CN203608166U - 宽输入范围电容-比较器型时间放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及微电子学的模拟集成电路设计领域，进一步增加传统时间放大器的输入范围，使时间放大器在较大输入范围下仍能保持线性特性以及降低设计要求，提出一种宽输入范围电容-比较器型时间放大器。为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是，宽输入范围电容-比较器型时间放大器，包括：三个D触发器，一个二输入与非门，一个二输入异或门，一个多路选择器，一个开关，一个电容，一个比较器和两个电流源。本实用新型主要应用于时间放大器的设计应用。

Description

宽输入范围电容-比较器型时间放大器

技术领域

本实用新型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电容-比较器型时间放大器。

技术背景

因为时间放大器（TDA）可以提高时间-数字转换器的分辨率并且增加输入范围,所以时间放大器被广泛应用于片上时间测量电路以及数字锁相环等电路。现有时间放大器大致分为基于R-S锁存器的时间放大器、交叉延迟单元时间放大器等。

实用新型人在实现本实用新型的过程中，发现上述技术至少存在以下缺点和不足：

传统提出的时间放大器的输入范围都只有几十皮秒，因为只有在这个范围内才能保证线性输出。除此之外，现有技术中提到的时间放大器的增益都要受限于工艺和器件的不匹配，对设计的要求较高。本实用新型提出一种宽输入范围电容-比较器型时间放大器，具有较大的输入范围,良好的线性度以及对设计要求低的特点。

发明内容

为克服现有技术的不足，本实用新型旨在进一步增加传统时间放大器的输入范围，使时间放大器在较大输入范围下仍能保持线性特性以及降低设计要求，提出一种宽输入范围电容-比较器型时间放大器。为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是，宽输入范围电容-比较器型时间放大器，包括：三个D触发器，一个二输入与非门，一个二输入异或门，一个多路选择器，一个开关，一个电容，一个比较器和两个电流源；

时间信号的输入端T_in1和T_in2分别连接两个D触发器的Clk输入端，两个D触发器的D输入端与高电平VDD相连，两个D触发器的Q输出端分别和二输入与非门的输入端及二输入异或门输入端相连；二输入与非门的输出端连接两个D触发器的复位端RN，二输入异或门输出端连接多路选择器的控制端S，S连接第三个D触发器的Clk输入端，第三个D触发器的D输入端连接高电平VDD，电容复位的反向信号连接第三个D触发器的复位端RN；

电流源I_a的流出端与多路选择器的1端相连，电流源I_a流入端和高电平VDD相连。电流源I_b的流入端与多路选择器的0端相连，电流源I_b流出端和低电平VSS相连；多路选择器的输出端和电容C的一端相连，电容C的另一端接参考电平VCM，电容的复位开关和比较器的两个输入端分别跨接在电容C的两端。

宽输入范围电容-比较器型时间放大方法，借助前述放大器实现，包括如下步骤：电容-比较器型时间放大器在工作时，使输入的两个时间信号经过D触发器、与非门、异或门检测，控制多路选择器对电流源进行控制，从而完成在特定时间内的充放电，比较器通过检测电容两端电压完成输出信号的转换，从而实现时间信号的放大。

所述方法的各步骤进一步细化为：

在t₀时刻，使复位开关S_Rst断开，完成采样电容C的复位，采样电容C电压为V_CM；在t₁时刻，控制端S为高电平，多路选择器将电流源I_a和采样电容C相连，采样电容C开始以电流固定I_a开始充电，充电过程持续到t₂时刻，控制端S变为低电平，此时得到采样电容C上的电压V_s，由此得到：

$\mathrm{\Δ}{T}_1=t_2-t_1=\frac{C}{I_a}(V_S-V_{\mathrm{CM}})$

使控制端S变为低电平后，多路选择器将电流源I_b和采样电容C相连，采样电容开始以电流固定I_b开始放电，当采样电容C上的电压小于V_CM时，比较器状态发生翻转，从而输出比较信号T_out2，控制端S经过第三个D触发器后输出比较信号T_out1，假设比较器状态发生翻转为时刻t₃，即电容电压从t₂时刻的V_s开始下降到t₃时刻的V_CM，由此得到：

$\mathrm{\Δ}{T}_2=(t_3-t_2)=\frac{C}{-I_b}(V_{\mathrm{CM}}-V_S)=\frac{C}{I_b}(V_S-V_{\mathrm{CM}})$

所以得到输出的信号时间差：

$\mathrm{\Δ}T=T_{\mathrm{out}1}-T_{\mathrm{out}2}=C(V_S-V_{\mathrm{CM}})(\frac{1}{I_a}+\frac{1}{I_b})$

得到时间增益：

$G=\frac{\mathrm{\ΔT}}{{\mathrm{\ΔT}}_1}=\frac{T_{\mathrm{out}1}-T_{\mathrm{out}2}}{t_2-t_1}=1+\frac{I_a}{I_b}$

输出时间增益由电流源的比值I_a/I_b控制，输出的时间差ΔT为输入时间差ΔT₁的G倍。

本实用新型具备下列技术效果：

本实用新型实施例提供了一种宽输入范围电容-比较器型时间放大器，与传统时间放大器相比，提出的电容-比较器时间放大器利用电容的充放电和比较器检测的方法来实现输入范围的扩大,这种实现方法还能够获得良好的线性度以及对设计要求低的特点。上述电路和具体的实现方法，实现了对输入时间信号的放大，满足了实际应用中的需要。

附图说明

图1是本实用新型提供的宽输入范围电容-比较器型时间放大器电路原理示意图；

图2是本实用新型提供的宽输入范围电容-比较器型时间放大器电路时序图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

VDD:高电平；             VSS:低电平；

VCM:参考电压；           T_in1:输入时间信号1；

T_in2:输入时间信号2；     T_out1:输出时间信号1；

T_out2:输出时间信号2；    S：多路选择器控制端；

I_a:电流源a；             I_b:电流源b；

Rst:电容复位开关。

具体实施方式

为了增加传统时间放大器的输入范围，使输出在较大范围内保持线性并且降低设计要求。本实用新型提供了一种宽输入范围电容-比较器型时间放大器，详见下文描述：

参见图1，实现电路包括：三个D触发器，一个二输入与非门，一个二输入异或门，一个多路选择器，一个开关，一个电容，一个比较器和两个电流源。

时间信号的输入端T_in1和T_in2分别连接两个D触发器的Clk输入端，两个D触发器的D输入端与高电平VDD相连，两个D触发器的Q输出端分别和二输入与非门的输入端及二输入异或门输入端相连。二输入与非门的输出端连接两个D触发器的复位端RN。二输入异或门输出端连接多路选择器的控制端S，S连接第三个D触发器的Clk输入端，第三个D触发器的D输入端连接高电平VDD，电容复位的反向信号连接第三个D触发器的复位端RN。

电流源I_a的流出端与多路选择器的1端相连，电流源I_a流入端和高电平VDD相连。电流源I_b的流入端与多路选择器的0端相连，电流源I_b流出端和低电平VSS相连。多路选择器的输出端和电容C的一端相连，电容C的另一端接参考电平VCM。电容的复位开关和比较器的两个输入端分别跨接在电容C的两端。

电容-比较器型时间放大器在工作时，输入的两个时间信号经过D触发器、与非门、异或门检测，控制多路选择器对电流源进行控制，从而完成在特定时间内的充放电，比较器通过检测电容两端电压完成输出信号的转换，从而实现时间信号的放大。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型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电容-比较器型时间放大器结构。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t₀时刻，复位开关S_Rst断开，完成采样电容C的复位，电容电压为V_CM。在t₁时刻，S为高电平，多路选择器将电流源I_a和电容C相连，电容C开始以电流固定I_a开始充电，充电过程持续到t₂时刻，S变为低电平，此时得到电容C上的电压V_s，由此得到：

$\mathrm{\Δ}{T}_1=t_2-t_1=\frac{C}{I_a}(V_S-V_{\mathrm{CM}})$

S变为低电平后，多路选择器将电流源I_b和电容C相连，电容开始以电流固定I_b开始放电，当电容C上的电压小于V_CM时，比较器状态发生翻转，从而输出比较信号T_out2，S经过D触发器后输出比较信号T_out1。假设比较器状态发生翻转为时刻t₃，即电容电压从t₂时刻的V_s开始下降到t₃时刻的V_CM，由此得到：

$\mathrm{\Δ}{T}_2=(t_3-t_2)=\frac{C}{-I_b}(V_{\mathrm{CM}}-V_S)=\frac{C}{I_b}(V_S-V_{\mathrm{CM}})$

所以得到输出的信号时间差：

$\mathrm{\Δ}T=T_{\mathrm{out}1}-T_{\mathrm{out}2}=C(V_S-V_{\mathrm{CM}})(\frac{1}{I_a}+\frac{1}{I_b})$

得到时间增益：

$G=\frac{\mathrm{\ΔT}}{{\mathrm{\ΔT}}_1}=\frac{T_{\mathrm{out}1}-T_{\mathrm{out}2}}{t_2-t_1}=1+\frac{I_a}{I_b}$

输出时间增益由电流源的比值I_a/I_b控制，输出的时间差ΔT为输入时间差ΔT₁的G倍。假设电流I_a、I_b相等，则:

ΔT＝GΔT₁＝2ΔT₁

此时的时间放大器为乘2时间放大器。

下面以宽输入范围电容-比较器型时间放大器为例，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250fF,T_in1在10ns时由低电平变为高电平，T_in2在14ns时由低电平变为高电平，则ΔT=5ns，即S的脉冲宽度为5ns。在Rst对完成复位后，在S的高电平阶段开始对电容C进行充电，充电电流为I_a,充电时间为S脉冲宽度5n，S的上升沿输出时间信号T_out1。随后S为低电平，电容C开始以电流I_b对电容C放电。当I_a＝I_b时，放电时间为5ns。比较器此时输出转换信号T_out2。输出时间差为10ns，完成对输入时间信号的乘2放大。

Claims (1)

1.一种宽输入范围电容-比较器型时间放大器，其特征是，包括：三个D触发器，一个二输入与非门，一个二输入异或门，一个多路选择器，一个开关，一个电容，一个比较器和两个电流源；

时间信号的输入端T_in1和T_in2分别连接两个D触发器的Clk输入端，两个D触发器的D输入端与高电平VDD相连，两个D触发器的Q输出端分别和二输入与非门的输入端及二输入异或门输入端相连；二输入与非门的输出端连接两个D触发器的复位端RN，二输入异或门输出端连接多路选择器的控制端S，S连接第三个D触发器的Clk输入端，第三个D触发器的D输入端连接高电平VDD，电容复位的反向信号连接第三个D触发器的复位端RN；

电流源I_a的流出端与多路选择器的1端相连，电流源I_a流入端和高电平VDD相连，电流源I_b的流入端与多路选择器的0端相连，电流源I_b流出端和低电平VSS相连；多路选择器的输出端和电容C的一端相连，电容C的另一端接参考电平VCM，电容的复位开关和比较器的两个输入端分别跨接在电容C的两端。

Images