行充电，使得转换器在将电压信号转换为时间信号时具有较高的线性度；由于本实施例的转换器的输入摆幅取决于比较电路40中的所述预设的参考电压，使得转换器的输入摆幅和线性度之间不存在耦合关系。另外，还可以通过调节比较电路40中的所述预设的参考电压，实现对转换器的输入摆幅的调节，从而使转换器可同时具有较宽的输入摆幅和较高的线性度。

图2为本发明提供的电压信号到时间信号的转换器实施例二的结构示意图，如图2所示，在上述实施例的基础上，本实施例的转换器中，储能器件为电容C_L，充电电路包括电源U、电流源I_s和充电开关SH。

电流源I_s的输入端与电源U连接，电流源I_s的输出端与充电开关SH的第一端连接，充电开关SH的第二端与电容C_L的第一端连接，电容C_L的第二端接地。具体的，当充电开关SH处于闭合状态时，电流源I_s能够以恒定电流I_s对电容C_L进行充电，以使电容C_L两端的电压以预设的速率增大。

可选的，本实施例的转换器中，充电电路包括电压比较器Comp，其中，电压比较器Comp的第一输入端与电容C_L的第一端连接，电压比较器Comp的第二输入端用于接收预设的参考电压V_TH，电压比较器Comp的输出端用于输出时间脉冲信号t_out。

可选的，本实施例的转换器中，采样电路包括采样开关SW，采样开关SW的第一端与模拟电压输出电路连接，用于接收模拟电压信号V_in，采样开关SW的第二端与电容C_L的第一端连接。具体的，当采样开关SW闭合时，采样电路对模拟电压信号V_in进行采样，使得电容C_L两端的电压为采样时刻的所述模拟电压信号V_in对应的电压值。

可选的，本实施例的转换器，还包括时钟源(未示出)，时钟源与采样开关SW和充电开关SH分别连接，用于控制采样开关SW和充电开关SH的断开和闭合。例如：当时钟源输出高电平时，控制采样开关SW闭合，充电开关SH断开；当时钟源输出低电平时，控制采样开关SW断开，充电开关SH闭合。需要说明的是，本实施例对于时钟源所输出的时钟信号Φ的周期以及每个周期中高低电平的持续时间不作具体限定，可以根据实际情况进行合理设置。

下面举例说明本实施例的转换器的工作过程和原理，图3A为实施例二在工作状态的示意图，图3B为实施例二在工作状态的时序图。

如图3A所示，假设两个转换器输入的模拟电压信号分别为V_inp和V_inn，输出的时间脉冲信号分别为t_outp和t_outn。其中，V_inp和V_inn均小于预设的参考电压V_TH，V_cm为输入共模电平，vin为差分输出信号的采样值。

V_inp＝V_cm+vin/2；V_inn＝V_cm-vin/2

当时钟源输出的时钟信号Φ为高电平时，如图3B所示，在0～t₁时间段内，采样开关SW处于闭合状态，且充电开关SH处于断开状态，采样电路对模拟电压信号V_inp或V_inn进行采样，以使电容C_L两端的电压为采样时刻的模拟电压信号V_inp或V_inn对应的电压值。此时由于电容C_L两端的电压小于预设的参考电压V_TH，因此，电压比较器Comp输出的时间脉冲信号t_outp和t_outn匀为低电平。

当时钟源输出的时钟信号Φ为低电平时，如图3B所示，在t₁～T时间段内，采样开关SW处于断开状态，且充电开关SH处于闭合状态，电流源I_s以预设的恒定电流I_s对电容C_L进行充电，以使电容C_L两端的电压以预设的速率增大。当电容C_L两端的电压大于等于预设的参考电压V_TH时，电压比较器Comp输出的电平翻转，即电压比较器Comp输出的时间脉冲信号t_outp或t_outn变为高电平。

如图3B所示，模拟电压信号V_inp和V_inn对应电容C_L的充电曲线分别为曲线1和曲线2，两个曲线描述的是电容C_L两端的电压变化情况。其中，曲线1在t₂时刻达到预设的参考电压V_TH，曲线2在t₃时刻达到预设的参考电压V_TH，因此，电压比较器Comp输出的时间脉冲信号t_outp在t₂时刻由低电平变为高电平，时间脉冲信号t_outn在t₃时刻由低电平变为高电平。可以理解的，当时钟信号Φ再次输出高电平，即下一个采样周期到来时，电压比较器Comp输出的时间脉冲信号t_outp和t_outn重新恢复为低电平。

由图3B可知，t₃时刻与t₂时刻之间的时间差即为模拟电压信号V_inp和V_inn的电压差的量化值。具体的，曲线1对应的充电时间t_1，2为：

曲线2对应的充电时间t_1，3为：

因此，本实施例的转换器量化后的时间t_out为：

由此可见，本实施例的转换器能够将模拟电压信号线性转换为时间信号，并且，转换器的增益取决于电容C_L和电流源I_s。

本实施例的电压信号到时间信号的转换器，可以实现将电压信号转换为时间信号；同时，由于充电电路采用恒定电流I_s对电容C_L进行充电，使得转换器在将电压信号转换为时间信号时具有较高的线性度；由于本实施例的转换器的输入摆幅取决于比较电路中的所述预设的参考电压V_TH，使得转换器的输入摆幅和线性度之间不存在耦合关系。另外，还可以通过调节比较电路中的所述预设的参考电压V_TH，实现对转换器的输入摆幅的调节，从而使转换器可同时具有较宽的输入摆幅和较高的线性度。

图4为本发明提供的电压信号到时间信号的转换器实施例三的结构示意图，如图4所示，在上述实施例一的基础上，本实施例的转换器中，储能器件为电容C_L，充电电路包括电源U、电流源I_s和充电开关SH。

电流源I_s的输入端与电源U连接，电流源I_s的输出端与充电开关SH的第一端连接，充电开关SH的第二端与电容C_L的第二端连接，电容C_L的第二端接地。

可选的，本实施例的转换器中，充电电路包括电压比较器Comp，其中，电压比较器Comp的第一输入端与电容C_L的第二端连接，电压比较器Comp的第二输入端用于接收预设的参考电压V_TH，电压比较器Comp的输出端用于输出时间脉冲信号t_out。

可选的，本实施例的转换器中，采样电路包括：第一采样开关SW1、第二采样开关SW2和第三采样开关SW3。如图4所示，第一采样开关SW1的第一端与模拟电压输出电路连接，用于接收模拟电压信号V_in，第一采样开关SW1的第二端与电容C_L的第一端连接；第二采样开关SW2的第一端与电容C_L的第二端连接，第二采样开关SW2的第二端接地；第三采样开关SW3的第一端与电容C_L的第一端连接，第三采样开关SW3的第二端接地。

具体的，当第一采样开关SW1和第二采样开关SW2处于闭合状态，且第三采样开关SW3和充电开关SH处于断开状态时，采样电路对模拟电压信号V_in进行采样，使得电容C_L第一端的电压为采样时刻的模拟电压信号V_in对应的电压值；当第一采样开关SW1、第二采样开关SW2和充电开关SH处于断开状态，且第三采样开关SW3处于闭合状态时，相当于将电容V_in的第一端接地，采样电路对电容C_L两端的电压进行转移，以使电容C_L的第二端的电压为模拟电压信号V_in对应的电压值的相反数；当第一采样开关SW1和第二采样开关SW2处于断开状态，且第三采样开关SW3和充电开关SH处于闭合状态时，电流源I_s以预设的恒定电流I_s对电容C_L进行充电，以使电容C_L的第二端的电压以预设的速率增大。

当电容C_L的第二端的电压大于等于预设的参考电压V_TH时，电压比较器Comp输出高电平，当电容C_L的第二端的电压小于预设的参考电压V_TH时，电压比较器Comp输出低电平。

可选的，本实施例的转换器，还包括第一时钟源和第二时钟源(未示出)。所述第一时钟源与第一采样开关SW1、第二采样开关SW2和第三采样开关SW3分别连接，用于控制第一采样开关SW1、第二采样开关SW2和第三采样开关SW3的断开和闭合；所述第二时钟源与充电开关SH连接，用于控制充电开关SH的断开和闭合。例如：当第一时钟源输出高电平时，控制第一采样开关SW1和第二采样开关SW2闭合，第三采样开关SW3断开；当一时钟源输出低电平时，控制第一采样开关SW1和第二采样开关SW2断开，第三采样开关SW3闭合；当第二时钟源输出高电平时，控制充电开关SH断开；当第二时钟源输出低电平时，控制充电开关SH闭合。

需要说明的是，本实施例中，第一时钟源所输出的时钟信号Φ₁的周期与第二时钟源所输出的时钟信号Φ₂的周期T一致，并且，第一时钟源和第二时钟源在同一时刻由低电平切换为高电平，但是第一时钟源由高电平切换为低电平的时刻与第二时钟源由高电平切换为低电平的时刻不同。

下面举例说明本实施例的转换器的工作过程和原理，图5A为实施例三在工作状态的示意图，图5B为实施例三在工作状态的时序图。

如图5A所示，假设两个转换器输入的模拟电压信号分别为V_inp和V_inn，输出的时间脉冲信号分别为t_outp和t_outn。其中，V_inp和V_inn均小于预设的参考电压V_TH，V_cm为输入共模电平，vin为差分输出信号的采样值。

V_inp＝V_cm+vin/2；V_inn＝V_cm-vin/2。

需要说明的是，图5B中的电压曲线表示的是电容C_L第二端(右极板)的电压变化情况，并且，为了方便示意，本实施例中假设输入共模电压V_cm为0。

如图5B所示，在0～t₁时间段内，第一时钟源输出的时钟信号Φ₁为高电平，且第二时钟源输出的时钟信号Φ₂为高电平，此时间段内，第一采样开关SW1和第二采样开关SW2闭合，第三采样开关SW3和充电开关SH断开，采样电路对模拟电压信号V_inp或V_inn进行采样，因此，电容C_L第一端(左极板)的电压为采样时刻的模拟电压信号V_inp或V_inn对应的电压值，电容C_L第二端(右极板)的电压为零。

在t₁～t₂时间段内，第一时钟源输出的时钟信号Φ₁为低电平，且第二时钟源输出的时钟信号Φ₂为高电平，此时间段内，第一采样开关SW1、第二采样开关SW2和充电开关SH均断开，第三采样开关SW3闭合。由于第三采样开关SW3闭合，使得电容C_L的第一端(左极板)接地，从而，电容C_L的第一端(左极板)的电压为零，第二端(右极板)电压为模拟电压信号V_inp或V_inn对应的电压值的相反数。

在0～t₂时间段内，由于电容C_L第二端(右极板)的电压小于预设的参考电压V_TH，因此，电压比较器Comp输出的时间脉冲信号t_outp和t_outn均为低电平。

在t₂～t₅时间段内，第一时钟源输出的时钟信号Φ₁为低电平，且第二时钟源输出的时钟信号Φ₂为低电平，此时间段内，第一采样开关SW1和第二采样开关SW2断开，第三采样开关SW3和充电开关SH闭合，电流源I_S以恒定电流I_S对电容C_L，进行充电，以使电容C_L，第二端(右极板)电压以预设的速率增大。当电容C_L第二端(右极板)的电压大于等于预设的参考电压V_TH时，电压比较器Comp输出的电平翻转，即电压比较器Comp输出的时间脉冲信号t_outp或t_outn变为高电平。

如图5B所示，V_inp和V_inn分别对应的充电曲线为曲线1和曲线2，曲线1在t₃时刻达到预设的参考电压V_TH，曲线2在t₄时刻达到预设的参考电压V_TH，因此，电压比较器Comp输出的时间脉冲信号t_outp在t₃时刻由低电平变为高电平，时间脉冲信号t_outn在f₄时刻由低电平变为高电平。可以理解的，当时钟信号Φ₁和Φ₂再次输出高电平，即下一个采样周期到来时，电压比较器Comp输出的时间脉冲信号t_outp和t_outn重新恢复为低电平。

由图5B可知，t₄时刻与t₃时刻之间的时间差即为模拟电压信号V_inp和V_inn的电压差的量化值。具体的，曲线1对应的充电时间t_2，3为：

曲线2对应的充电时间t_2，4为：

因此，本实施例的转换器量化后的时间t_out为：

由此可见，本实施例的转换器能够将模拟电压信号线性转换为时间信号，并且，转换器的增益取决于电容C_L和电流源I_s。

本实施例的电压信号到时间信号的转换器，可以实现将电压信号转换为时间信号；同时，由于采样电路采用恒定电流I_s对电容C_L进行充电，使得转换器在将电压信号转换为时间信号时具有较高的线性度；由于本实施例的转换器的输入摆幅取决于比较电路中的所述预设的参考电压V_TH，使得转换器的输入摆幅和线性度之间不存在耦合关系。另外，还可以通过调节比较电路中的所述预设的参考电压V_TH，实现对转换器的输入摆幅的调节，从而使转换器可同时具有较宽的输入摆幅和较高的线性度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种电压信号到时间信号的转换器，其特征在于，包括：储能器件、采样电路、充电电路和比较电路；所述储能器件与所述采样电路、所述充电电路和所述比较电路分别连接；

所述采样电路与所述储能器件配合，用于对模拟电压输出电路输出的模拟电压信号进行采样，以使所述储能器件两端的电压为采样时刻的所述模拟电压信号对应的电压值；

所述充电电路与所述储能器件配合，用于采用预设的恒定电流对所述储能器件进行充电，以使所述储能器件两端的电压以预设的速率增大；

所述比较电路与所述储能器件配合，用于将所述储能器件两端的电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果输出时间脉冲信号；

所述充电电路包括电压比较器、电源、电流源和充电开关；

所述电压比较器的第一输入端与所述储能器件连接，所述电压比较器的第二输入端用于接收所述预设的参考电压，所述电压比较器的输出端用于输出所述时间脉冲信号；

所述充电开关的第二端与所述储能器件的第二端连接，所述电压比较器的第一输入端与所述储能器件的第二端连接；

所述采样电路包括第一采样开关、第二采样开关和第三采样开关；

所述第一采样开关的第一端与所述模拟电压输出电路连接，所述第一采样开关的第二端与所述储能器件的第一端连接；

所述第二采样开关的第一端与所述储能器件的第二端连接，所述第二采样开关的第二端接地；

所述第三采样开关的第一端与所述储能器件的第一端连接，所述第三采样开关的第二端接地。

2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述电流源的输入端与所述电源连接，所述电流源的输出端与所述充电开关的第一端连接，所述充电开关的第二端与所述储能器件连接。

3.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，

所述充电开关的第二端与所述储能器件的第一端连接，所述电压比较器的第一输入端与所述储能器件的第一端连接，所述储能器件的第二端接地；

所述采样电路包括采样开关；

所述采样开关的第一端与所述模拟电压输出电路连接，所述采样开关的第二端与所述储能器件的第一端连接。

4.根据权利要求3所述的转换器，其特征在于，还包括时钟源，所述时钟源与所述采样开关和所述充电开关分别连接，用于控制所述采样开关和所述充电开关的断开和闭合。

5.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，还包括第一时钟源和第二时钟源；

所述第一时钟源与所述第一采样开关、所述第二采样开关和所述第三采样开关分别连接，用于控制所述第一采样开关、所述第二采样开关和所述第三采样开关的断开和闭合；所述第二时钟源与所述充电开关连接，用于控制所述充电开关的断开和闭合。

6.根据权利要求4所述的转换器，其特征在于，

当所述采样开关处于闭合状态，且所述充电开关处于断开状态时，所述采样电路对所述模拟电压信号进行采样，以使所述储能器件两端的电压为采样时刻的所述模拟电压信号对应的电压值；

当所述采样开关处于断开状态，且所述充电开关处于闭合状态时，所述电流源以预设的恒定电流对所述储能器件进行充电，以使所述储能器件两端的电压以预设的速率增大；

当所述储能器件两端的电压大于等于所述预设的参考电压时，所述电压比较器输出高电平，当所述储能器件两端的电压小于所述预设的参考电压时，所述电压比较器输出低电平。

7.根据权利要求5所述的转换器，其特征在于，

当所述第一采样开关和所述第二采样开关处于闭合状态，且所述第三采样开关和所述充电开关处于断开状态时，所述采样电路对所述模拟电压信号进行采样，以使所述储能器件的第一端的电压为采样时刻的所述模拟电压信号对应的电压值；

当所述第一采样开关、所述第二采样开关和所述充电开关处于断开状态，且所述第三采样开关处于闭合状态时，所述采样电路对所述储能器件两端的电压进行转移，以使所述储能器件的第二端的电压为所述模拟电压信号对应的电压值的相反数；

当所述第一采样开关和所述第二采样开关处于断开状态，且所述第三采样开关和所述充电开关处于闭合状态时，所述电流源以预设的恒定电流对所述储能器件进行充电，以使所述储能器件的第二端的电压以预设的速率增大；

当所述储能器件的第二端的电压大于等于所述预设的参考电压时，所述电压比较器输出高电平，当所述储能器件的第二端的电压小于所述预设的参考电压时，所述电压比较器输出低电平。

8.根据权利要求1-7任一项所述的转换器，其特征在于，

所述储能器件为电容。

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