CN112636756B - 一种基于双向自举控制的低泄漏单次检测电压时间转换器 - Google Patents

一种基于双向自举控制的低泄漏单次检测电压时间转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双向自举控制的低泄漏单次检测电压时间转换器，该方法包括对于混合型SAR‑TDC结构中，经过SAR ADC粗转换得到的电压余量存储于电容阵列输出节点在进行TDC细转换前需连接在电压时间转换器上以得到时间差值。在粗转换阶段中，电压时间转换器处于空闲模式，其泄漏电流会影响电容阵列输出节点。同时如果电容阵列上的差分电压值相差很大时，其中一端就会触发电压时间转换器中的阈值检测器导致误操作。通过引入三态反相器作为阈值检测器有效降低误操作概率。在低电压低功耗应用下为使电压时间转换器对电容阵列的输出节点的影响最小化，本发明利用双向自举控制原理可以降低控制开关的泄漏电流同时保证电压时间转换器的线性度。

Description

一种基于双向自举控制的低泄漏单次检测电压时间转换器
技术领域
本发明涉及一种基于双向自举控制的低泄漏单次检测电压时间转换器(VTC)，属于混合型SAR-TDC结构中的VTC技术领域。
背景技术
随着工艺关键尺寸的减小，数字电路以及数字信号处理系统在速度、功耗、面积等方面得到提升。模拟电路的设计随着工艺改进呈现出新趋势使信号在时域进行处理。中等精度(8-12位)、中等采样速率(<1MHz)的SARADC被广泛地运用于生物医疗电子、可穿戴设备、可植入设备、便携式设备以及无线传感网节点等领域。混合型SAR-TDC结构充分利用数字电路的优点，非常适合上述需要低电压低功耗的应用场合。混合型SAR-TDC架构中的功耗主要来自于SARADC、VTC以及TDC，三者里面功耗主要来自于SAR ADC和VTC这两个模块，VTC模块在SAR转换阶段产生的泄漏电流不仅浪费功耗而且会使电容阵列输出端电压下降影响粗转换的电路性能。
在已有的研究中，降低静态泄露电流的方法有采用高阈值晶体管、采用晶体管堆叠结构或者特定的防漏电结构。这些方法主要在提升采样开关性能中应用，同样能够较好地迁移到VTC的控制开关中以提升VTC的性能。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题在于，针对低功耗SARADC的设计，如何在保证VTC线性度的前提下尽可能地降低混合型SAR-TDC结构中VTC的泄漏电流；本发明提供一种基于双向自举控制的低泄漏单次检测VTC，通过结合自举技术、负电压技术，从而保证了VTC的线性度，减小了VTC的泄漏电流。
技术方案：本发明的一种基于双向自举控制的低泄漏单次检测电压时间转换器具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
该电压时间转换器由双向自举控制产生模块、控制开关、电流源、三态反相器构成；所述电压时间转换器的正端输入连接到粗转换SARADC正端电容阵列，负端输入连接到粗转换SARADC负端电容阵列；控制开关和电流源进行放电操作用于改变电压时间转换器正端输入和负端输入的电压值；双向自举控制产生模块产生的信号TDC_SIG_BS作用于控制开关的栅极和三态反相器的使能端enb,双向自举控制产生模块产生的信号TDC_SIGB作用于三态反相器的使能端en；电压时间转换器中的三态反相器作为阈值检测器完成时间差的输出；
电压时间转换器的工作模式通过VTC_SIG信号控制；分为两种模式：转换模式和空闲模式，具体包括以下步骤：
所述的转换模式具体为：
经过粗转换得到的电压余量储存在粗转换SARADC电容阵列上，正端和负端电容阵列分别接入电压时间转换器的正端输入和负端输入，转换模式下该电压时间转换器中双向自举控制产生模块的控制信号VTC_SIG为电源VDD，通过反相器和双向自举控制产生模块得到三态反相器的控制信号VTC_SIGB为地GND，三态反相器使能端enb和控制开关栅极共同的控制信号VTC_SIG_BS为2VDD，第一控制开关、第二控制开关导通，三态反相器的使能端enb均导通，电压时间转换器输出GND，电压的正端输入和负端输入在第一控制开关、第二控制开关导通后通过电流源进行放电，当电压时间转换器的正端输入和负端输入的电压低于三态反相器的转换阈值后电压时间转换器输出VDD，转换模式完成。
所述的空闲模式为：
电压时间转换器在空闲模式下进入粗转换SARADC转换模式，空闲模式下VTC_SIG为GND，通过反相器和双向自举控制产生模块得到VTC_SIGB为VDD，VTC_SIG_BS为|Vthp|-VDD，第一控制开关、第二控制开关关断，三态反相器处于高阻态，电压时间转换器输出保持VDD；利用三态反相器可以有效降低粗转换SARADC电容阵列输出端变化的电压对电压时间转换器的误操作概率。
所述的双向自举控制产生模块，在低电压设计中，控制开关不断增大的导通电阻会影响电压时间转换器的精度，而控制开关在关断阶段需要实现低泄漏电流以降低静态功耗，通过晶体管和电容构成了自举模块与负电压模块，完成双向自举的功能。
所述的双向自举控制产生模块分为正向自举阶段和反向自举阶段，
步骤A：正向自举阶段
首先分析负电压产生模块，当CLK＝GND时，第七晶体管导通，电容C2的上极板通过第七晶体管接到VDD，第九晶体管通过二极管连接使得电压点VA点的电压保持在|Vthp|的水平，第六晶体管截止使自举模块与负电压模块互不干扰；自举模块中第二晶体管和第四晶体管导通，电容C1下极板通过第二晶体管接到VDD，为保持电容C1电荷守恒使得电容C1上极板自举到2VDD，并通过第四晶体管传输到输出节点VBS；
步骤B：反向自举阶段
当CLK＝VDD时，第八晶体管导通，电容C2的上极板通过第八晶体管下拉到地，为保持电容C2电荷守恒,因此电压点VA点的电压从|Vthp|下降为|Vthp|-VDD，此时第六晶体管导通，该负电压值通过第六晶体管传输到输出节点VBS；自举模块中第一晶体管导通，输出节点VBS连接第三晶体管栅极第三晶体管导通，电容C1上下极板通过分别接到VDD和GND处于充电状态，该操作为正向自举做好准备工作；考虑第四晶体管以及第九晶体管晶体管类型对于节点VA的影响，采用高阈值晶体管(pch-hvt)来保持此负电压的稳定性。
有益效果：本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
1.本发明提出的基于双向自举控制的低泄漏单次检测VTC，采用负电压技术使得泄露电流得到显著的降低。传统控制开关的泄漏电流基本保持在十几个nA的水平；本发明中控制开关的泄漏电流基本保持在几十个pA的水平，采用双向自举控制模块后泄漏电流降低了两个数量级。
2.本发明提出的基于双向自举控制的低泄漏单次检测VTC降低了对粗转换SARADC的性能影响，主要体现在电容阵列上的电压的稳定，与传统的控制相关相比，电压差值为13.16mV，得到了4.6％的提升。
附图说明
图1为本发明方法实现基于双向自举控制的低泄漏单次检测VTC的原理图。
图2为本发明方法双向自举控制产生模块的原理图。
图3为本发明方法基于双向自举控制的低泄漏单次检测VTC的时序图。
图4为本发明方法应用于12bitSAR-TDC中在SAR转换阶段产生的泄漏电流仿真结果图。
图5为本发明方法应用于12bitSAR-TDC中电容阵列输出端电压变化仿真结果图。
具体实施方式
本发明的基于双向自举控制的低泄漏单次检测电压时间转换器由双向自举控制产生模块、控制开关、电流源、三态反相器构成；所述电压时间转换器的正端输入Vp连接到粗转换SARADC正端电容阵列，负端输入Vn连接到粗转换SARADC负端电容阵列；控制开关和电流源进行放电操作用于改变电压时间转换器正端输入Vp和负端输入Vn的电压值；双向自举控制产生模块产生的信号TDC_SIG_BS作用于控制开关的栅极和三态反相器的使能端enb,双向自举控制产生模块产生的信号TDC_SIGB作用于三态反相器的使能端en；电压时间转换器中的三态反相器作为阈值检测器完成时间差的输出；
电压时间转换器的工作模式通过VTC_SIG信号控制；分为两种模式：转换模式和空闲模式，具体包括以下步骤：
所述的转换模式具体为：
经过粗转换得到的电压余量储存在粗转换SARADC电容阵列上，正端和负端电容阵列分别接入电压时间转换器的正端输入Vp和负端输入Vn，转换模式下该电压时间转换器中双向自举控制产生模块的控制信号VTC_SIG为电源VDD，通过反相器和双向自举控制产生模块得到三态反相器的控制信号VTC_SIGB为地GND，三态反相器使能端enb和控制开关栅极共同的控制信号VTC_SIG_BS为2VDD，第一控制开关M1、第二控制开关M2导通，三态反相器I2的使能端enb均导通，电压时间转换器输出GND，电压的正端输入和负端输入在第一控制开关M1、第二控制开关M2导通后通过电流源ID进行放电，当电压时间转换器的正端输入Vp和负端输入Vn的电压低于三态反相器的转换阈值后电压时间转换器输出VDD，转换模式完成。
所述的空闲模式为：
电压时间转换器在空闲模式下进入粗转换SARADC转换模式，空闲模式下VTC_SIG为GND，通过反相器和双向自举控制产生模块得到VTC_SIGB为VDD，VTC_SIG_BS为|Vthp|-VDD，第一控制开关M1、第二控制开关M2关断，三态反相器处于高阻态，电压时间转换器输出保持VDD；利用三态反相器可以有效降低粗转换SARADC电容阵列输出端变化的电压对电压时间转换器的误操作概率。
所述的双向自举控制产生模块，在低电压设计中，控制开关不断增大的导通电阻会影响电压时间转换器的精度，而控制开关在关断阶段需要实现低泄漏电流以降低静态功耗，通过晶体管和电容构成了自举模块与负电压模块，完成双向自举的功能。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的一种基于双向自举控制的低泄漏单次检测VTC，包括输入信号VP和输入信号VN，控制信号VTC_SIG和Vctrl以及输出信号Tp和输出信号Tn。
转换模式工作原理如下，经过粗转换得到的电压余量储存在电容阵列上，电容阵列的P端输出和N端输出分别接入VTC的P端输入和N端输入，转换模式下VTC_SIG为VDD，通过反相器和双向自举控制产生模块得到VTC_SIGB为GND，VTC_SIG_BS为2VDD，控制开关M1、M2导通，三态反相器的使能端均导通，VTC输出GND，VTC的P端输入和N端输入在控制开关导通后通过电流源ID进行放电，当VTC的P端输入和N端输入的电压值低于三态反相器的转换阈值后VTC输出VDD。
VTC进入空闲模式后粗转换ADC进入SAR转换模式，工作原理如下，空闲模式下VTC_SIG为GND，通过反相器和双向自举控制产生模块得到VTC_SIGB为VDD，VTC_SIG_BS为|Vthp|-VDD，第一控制开关M1、第二控制开关M2关断，三态反相器处于高阻态，VTC输出保持VDD；利用三态反相器可以有效降低电容阵列输出端变化电压对VTC的误操作概率。
如图2所示，本发明中的双向自举控制产生模块，输入信号为CLK，输出信号为VBS，分为正向自举阶段和反向自举阶段，其工作原理分析如下：
步骤A：正向自举阶段
首先分析负电压产生模块，当CLK＝GND时，第七晶体管Mbs7导通，电容C2的上极板通过第七晶体管Mbs7接到VDD，第九晶体管Mbs9通过二极管连接使得VA点的电压保持在|Vthp|的水平，第六晶体管Mbs6截止使得自举模块与负电压模块互不干扰，自举模块中第二晶体管Mbs2和第四晶体管Mbs4导通，电容C1下极板通过第二晶体管Mbs2接到VDD，为保持电容C1电荷守恒使得上极板自举到2VDD，并通过第四晶体管Mbs4传输到输出端。
步骤B：反向自举阶段
当CLK＝VDD时，第八晶体管Mbs8导通，电容C2的上极板通过第八晶体管Mbs8下拉到地，为保持电容C2电荷守恒因此VA点的电压从|Vthp|下降为|Vthp|-VDD，此时第六晶体管Mbs6导通，该负电压值通过第六晶体管Mbs6传输到输出端，自举模块中第一晶体管Mbs1导通，输出端连接第三晶体管Mbs3栅极，第三晶体管Mbs3导通，电容C1上下极板通过分别接到VDD和地处于充电状态，该操作为正向自举做好准备工作，为了更好地实现电路功能，需要注意第四晶体管Mbs4以及第九晶体管Mbs9晶体管类型对于节点VA的影响，采用高阈值晶体管来保持负电压的稳定性。
本发明所提出的本发明提出的基于双向自举控制的低泄漏单次检测VTC，采用负电压技术使得泄露电流得到显著的降低，稳定粗转换阶段的电容阵列的输出电压。下面结合具体的电路和仿真结果对其工作原理进行详细说明。
图3为采用本发明实现的基于双向自举控制的低泄漏单次检测VTC的时序图，从图中可以明显的看出VTC处于空闲模式下即使电容阵列上的电压到达三态反相器的翻转电压VTC的输出信号仍能保持不变，不会造成VTC的误操作。
图4为采用本发明方法应用于12bitSAR-TDC中在SAR转换阶段产生的泄漏电流仿真结果图，传统控制开关的泄漏电流基本保持在15nA的水平；本发明中控制开关的泄漏电流基本保持在60pA的水平，采用双向自举控制模块后泄漏电流降低了两个数量级。仿真结果表明，双向自举控制模块能有效降低VTC中控制开关的泄漏电流。
图5为本发明提出的基于双向自举控制的低泄漏单次检测VTC降低了对粗转换SARADC的性能影响，主要体现在电容阵列上的电压的稳定，与传统的控制开关相比，电压差值为13.16mV，得到了4.6％的提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于双向自举控制的低泄漏单次检测电压时间转换器，其特征在于，该电压时间转换器由双向自举控制产生模块、控制开关、电流源、三态反相器构成；所述电压时间转换器的正端输入（Vp）连接到粗转换SAR ADC正端电容阵列，负端输入（Vn）连接到粗转换SARADC负端电容阵列；控制开关和电流源进行放电操作用于改变电压时间转换器正端输入（Vp）和负端输入（Vn）的电压值；双向自举控制产生模块产生的信号TDC_SIG_BS作用于控制开关的栅极和三态反相器的使能端enb,双向自举控制产生模块产生的信号TDC_SIGB作用于三态反相器的使能端en；电压时间转换器中的三态反相器作为阈值检测器完成时间差的输出；
电压时间转换器的工作模式通过VTC_SIG信号控制；分为两种模式：转换模式和空闲模式；
所述的转换模式具体为：
经过粗转换得到的电压余量储存在粗转换SAR ADC电容阵列上，正端和负端电容阵列分别接入电压时间转换器的正端输入（Vp）和负端输入（Vn），转换模式下该电压时间转换器中双向自举控制产生模块的控制信号VTC_SIG为电源VDD，通过反相器和双向自举控制产生模块得到三态反相器的控制信号VTC_SIGB为地GND，三态反相器使能端enb和控制开关栅极共同的控制信号VTC_SIG_BS为2VDD，第一控制开关（M1）、第二控制开关（M2）导通，三态反相器（I2）的使能端（enb）均导通，电压时间转换器输出GND，电压的正端输入和负端输入在第一控制开关（M1）、第二控制开关（M2）导通后通过电流源（ID）进行放电，当电压时间转换器的正端输入（Vp）和负端输入（Vn）的电压低于三态反相器的转换阈值后电压时间转换器输出VDD，转换模式完成；
所述的空闲模式为：
电压时间转换器在空闲模式下进入粗转换SAR ADC转换模式，空闲模式下VTC_SIG为GND，通过反相器和双向自举控制产生模块得到VTC_SIGB为VDD，VTC_SIG_BS为|Vthp|-VDD，第一控制开关（M1）、第二控制开关（M2）关断，三态反相器处于高阻态，电压时间转换器输出保持VDD；利用三态反相器可以有效降低粗转换SAR ADC电容阵列输出端变化的电压对电压时间转换器的误操作概率。
2.根据权利要求1所述的一种基于双向自举控制的低泄漏单次检测电压时间转换器，其特征在于，所述的双向自举控制产生模块，在低电压设计中，控制开关不断增大的导通电阻会影响电压时间转换器的精度，而控制开关在关断阶段需要实现低泄漏电流以降低静态功耗，通过晶体管和电容构成了自举模块与负电压模块，完成双向自举的功能。
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