CN108736893B - 一种降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器和方法，其电压时间转换器包括：主采样网络、补偿采样网络、放电网络和过阈值检测单元，通过采用补偿采样网络，降低传统VTC寄生电容对VTC输出摆幅的影响；并且通过对补偿采样网络的采样共模电平进行补偿设计，降低传统VTC阈值检测电路阈值受到电源电压低频扰动的影响，本发明的电压时间转换器的输出摆幅可以降低受到寄生电容影响，VTC输入端电压共模电平与电源电压相关，降低了电源电压对阈值影响造成的转换误差，使阈值电压不受电源电压影响，提高了转换的精度和性能。

Description

一种降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器及方法

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及一种降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器及方法。

背景技术

电压-时间转换器(Voltage-to-Time Converter，简称VTC)是使用固定时钟脉宽采样输入电压，然后在另一个时钟相位采用恒流源进行放电，再采用过阈值检测单元检测放电电压是否到达阈值，过阈值则过阈值检测单元输出电平翻转，从而将输入电压信号转换成与输入电压幅度成正比的时钟延迟，完成输入电压到时钟延迟的转换。

传统VTC从采样相位转换到转换相位时，由于MOSFET开关和过阈值检测单元输入端都存在寄生电容，在采样电容被其他模块分时复用，其尺寸受到严格限制，且取值较小，并且输入电压幅值较小时，寄生电容影响将严重限制过阈值电测电路输入端电压差分摆幅，从而限制VTC输出摆幅。另外，传统VTC过阈值检测电路的阈值常常与电源电压相关，过阈值检查单元阈值电平将受到电压扰动影响，从而降低VTC转换性能，严重限制VTC在小摆幅输入电压中的应用，恶化转换器性能。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器及方法，以解决上述技术问题。

本发明提供的降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器，包括：

主采样网络，用于进行主输入信号和主参考电平采样；

补偿采样网络，用于进行补偿输入信号和补偿参考电平采样；

所述主采样网络设置有主采样电容和用于采样和转换输入电压与参考电压差值的主采样共模电平，所述补偿采样网络设置有补偿采样电容和补偿采样共模电平，所述补偿采样共模电平用于采样和转换输入电压与参考电平差值，并进行电压补偿；

放电网络，用于对所述主采样电容和补偿采样电容进行放电；

过阈值检测单元，用于检测所述放电网络输出的电平是否过阈值，完成输入电平到时间的转换。

进一步，在采样阶段，所述主采样网络与补偿采样网络同时对输入电压进行采样；在转换阶段，所述补偿采样网络接入主采样网络，与主采样网络同时进行电压时间域转换。

进一步，在转换阶段时，过阈值检测单元输入端的电压与输入电压关系为：

其中，V_TCD为过阈值检测单元输入端的电压，V_CMSP为主采样共模电平，V_IN为输入电压，V_REF为参考电压，V_CC为补偿采样共模电平，C_S为主采样电容，C_C为补偿采样电容，C_P为过阈值检测单元输入端寄生电容。

进一步，补偿采样共模电平V_CC与电源电压V_DD的关系，以及过阈值检测单元的电压阈值V_TH与电源电压V_DD的关系分别为：

其中，K为过阈值检测单元电压阈值与电源电压的比例系数，V_TH为过阈值检测单元的电压阈值，V_DD为电源电压。

进一步，所述主采样网络还包括主输入采样开关、主参考电平采样开关和主共模采样开关；所述补偿采样网络还包括补偿输入采样开关、补偿参考电平采样开关和补偿共模采样开关；所述放电网络包括第一放电开关、第二放电开关和恒流源；

所述主输入采样开关两端分别与输入电压和主采样电容的一端连接，所述主参考电平采样开关的两端分别与参考电压和主采样电容的一端连接，主采样电容的另一端通过主共模采样开关与主采样共模电平连接；

所述补偿输入采样开关两端分别与输入电压和补偿采样电容的一端连接，所述补偿参考电平采样开关的两端分别与参考电压和补偿采样电容的一端连接，补偿采样电容的另一端通过补偿共模采样开关与补偿采样共模电平连接；

所述第一放电开关的一端与补偿采样电容的另一端连接，第一放电开关的另一端和所述第二放电开关一端同时与过阈值检测单元的输入端连接，第二放电开关的另一端通过恒流源接地，所述过阈值检测单元的输入端通过过阈值检测单元输入端寄生电容接地。

进一步，所述主采样网络开关电容与补偿采样网络开关电容结构完全相同，主采样网络开关电容与补偿采样网络开关电容之间对应器件尺寸参数成比例，主采样网络的RC时间常数与补偿采样网络的RC时间常数相同。

本发明还提供一种降低寄生电容和电源影响的电压时间转换方法，包括：

设置用于进行主输入信号和主参考电平采样的主采样网络，以及用于进行补偿输入信号和补偿参考电平采样的补偿采样网络；

所述主采样网络设置有主采样电容和用于采样和转换输入电压与参考电压差值的主采样共模电平，所述补偿采样网络设置有补偿采样电容和补偿采样共模电平，所述补偿采样共模电平用于采样和转换输入电压与参考电平差值，并进行电压补偿；

在采样阶段，通过主采样网络与补偿采样网络同时对输入电压进行采样；

在转换阶段，将补偿采样网络与主采样网络合并，同时接入转换网络，检测所述放电网络输出的电平是否过阈值，完成输入电平到时间的转换。

进一步，在转换阶段时，过阈值检测单元输入端的电压与输入电压关系为：

其中，V_TCD为过阈值检测单元输入端的电压，V_CMSP为主采样共模电平，V_IN为输入电压，V_REF为参考电压，V_CC为补偿采样共模电平，C_S为主采样电容，C_C为补偿采样电容，C_P为过阈值检测单元输入端寄生电容。

进一步，所述补偿采样共模电平V_CC与电源电压V_DD的关系，以及过阈值检测单元的电压阈值V_TH与电源电压V_DD的关系分别为：

其中，K为过阈值检测单元电压阈值与电源电压的比例系数，V_TH为过阈值检测单元的电压阈值，V_DD为电源电压。

本发明的有益效果：本发明中的降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器及方法，通过采用补偿采样网络，降低传统VTC寄生电容对VTC输出摆幅的影响；并且通过对补偿采样网络的采样共模电平进行补偿设计，降低传统VTC阈值检测电路阈值受到电源电压低频扰动的影响，本发明的电压时间转换器的输出摆幅可以降低受到寄生电容的影响，VTC输入端电压共模电平与电源电压相关，降低了电源电压对阈值影响造成的转换误差，降低阈值电压受电源电压的影响，提高了转换的精度和性能。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明实施例中降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器的电路示意图。

图3是本发明实施例中降低寄生电容和电源影响的电压时间转换方法的时序关系示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本实施例中的降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器，包括：

主采样网络，用于进行主输入信号和主参考电平采样；

补偿采样网络，用于进行补偿输入信号和补偿参考电平采样；

所述主采样网络设置有主采样电容和用于采样和转换输入电压与参考电压差值的主采样共模电平，所述补偿采样网络设置有补偿采样电容和补偿采样共模电平，所述补偿采样共模电平用于采样和转换输入电压与参考电平差值，并进行电压补偿；

放电网络，用于对所述主采样电容和补偿采样电容进行放电；

过阈值检测单元，用于检测所述放电网络输出的电平是否过阈值，完成输入电平到时间的转换。

如图1所示，在本实施例中，主采样网络主要包括主输入采样开关SW_SM、主参考电平采样开关SW_RM、主共模采样开关SW_SPM和主采样电容C_S。其中主采样共模电平为V_CMSP，主要用于采样和转换输入信号V_IN与参考电压V_REF的差值。补偿采样网络主要包括补偿输入采样开关SW_SC、补偿参考电平采样开关SW_RC、补偿共模采样开关SW_SPC和补偿采样电容C_C，其中补偿采样共模电平为V_CC，用于采样和转换输入信号V_IN与参考电平V_REF的差值，并且通过V_CC补偿电源电压对阈值的影响。放电网络主要包括放电开关SW_VTC1、SW_VTC2和电流源I_DIS，主要用于将主采样电容C_S和补偿采样电容C_C采样的输入信号进行放电，其中电流源I_DIS为恒流源，其值由放电时钟脉宽、TCD阈值电平、TCD输入端共模和输入信号V_REF-V_IN的摆幅决定。本实施例中的过阈值检测单元为过阈值检测单元TCD(Threshold-Crossing Detector)，用于检测放电网络输出电平是否过阈值，如果过阈值则TCD输出翻转，具体地，通过TCD检测其输入端电平放电情况，当输入端电平低于阈值电平时，TCD输出翻转，完成输入电平到时间的转换。本实施例通过采用一个补偿采样网络和补偿电压，分别消除传统VTC寄生电容和TCD阈值受电源电压波动的影响。

在本实施例中，补偿采样网络在采样阶段与主采样网络同时对输入信号进行采样，在转换阶段接入转换网络，与主采样网络同时进行电压时间转换，此时过阈值检测单元TCD输入端电压与输入电压关系转变为：

其中，V_TCD为过阈值检测单元输入端的电压，V_CMSP为主采样共模电平，V_IN为输入电压，V_REF为参考电压，V_CC为补偿采样共模电平，C_S为主采样电容，C_C为补偿采样电容,C_P为过阈值检测单元输入端寄生电容。假设补偿采样网络采样共模V_CC＝0V，此时补偿电容尺寸越大，VTC输出摆幅受到寄生电容影响越小。

通过补偿设计采样网络采样共模电平V_CC，使其与电源电压关系为：

则VTC输入端电压共模电平V_TCD将与电源电压V_DD相关，从而降低电源电压V_DD对阈值影响造成的转换误差。

如图2所示，主输入采样开关SW_SC两端分别与输入电压V_IN和主采样电容C_S的一端连接，所述主参考电平采样开关SW_RM的两端分别与参考电压V_REF和主采样电容C_S的一端连接，主采样电容C_S的另一端通过主共模采样开关SW_SPM与主采样共模电平V_CMSP连接；补偿输入采样开关SW_SC两端分别与输入电压V_IN和补偿采样电容C_C的一端连接，补偿参考电平采样开关SW_RC的两端分别与参考电压V_REF和补偿采样电容C_C的一端连接，补偿采样电容C_C的另一端通过补偿共模采样开关SW_SPC与补偿采样共模电平V_CC连接；

所述第一放电开关的SW_VTC1一端与补偿采样电容C_C的另一端连接，第一放电开关SW_VTC1的另一端与第二放电开关SW_VTC2的一端连接，并且同时接入过阈值检测单元输入端，第二放电开关SW_VTC2的另一端通过恒流源I_DIS接地，过阈值检测单元输入端寄生电容C_P一端与过阈值检测单元输入端连接，另一端接地。

在本实施例中，主采样电容尺寸被电路其他设计指标限制，并且取值较小时，补偿电容取值越大，寄生电容影响越小，并且主采样网络开关电容与补偿采样网络开关电容结构完全相同，主采样网络开关电容与补偿采样网络开关电容之间对应器件尺寸参数成比例，确保主采样网络的RC时间常数与补偿采样网络的RC时间常数相同，补偿采样共模电平V_CC可以采用任意电平产生方式进行设计，只需满足上述(式2)中的电压关系即可。

相应地，本实施例还提供一种降低寄生电容和电源影响的电压时间转换方法，包括

设置用于进行主输入信号和主参考电平采样的主采样网络，以及用于进行补偿输入信号和补偿参考电平采样的补偿采样网络；

所述主采样网络设置有主采样电容和用于采样和转换输入电压与参考电压差值的主采样共模电平，所述补偿采样网络设置有补偿采样电容和补偿采样共模电平，所述补偿采样共模电平用于采样和转换输入电压与参考电平差值，并进行电压补偿；

在采样阶段，通过主采样网络与补偿采样网络同时对输入电压进行采样；

在转换阶段，通过将补偿采样网络接入转换网络，与主采样网络同时进行电压时间转换，过阈值检测单元检测所述放电网络输出的电平是否过阈值，完成输入电平到时间的转换。

如图3所示，在本实施例中，当采样时钟Φ_S和Φ_SP高电平时，如图2所示电路图中，开关SW_SM、SW_SC、SW_SPM和SW_SPC导通，其余开关SW_RM、SW_RC、SW_VTC1和SW_VTC2断开，VTC进入采样阶段，主采样电容C_S和补偿采样电容C_C跟踪保持输入信号V_IN.当下极板采样时钟Φ_SP下降沿到来时，开关SW_SPM和SW_SPC断开，主采样电容C_S和补偿采样电容C_C保持输入信号V_IN。

当转换时钟Φ_VTC高电平时，开关SW_RM、SW_RC、SW_VTC1和SW_VTC2导通，其余SW_SM、SW_SC、SW_SPM和SW_SPC断开，VTC进入转换阶段。

TCD输入电压初始值为：

其中补偿采样共模电平V_CC与过阈值检测单元TCD阈值电压相关：

其中，K为过阈值检测单元TCD阈值电压V_TH与电源电压V_DD之间的比例系数，V_TH表示TCD翻转阈值，补偿采样电平V_CC可以采用任意电平产生方式进行设计，只需满足上式所述电压关系即可。将V_CC表达式代入V_TCD表达式得：

TCD输入电压放电关系为：

过阈值检测单元检测放电电平V_{TCD_DIS}是否低于阈值V_TH，即输入信号V_IN对应的转换输出时间为：

将V_TCD表达式代入上式可以消除阈值电压V_TH对输出时间的影响，即消除V_TH受电源电压波动的干扰对系统整体性能的影响。

当VTC放电到时刻t₀时，V_{TCD_DISS}-V_TH<0,则过阈值检测单元TCD输出翻转，记录下V_REF-V_IN所对应的输出时刻t₀.VTC转换结束。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器，其特征在于，包括：

主采样网络，所述主采样网络设置有主采样电容和用于采样和转换输入电压与参考电压差值的主采样共模电平；

补偿采样网络，所述补偿采样网络设置有补偿采样电容和补偿采样共模电平，所述补偿采样共模电平用于采样和转换输入电压与参考电平差值，并进行电压补偿；

放电网络，用于对所述主采样电容和补偿采样电容进行放电；

过阈值检测单元，用于检测所述放电网络输出的电平是否过阈值，完成输入电平到时间的转换；

在采样阶段，所述主采样网络与补偿采样网络同时对输入电压进行采样；

在转换阶段，所述补偿采样网络接入主采样网络，与主采样网络同时进行电压时间域转换；

在转换阶段时，过阈值检测单元输入端的电压与输入电压关系为：

其中，V_TCD为过阈值检测单元输入端的电压，V_CMSP为主采样共模电平，V_IN为输入电压，V_REF为参考电压，V_CC为补偿采样共模电平，C_S为主采样电容，C_C为补偿采样电容，C_P为过阈值检测单元输入端寄生电容。

2.根据权利要求1所述的降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器，其特征在于：补偿采样共模电平V_CC与电源电压V_DD的关系，以及过阈值检测单元的电压阈值V_TH与电源电压V_DD的关系分别为：

其中，K为过阈值检测单元电压阈值与电源电压的比例系数，V_TH为过阈值检测单元的电压阈值，V_DD为电源电压。

3.根据权利要求1所述的降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器，其特征在于：所述主采样网络还包括主输入采样开关、主参考电平采样开关和主共模采样开关；所述补偿采样网络还包括补偿输入采样开关、补偿参考电平采样开关和补偿共模采样开关；所述放电网络包括第一放电开关、第二放电开关和恒流源；

所述主输入采样开关两端分别与输入电压和主采样电容的一端连接，所述主参考电平采样开关的两端分别与参考电压和主采样电容的一端连接，主采样电容的另一端通过主共模采样开关与主采样共模电平连接；

所述补偿输入采样开关两端分别与输入电压和补偿采样电容的一端连接，所述补偿参考电平采样开关的两端分别与参考电压和补偿采样电容的一端连接，补偿采样电容的另一端通过补偿共模采样开关与补偿采样共模电平连接；

所述第一放电开关的一端与补偿采样电容的另一端连接，第一放电开关的另一端和所述第二放电开关一端同时与过阈值检测单元的输入端连接，第二放电开关的另一端通过恒流源接地，所述过阈值检测单元的输入端通过过阈值检测单元输入端寄生电容接地。

4.根据权利要求3所述的降低寄生电容和电源影响的电压时间转换器，其特征在于：所述主采样网络开关电容与补偿采样网络开关电容结构完全相同，主采样网络开关电容与补偿采样网络开关电容之间对应器件尺寸参数成比例，主采样网络的RC时间常数与补偿采样网络的RC时间常数相同。

5.一种降低寄生电容和电源影响的电压时间转换方法，其特征在于：

设置主采样网络、补偿采样网络，以及用于对主采样电容和补偿采样电容进行放电的放电网络；

所述主采样网络设置有主采样电容和用于采样和转换输入电压与参考电压差值的主采样共模电平，所述补偿采样网络设置有补偿采样电容和补偿采样共模电平，所述补偿采样共模电平用于采样和转换输入电压与参考电平差值，并进行电压补偿；

在采样阶段，通过主采样网络与补偿采样网络同时对输入电压进行采样；

在转换阶段，将补偿采样网络与主采样网络合并，同时接入转换网络，检测所述放电网络输出的电平是否过阈值，完成输入电平到时间的转换；

在转换阶段时，过阈值检测单元输入端的电压与输入电压关系为：

其中，V_TCD为过阈值检测单元输入端的电压，V_CMSP为主采样共模电平，V_IN为输入电压，V_REF为参考电压，V_CC为补偿采样共模电平，C_S为主采样电容，C_C为补偿采样电容，C_P为过阈值检测单元输入端寄生电容。

6.根据权利要求5所述的降低寄生电容和电源影响的电压时间转换方法，其特征在于：所述补偿采样共模电平V_CC与电源电压V_DD的关系，以及过阈值检测单元的电压阈值V_TH与电源电压V_DD的关系分别为：

其中，K为过阈值检测单元电压阈值与电源电压的比例系数，V_TH为过阈值检测单元的电压阈值，V_DD为电源电压。

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