TW201340613A - 使用迴轉率控制的時間差異放大器及放大方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種時間差異放大器。當使用該時間差異放大器放大時間差時，內部輸出電壓的迴轉率根據數位輸入信號的相位結合來變化，以使時間增益由迴轉率之間的比率來確定，並可從外部控制迴轉率。於電壓在第一充電電容器和第二充電電容器中充電至電源供應電壓的位準後，當第一數位輸入信號轉變時，第一充電電容器的充電電壓隨著第一迴轉率降低，且當第二數位輸入信號轉變時，第一充電電容器和第二充電電容器的充電電壓均隨著第二迴轉率降低，以使當將參考電壓與第一數位輸入信號和第二數位輸入信號作比較以產生第一數位輸出信號和第二數位輸出信號時，第一數位輸入信號和第二數位輸入信號均自初始相位變化。

Description

使用迴轉率控制的時間差異放大器及放大方法

本發明涉及一種時間差異放大器，尤其涉及一種使用迴轉率控制的時間差異放大器，其中內部輸出電壓的迴轉率根據數位輸入信號的相位結合來變化，以便於由迴轉率之間的比率來確定時間增益，從而允許自外部調節迴轉率以控制時間增益。

近年來，隨著半導體製程技術的發展，類比積體電路的運行速度已經得以改善，類比積體電路的供電電壓已經降低。在這些情況下，一個特性是時間解析度更加優於電壓解析度。由於此事實，近年來，趨向於使用時間至數位轉換器(Time-to-Digital Converter，TDC)，而不是用於將類比信號間的電壓差轉換為數位值的類比至數位轉換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)。由於不僅使用時間至數位轉換器，反而串聯地連接壓控延遲線(Voltage-Controlled Delay Line，VCDL)與時間至數位轉換器，該壓控延遲線可以將類比電壓差轉換為兩數位信號的上升邊緣之間的時間差，並且時間至數位轉換器可以將時間差轉換為數位值，以便於可以實現與類比數位轉換器相同的效果。

有各種用於改善時間至數位轉換器的時間解析度的方法。這些方法的其中之一是將時間差異放大器連接至時間至數位轉換器的前端來使用時間差異放大器。

時間差異放大器為一種電路，該電路以預定的速率放大兩數位輸入信號的變化邊緣之間的時間差，並且增加兩數位輸出信號的變化邊緣之間的時間差。該時間差異放大器的時間增益定義為兩數位輸出信號的變化邊緣之間的時間差除以兩數位輸入信號的變化邊緣之間的時間差所得到的數值。

第1圖為顯示傳統時間差異放大器的功能的示意圖。參考第1圖，當假設輸入至時間差異放大器110的第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2的變化邊緣之間的時間差為△T_IN，並且時間差異放大器110的第 一數位輸出信號OUT1和第二數位輸出信號OUT2的變化邊緣之間的時間差為△T_OUT，時間差異放大器110的時間增益G為△T_OUT/△T_IN。

如上所述，第2圖顯示了使用時間差異放大器，並且將其與時間至數位轉換器串聯地連接的一個示例。參考第2圖，時間差異放大器210的兩個輸出端與時間至數位轉換器220的兩個輸入端串聯地連接。在此情況下，由於輸入至時間至數位轉換器220的兩數位信號的變化邊緣之間的時間差被時間差異放大器210放大，從而改善了時間至數位轉換器220的時間解析度。

第3圖為顯示在傳統時間差異放大器中改善時間解析度的原理的示意圖。參考第3圖，當如第2圖所示之具有時間增益G的時間差異放大器與具有時間解析度Td的時間至數位轉換器串聯連接時，最終的時間解析度變為Td/G。在此情況下，當與使用游標尺延遲線的傳統的時間至數位轉換器的時間解析度的改善方法相比較時，其中兩延遲線之間的時間延遲差對應於時間至數位轉換器的時間解析度，進一步改善了時間解析度，而電路的尺寸和功耗顯著地降低。

為了在各種應用領域中有效地使用時間差異放大器，一些條件應該被滿足。一般的條件包括一個大的增益、一個寬的輸入範圍以及線性。

也就是說，對於具有輸入至時間差異放大器的兩數位輸入信號的變化邊緣之間的寬時間差的時間週期而言，必須滿足以下條件：兩數位輸出信號的變化邊緣之間的時間差相對於兩數位輸入信號的變化邊緣之間的時間差保持在恆定速率，並且該速率具有大的數值。

其原因在於，因為如上所述，時間差異放大器的使用主要是與時間至數位轉換器相連接，當時間增益小時，應該串聯連接多個時間差異放大器，以獲得所需的時間增益和所需的時間解析度。另一原因在於，在時間差異放大器僅在具有輸入信號的變化邊緣之間的窄時間差的週期中操作的情況下，時間至數位轉換器的操作範圍受到限制。再一原因在於，在時間差異放大器的時間增益相對於輸入信號的變化邊緣之間的時間差不是常數的情況下，在測量精確的時間週期的應用中不可以使用該時間差異放大器。

第4圖為傳統時間差異放大器的電路圖。參考第4圖，傳統的時間差異放大器400具有正回饋迴路結構。這裏，時間差異放大器400為使用設 置-重置(Set-Reset，SR)鎖存器410和SR鎖存器420的介穩(metastable)相位的時間差異放大器。換言之，時間差異放大器400為使用當兩數位輸入信號的變化邊緣之間的時間差縮短時兩輸出信號的相位變化所需的時間延長的現象的時間差異放大器。只有當兩輸入信號的變化邊緣之間的時間差在具有介穩相位的週期中時，執行時間差異放大器400的時間差異放大功能。此外，在時間差異放大器400中，由於時間增益的值相對於輸入信號的變化邊緣之間的時間差不是常數時，在足夠窄的時間週期(±40ps)期間可以僅使用時間差異放大器400。此外，時間增益的最大值限制為20。

第5圖為另一傳統時間差異放大器的電路圖。第5圖所示的時間差異放大器500也具有正回饋迴路結構，並且包括基於反及閘(NAND gate)ND1與反及閘ND2的SR鎖存器510。時間差異放大器500為根據以下原理操作的時間差異放大器，該原理為對稱放置的反及閘ND1與反及閘ND2的下拉(pull-down)電路的下降程度由相反側的反及閘ND1與ND2的輸出來確定，以使輸入相位較早變化的一個反及閘的輸出迅速地變化，輸入相位較晚變化的另一反及閘的輸出緩慢地變化。

在窄輸入時間週期期間僅執行時間差異放大器500的時間差異放大功能，以便於可以控制反及閘ND1與反及閘ND2之各自的輸出對相反側的反及閘ND1與反及閘ND2的操作的影響。由於時間差異放大器500具有正回饋迴路結構，時間增益的值相對於輸入信號的變化邊緣之間的時間差不是常數，因此，為了校準該值，需要基於壓控延遲線的校準單元520。時間差異放大器500的時間增益被鎖定為2，並且在使用校準單元520的情況下最大輸入時間週期約為±100ps。為了增加時間增益，應該使用串接(cascade)結構，其中多個時間差異放大器串聯連接。

因此，在傳統的時間差異放大器中，由於正回饋迴路結構，時間增益的值相對於輸入信號的變化邊緣之間的時間差不是常數，因而產生的問題在於，僅在非常窄的時間週期並且時間增益小時可以使用時間差異放大器。

同時，在傳統的時間差異放大器中，由於使用多個時間差異放大器串聯連接的串接結構以增加時間增益，需要大空間和高費用。

因此，本發明致力於解決存在於現有技術中的問題，並且本發明的一個目的是提供一種採用開放迴路迴轉率控制方案的時間差異放大器，藉以獲得寬輸入時間週期的恆定時間增益並且允許自外部從低值時間增益到高值時間增益控制時間增益。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供一種使用迴轉率控制的時間差異放大器，包括：一第一數位信號輸出單元，包含：一第一迴轉率設置部，配置以設置一第一迴轉率，以在一第一充電電容器中將一電壓充電至一電源供應電壓的一位準，並且當輸入至一第一輸入端的一第一數位輸入信號轉變時產生隨著該第一迴轉率降低的一第一輸出電壓，並且當輸入至一第二輸入端的一第二數位輸入信號轉變時將該第一迴轉率變為一第二迴轉率，並且產生隨著該第二迴轉率降低的該第一輸出電壓，以使該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號的相位不同於初始相位、以及一第一電壓比較器，配置以將一參考電壓與自該第一迴轉率設置部輸出的該第一輸出電壓作比較，並且依此而輸出一第一數位信號；以及一第二數位信號輸出單元，包含：一第二迴轉率設置部，配置以當輸入至一第三輸入端的該第二數位輸入信號不轉變時輸出在一第二充電電容器中充電的該電源供應電壓的該位準的一電壓作為一第二輸出電壓，並且當輸入至該第三輸入端的該第二數位輸入信號轉變時設置該第二迴轉率，以使該電壓充電至該電源供應電壓的該位準，並且產生隨著該第二迴轉率降低的該第二輸出電壓，以使該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號的相位不同於初始相位、以及一第二電壓比較器，配置以將該參考電壓與該第二迴轉率設置部輸出的該第二輸出電壓作比較，並且依此而輸出一第二數位信號。

根據本發明的另一方面，提供一種使用迴轉率控制的時間差異放大器，包括：第一數位信號輸出單元，包含：一第一迴轉率設置部，配置以設置一第一迴轉率，以在一第一充電電容器中將一電壓放電至一接地電壓的一位準，並且當輸入至一第一輸入端的一第一數位輸入信號轉變時產生隨著該第一迴轉率增加的一第一輸出電壓，並且當輸入至一第二輸入端的一第二數位輸入信號轉變時將該第一迴轉率變為一第二迴轉率，並且產生隨著該第二迴轉率增加的該第一輸出電壓，以使該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號的相位不同於初始相位、以及一第一電壓比較器，配置 以將一參考電壓與自該第一迴轉率設置部輸出的該第一輸出電壓作比較，並且依此而輸出一第一數位信號；以及一第二數位信號輸出單元，包含：一第二迴轉率設置部，配置以當輸入至一第三輸入端的該第二數位輸入信號不轉變時輸出在一第二充電電容器中放電的該接地電壓的該位準的一電壓作為一第二輸出電壓，並且當輸入至該第三輸入端的該第二數位輸入信號轉變時設置該第二迴轉率，以使該電壓放電至該接地電壓的該位準，並且產生隨著該第二迴轉率增加的該第二輸出電壓，以使該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號的相位不同於初始相位、以及一第二電壓比較器，配置以將該參考電壓與該第二迴轉率設置部輸出的該第二輸出電壓作比較，並且依此而輸出一第二數位信號。

根據本發明的再一方面，提供一種使用迴轉率控制的時間差異放大方法，包括：(a)設置一第一迴轉率，以在一第一充電電容器中將一電壓充電至一電源供應電壓的一位準，並且當輸入至一第一迴轉率設置部的一第一輸入端的一第一數位輸入信號轉變時產生隨著該第一迴轉率變化的一第一輸出電壓，並且當輸入至該第一迴轉率設置部的一第二輸入端的一第二數位輸入信號轉變時將該第一迴轉率變為一第二迴轉率，並且產生隨著該第二迴轉率變化的該第一輸出電壓，以使該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號的相位不同於初始相位；(b)使用一第一電壓比較器將該第一輸出電壓與一參考電壓作比較，並且輸出一第一數位信號；(c)當輸入至一第二迴轉率設置部的一第三輸入端的該第二數位輸入信號不轉變時，輸出在一第二充電電容器中充電的該電源供應電壓的該位準或放電的一接地電壓的一位準的一電壓作為一第二輸出電壓，並且當輸入至該第二迴轉率設置部的該第三輸入端的該第二數位輸入信號轉變時，設置該第二迴轉率，以將該電壓充電至該電源供應電壓的該位準或者放電至該接地電壓的該位準，並且產生隨著該第二迴轉率降低的該第二輸出電壓，以使該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號的相位不同於初始相位；以及(d)使用一第二電壓比較器將該參考電壓與自該第二迴轉率設置部輸出的一第二輸出電壓作比較，並且輸出一第二數位信號。

現在參考本發明的較佳實施例，並參考所附圖式作出詳細說明。無論如何，相似的元件符號在這裏用於代表相同或相似的部分。

第6圖為顯示根據本發明一實施例中使用迴轉率控制的時間差異放大器的框圖。參考第6圖，時間差異放大器600包括：第一數位信號輸出單元610和第二數位信號輸出單元620。第一數位信號輸出單元610包括第一迴轉率設置部611和第一電壓比較器612，第二數位信號輸出單元620包括第二迴轉率設置部621和第二電壓比較器622。

第一數位輸入信號IN1同時輸入至第一迴轉率設置部611的第一輸入端I1和第二迴轉率設置部621的第四輸入端I4。第二數位輸入信號IN2同時輸入至第一迴轉率設置部611的第二輸入端I2和第二迴轉率設置部621的第三輸入端I3。第一電壓比較器612的反相輸入端連接至第一迴轉率設置部611的輸出端，第一電壓比較器612的非反相端連接至參考電壓Vref的終端。第二電壓比較器622的反相輸入端連接至第二迴轉率設置部621的輸出端，第二電壓比較器622的非反相端連接至參考電壓Vref的終端。

第一迴轉率設置部611被配置以根據分別輸入至其第一輸入端I1和第二輸入端I2的第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2的相位結合設置迴轉率，並因此產生第一輸出電壓O1。第一電壓比較器612被配置以將參考電壓Vref與第一迴轉率設置部611的第一輸出電壓O1作比較，並因此產生第一數位輸出信號OUT1。

第二迴轉率設置部621被配置以根據分別輸入至其第三輸入端I3和第四輸入端I4的第二數位輸入信號IN2和第一數位輸入信號IN1的相位結合設置迴轉率，並因此產生第二輸出電壓O2。第二電壓比較器622被配置以將參考電壓Vref與第二迴轉率設置部621的第二輸出電壓O2作比較，並因此產生第二數位輸出信號OUT2。

由此可知，時間差異放大器600具有開放的迴路結構，其中第一數位輸出信號OUT1和第二數位輸出信號OUT2僅由第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2確定，並且不使用回饋。

第7圖為顯示第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2、第一輸出電壓O1和第二輸出電壓O2、以及第一數位輸出信號OUT1和第二數位輸出信號OUT2的時序圖。下面將參考第7圖詳細描述時間差異放大器600 的操作原理。

在第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2均為“00”的初始時間週期(T=0)中，第一迴轉率設置部611和第二迴轉率設置部621輸出電源供應電壓(例如，VDD)作為第一輸出電壓O1和第二輸出電壓O2。

然後，在第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2的其中之一轉變(例如，變為“10”)的時間週期(例如，0<T<T1)中，由於第一迴轉率設置部611通過第一輸入端I1被輸入為具有變化的第一數位輸入信號IN1，第一迴轉率設置部611為電源供應電壓VDD設置第一迴轉率SR1並因此產生第一輸出電壓O1。此時，由於第二迴轉率設置部621通過第三輸入端I3被連續地輸入為具有未變化的第二數位輸入信號IN2，第二迴轉率設置部621連續地輸出電源供應電壓VDD作為第二輸出電壓O2。

此後，在第二數位輸入信號IN2轉變以使第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2均轉變(例如，變為“11”)的時間週期(例如，T1<T)中，第一迴轉率設置部611將先前施加於電源供應電壓VDD的第一迴轉率SR1變為第二迴轉率SR2，並且因此產生第一輸出電壓O1。第二迴轉率設置部621為電源供應電壓VDD設置第二迴轉率SR2，並且因此產生第二輸出電壓O2。因此，當與第一迴轉率SR1具有電壓位準差時，第一迴轉率設置部611和第二迴轉率設置部621的第一輸出電壓O1和第二輸出電壓O2都隨著相同的迴轉率SR2降低，如第7圖所示。

第一電壓比較器612將參考電壓Vref與以此方式降低的第一迴轉率設置部611的第一輸出電壓O1作比較，並且當第一輸出電壓O1降低至低於參考電壓Vref的位準時(例如，T=T2)，將第一數位輸出信號OUT1從接地電壓(例如，VSS)的位準轉變為電源供應電壓(例如，VDD)的位準。第二電壓比較器622將參考電壓Vref與以此方式降低的第二迴轉率設置部621的第二輸出電壓O2作比較，並且當第二輸出電壓O2降低至低於參考電壓Vref的位準時(例如，T=T3)，將第二數位輸出信號OUT2從接地電壓的位準轉變為電源供應電壓(VDD)的位準。

在施加於如上所述之時間週期的第一迴轉率SR1大於施加於如上所述之時間週期的第二迴轉率SR2的情況下，第一輸出電壓O1和第二輸出電壓O2到達參考電壓Vref的時間週期△Tout在預定的比率處變得長於第一 數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2的變化邊緣之間的時間差△Tin。

其原因在於，因為當在時間週期0<T<T1中第一輸出電壓O1隨著第一迴轉率SR1降低以及當在時間週期T1<T中第一輸出電壓O1和第二輸出電壓O2都隨著第二迴轉率SR2降低時，第二輸出電壓O2連續地維持電源供應電壓VDD，第一輸出電壓O1和第二輸出電壓O2之間產生的差對應於第一迴轉率SR1和時間T1。

在第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2均從初始相位“00”轉變為“11”的時間(T=T1)處，第一輸出電壓V(O1)和第二輸出電壓V(O2)用下面的數學運算式1表示：[數學運算式1]V(O1)=VDD-SR1xt1 V(O2)=VDD

當在第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2均轉變為“11”的時間T=T1處變化第一輸出電壓O1和第二輸出電壓O2以及第二迴轉率SR2時，第一輸出電壓O1處於已經隨著第一迴轉率SR1變化並且低於第二輸出電壓O2的狀態。因此，第一輸出電壓O1和第二輸出電壓O2到達參考電壓Vref所需的時間變得彼此不同，並且可以使用下面的數學運算式2和數學運算式3很容易地計算出。

時間差異放大器600的時間增益G(=△Tout/△Tin)可以用下面通過使用數學運算式2和數學運算式3而得到的數學運算式4來表示。

即，時間差異放大器600的時間增益G通過在時間週期(例如，0<T<T1)中施加於第一迴轉率設置部611的第一迴轉率SR1除以在時間週期(例如，T1<T)中施加於第一迴轉率設置部611和第二迴轉率設置部621的第二迴轉率SR2所得的數值來確定，其中在時間週期(例如，0<T<T1)中第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2的其中之一轉變(例如，轉變為“10”)，在時間週期(例如，T1<T)中第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2都轉變(例如，變為“11”)。

在本實施例中，由於施加於第一迴轉率設置部611和第二迴轉率設置部621的第一迴轉率SR1和第二迴轉率SR2可以自時間差異放大器600的外部來調節的事實，時間差異放大器600的時間增益G可以從外部控制。

在第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2均為“10”的時間週期(0<t<t1)中，輸出電壓的變化，例如，第一輸出電壓O1的變化(VDD-V(01)|_t=t1)應該小於初始值(例如，VDD)與參考電壓Vref之間的差。

在此條件下，時間差異放大器600的最大輸入時間範圍△Tin.max用下面的數學運算式5表示。

第8圖為根據本發明的實施例中時間差異放大器的詳細電路圖。參考第8圖，時間差異放大器包括：第一迴轉率設置部611，其具有在電源供應端VDD與接地端VSS之間串聯連接的第一充電開關S11和第一充電電容器C11、以及配對的第一放電開關S12和第一電流源IB11與配對的第二放電開關S13和第二電流源IB12，其中的每一對均在作為串聯連接的第一充電開關S11與第一充電電容器C11的公共連接點的第一節點N11與接地端VSS之間串聯連接，其中該第一節點N11連接至第一電壓比較器612的反相輸入端；以及第二迴轉率設置部621，其具有在電源供應端VDD與接地端VSS之間串聯連接的第二充電開關S21與第二充電電容器C21、以及配對的第三放電開關S22和第三電流源IB21與配對的第四放電開關S23和第四電流源IB22，其中的每一對均在作為串聯連接的第二充電開關S21與第 二充電電容器C21的公共連接點的第二節點N21與接地端VSS之間串聯連接，其中該第二節點N21連接至第二電壓比較器622的反相輸入端。

雖然第一迴轉率設置部611與第二迴轉率設置部621的配置彼此相同，由於第一迴轉率設置部611的第一放電開關S12與第二迴轉率設置部621的第三放電開關S22使用不同的開關控制邏輯來轉換，第一輸出電壓O1和第二輸出電壓O2為不同地輸出。

在第一迴轉率設置部611中，在第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2均為“00”的初始時間週期(T=0)中，第一充電開關S11通過由“00”確定的開啟控制信號開啟。因此，電源供應電壓VDD通過第一充電開關S11在第一充電電容器C11中充電，作為初始值。

類似地，在第二迴轉率設置部621中，在第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2均為“00”的初始時間週期(T=0)中，第二充電開關S21通過由“00”確定的開啟控制信號開啟。因此，電源供應電壓VDD通過第一充電開關S21在第二充電電容器C21中充電，作為初始值。

此後，在第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2的其中之一轉變(例如，變為“10”)的時間週期(例如，0<T<T1)中，第一迴轉率設置部611的第一充電開關S11與第二迴轉率設置部621的第二充電開關S21均通過由“10”確定的關閉控制信號關閉。

第一放電開關S12通過作為向從“0”轉變為“1”的第一迴轉率設置部611的第一輸入端I1提供的數位輸入信號產生的開啟控制信號開啟。根據此事實，作為第一充電開關S11與第一充電電容器C11的公共連接點的第一節點N11通過第一放電開關S12連接至第一電流源IB11。因此，在第一充電電容器C11中充電的初始充電電壓VDD開始隨著第一迴轉率SR1降低。

然而，該數位輸入信號被連續地輸入為“0”至第二迴轉率設置部621的第三輸入端I3。因此，不產生基於從“0”轉變為“1”的數位輸入信號的開啟控制信號。由於該事實，第二迴轉率設置部621的第三放電開關S22連續地保持在關閉狀態。因此，第二充電電容器C21連續地保持初始充電電壓VDD。

此後，在第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2均轉變(例如，變為“11”)的時間週期(例如，T1<T)中，第一放電開關S12通過由“11” 產生的關閉控制信號關閉。然而，第一迴轉率設置部611的第二放電開關S13和第二迴轉率設置部621的第四放電開關S23均通過基於第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2轉變為“11”產生的開啟控制信號開啟。

由於此事實，放電至低於自第一迴轉率設置部611的第一充電電容器C11的初始充電電壓VDD的位準的充電電壓開始隨著第二迴轉率SR2朝向參考電壓Vref降低。

相反地，由於初始充電電壓VDD保持在第二迴轉率設置部621的第二充電電容器C21，該充電電壓VDD開始隨著第二迴轉率SR2朝向參考電壓Vref降低。

因此，當參考電壓Vref為VDD/2時，數學運算式2至5可以用下面的數學運算式6至9表示。此時，假設第一充電電容器C11和第二充電電容器C12具有相同的電容，第一電流源IB11和第三電流源IB21具有相同的電流值，第二和第四電流源IB12和IB22具有相同的電流值。

數學運算式9為施加於第一迴轉率設置部611的示例，C表示第一充電電容器C11。數學運算式9以相同的方式施加於第二迴轉率設置部621。

從數學運算式6至9可以看出，時間差異放大器600的時間增益由第一電流源IB11和第三電流源IB12的電流值之間的比率以及第二電流源IB21和第四電流源IB22的電流值之間的比率來確定。

在第一電流源IB11、第二電流源IB12、第三電流源IB21和第四電流源IB22的電流值可以自時間差異放大器600的外部控制的情況下，時間差異放大器600的時間增益可以自時間差異放大器600的外部控制。

在具有正回饋迴路結構的傳統的時間差異放大器的情況下，因為當實現時間差異放大器時，時間增益的值由使用的電晶體的尺寸來確定，很難在製造時間差異放大器之後改變時間增益。相反地，在根據本發明的實施例中的時間差異放大器600的情況下，因為如上所述的第一電流源IB11和第三電流源IB21以及第二電流源IB12和第四電流源IB22的電流值可以自外部控制，可以在製造時間差異放大器600之後根據各種目的和應用方便地改變時間增益。

在第9圖中，G1為基於SR鎖存器之傳統的時間差異放大器的特性曲線，G2為基於反及閘之傳統的時間差異放大器的特性曲線。此外，在第9圖中，G3為根據本發明實施例中之時間差異放大器的特性曲線。在基於SR鎖存器的傳統的時間差異放大器中，最大輸入時間週期為±40ps，最大時間增益只有20。此外，在基於反及閘之傳統的時間差異放大器的情況下，當使用校準電路時可以使用的最大輸入時間週期為±100ps，時間增益鎖定為2。

相反地，在根據本發明實施例中之時間差異放大器的情況下，最大輸入時間週期和最大時間增益可以根據上面給出的數學運算式8和9從第一充電電容器C11和第二充電電容器C21、第一電流源IB11和第三電流源IB21以及第二電流源IB12和第四電流源IB22的值獲得。當第一充電電容器C11和第二充電電容器C21的電容為2pF時，第一電流源IB11和第三電流源IB21的電流值可以從0.6mA上升至1.2mA，第二電流源IB21和第四電流源IB22的電流值可以從10μA變化為50μA，最大輸入時間週期為±2000ps，時間增益可以從12上升至120。

第10A圖至第10D圖為顯示當第一充電電容器C11和第二充電電容器C21的電容設置為2pF時，第一數位輸出信號OUT1和第二數位輸出信號OUT2的變化邊緣之間的時間差相對於第一數位輸入信號IN1和第二數位輸入信號IN2的變化邊緣之間的時間差的示意圖，在根據本發明實施例中的時間差異放大器600中，第一電流源IB11和第三電流源IB21的電流值 可以從0.6mA上升至1.2mA，第二電流源IB21和第四電流源IB22的電流值可以從10μA變化為50μA。符號1至6表示電路模擬工具軟體(HSPICE)的模擬結果，點線(模擬結果)表示從數學運算式8得到的計算值。可以看出，在所有的圖表中從數學運算式8計算的結果與模擬結果均相似。

第11圖為顯示HSPICE模擬結果相對於從數學運算式8得到的時間增益計算結果的平均誤差和峰對峰(peak-to-peak)誤差的示意圖。符號1至4表示HSPICE模擬結果相對於根據電流源IB1和電流源IB2的時間增益計算結果的誤差率，點線表示平均誤差。

可以看出，在第一電流源IB11和第三電流源IB21與第二電流源IB12和第四電流源IB22的四種結合(1：IB1=1207μA，IB2=50.0μA；2：IB1=1207μA，IB2=10.1μA；3：IB1=615μA，IB2=50.0μA；以及4：IB1=615μA，IB2=10.1μA)中，平均誤差範圍為2.03%至5.32%，峰對峰誤差範圍為-7.3%至8.2%。

第12圖的表比較了根據本發明實施例中的時間差異放大器與傳統的時間差異放大器的性能。可以看出，當與基於SR鎖存器的傳統的時間差異放大器中4.5%的峰對峰誤差比率和基於反及閘的傳統的時間差異放大器中15%的峰對峰誤差比率相比較時，根據本發明實施例中的時間差異放大器表現出優良的性能。

如上所述，當電壓在第一充電電容器C11和第二充電電容器C21中充電至初始狀態中的電源供應電壓VDD的位準之後，第一充電電容器C11的充電電壓隨著第一迴轉率SR1降低，然後當與參考電壓Vref比較時，第一充電電容器C11和第二充電電容器C21的充電電壓均隨著第一迴轉率SR1和第二迴轉率SR2降低，因此產生第一數位輸出信號OUT1和第二數位輸出信號OUT2，需要注意的是，本發明不限於此。例如，與上面的描述相反，假設當第一充電電容器C11和第二充電電容器C21的電壓均放電至初始狀態中的接地電壓(VSS)之後，當與參考電壓Vref比較時，電壓充電至第一充電電容器C11和第二充電電容器C21，因此產生第一數位輸出信號OUT1和第二數位輸出信號OUT2。

從上面的描述可知，根據本發明的實施例，提供的優點在於，時間差異放大器的時間增益由根據數位輸入信號的相位結合變化的輸出電壓的迴 轉率之間的比率來確定，從而允許從外部調節輸出電壓的迴轉率，以便於可以在製造時間差異放大器之後根據各種目的和應用方便地控制時間增益。

同時，提供的優點在於，當與傳統的時間差異放大器相比較時，由於時間差異放大器被設計為具有開放的迴路結構，可以獲得具有常數值的時間增益一段寬的輸入時間週期。

雖然本發明的較佳實施例已經作為說明性的目的描述，熟悉本領域的技術人員可以理解的是，在不脫離如所附申請專利範圍所揭露的本發明的範圍和精神的情況下，可以對本發明作出各種修改、添加及替換。

110‧‧‧時間差異放大器

210‧‧‧時間差異放大器

220‧‧‧時間至數位轉換器

400‧‧‧時間差異放大器

410、420‧‧‧SR鎖存器

500‧‧‧時間差異放大器

510‧‧‧SR鎖存器

520‧‧‧校準單元

600‧‧‧時間差異放大器

610‧‧‧第一數位信號輸出單元

611‧‧‧第一迴轉率設置部

612‧‧‧第一電壓比較器

620‧‧‧第二數位信號輸出單元

621‧‧‧第二迴轉率設置部

622‧‧‧第二電壓比較器

C11‧‧‧第一充電電容器

C21‧‧‧第二充電電容器

I1‧‧‧第一輸入端

I2‧‧‧第二輸入端

I3‧‧‧第三輸入端

I4‧‧‧第四輸入端

IB11‧‧‧第一電流源

IB12‧‧‧第二電流源

IB21‧‧‧第三電流源

IB22‧‧‧第四電流源

IN1‧‧‧第一數位輸入信號

IN2‧‧‧第二數位輸入信號

N11‧‧‧第一節點

N21‧‧‧第二節點

ND1、ND2‧‧‧反及閘

O1‧‧‧第一輸出電壓

O2‧‧‧第二輸出電壓

OUT1‧‧‧第一數位輸出信號

OUT2‧‧‧第二數位輸出信號

S11‧‧‧第一充電開關

S12‧‧‧第一放電開關

S13‧‧‧第二放電開關

S21‧‧‧第二充電開關

S22‧‧‧第三放電開關

S23‧‧‧第四放電開關

Vref‧‧‧參考電壓

在結合所附圖式閱讀下面詳細的描述之後，本發明的上述目的、以及其他特點和優點將變得更加明顯，圖式中：第1圖為顯示傳統時間差異放大器的功能的示意圖；第2圖為顯示時間差異放大器與時間至數字轉換器串聯連接的結構示意圖；第3圖為顯示在傳統時間差異放大器中改善時間解析度的原理的示意圖；第4圖為傳統時間差異放大器的電路圖；第5圖為另一傳統時間差異放大器的電路圖；第6圖為顯示根據本發明一實施例中使用迴轉率控制的時間差異放大器的框圖；第7圖為顯示第6圖中數位輸入信號、兩輸出電壓和數位輸出信號的時序圖；第8圖為根據本發明實施例中時間差異放大器的詳細電路圖；第9圖為顯示傳統時間差異放大器與根據本發明時間差異放大器的特性的示意圖；第10A圖至第10D圖為顯示根據本發明的時間差異放大器中數位輸出信號的變換邊緣之間的時間差的示意圖；第11圖為顯示本發明中HSPICE模擬結果與時間增益計算結果的平均 誤差和峰對峰誤差的示意圖；以及第12圖為比較根據本發明的時間差異放大器與傳統的時間差異放大器的性能的圖表。

600‧‧‧時間差異放大器

610‧‧‧第一數位信號輸出單元

611‧‧‧第一迴轉率設置部

612‧‧‧第一電壓比較器

620‧‧‧第二數位信號輸出單元

621‧‧‧第二迴轉率設置部

622‧‧‧第二電壓比較器

I1‧‧‧第一輸入端

I2‧‧‧第二輸入端

I3‧‧‧第三輸入端

I4‧‧‧第四輸入端

IN1‧‧‧第一數位輸入信號

IN2‧‧‧第二數位輸入信號

OUT1‧‧‧第一數位輸出信號

OUT2‧‧‧第二數位輸出信號

O1‧‧‧第一輸出電壓

O2‧‧‧第二輸出電壓

Vref‧‧‧參考電壓

Claims (11)

1. 一種使用迴轉率控制的時間差異放大器，包括：一第一數位信號輸出單元，包含：一第一迴轉率設置部，配置以設置一第一迴轉率，以在一第一充電電容器中將一電壓充電至一電源供應電壓的一位準，並且當輸入至一第一輸入端的一第一數位輸入信號轉變時產生隨著該第一迴轉率降低的一第一輸出電壓，並且當輸入至一第二輸入端的一第二數位輸入信號轉變時將該第一迴轉率變為一第二迴轉率，並且產生隨著該第二迴轉率降低的該第一輸出電壓，以使該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號的相位不同於初始相位；以及一第一電壓比較器，配置以將一參考電壓與自該第一迴轉率設置部輸出的該第一輸出電壓作比較，並且依此而輸出一第一數位信號；以及一第二數位信號輸出單元，包括：一第二迴轉率設置部，配置以當輸入至一第三輸入端的該第二數位輸入信號不轉變時輸出在一第二充電電容器中充電的該電源供應電壓的該位準的一電壓作為一第二輸出電壓，並且當輸入至該第三輸入端的該第二數位輸入信號轉變時設置該第二迴轉率，以使該電壓充電至該電源供應電壓的該位準，並且產生隨著該第二迴轉率降低的該第二輸出電壓，以使該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號的相位不同於初始相位；以及一第二電壓比較器，配置以將該參考電壓與自該第二迴轉率設置部輸出的該第二輸出電壓作比較，並且依此而輸出一第二數位信號。
2. 依據申請專利範圍第1項所述的時間差異放大器，其中該第一迴轉率設置部包括：在一電源供應端與一接地端之間串聯連接的一第一充電開關與一第一充電電容器；以及配對的一第一放電開關和一第一電流源、以及配對的一第二放電開關和一第二電流源，其中的每一對均在串聯連接的該第一充電開關與該第一充電電容器中作為一公共連接點的一第一節點與該接地端之間串聯連接，其中該第一節點連接至該第一電壓比較器的一反相輸入端。
3. 依據申請專利範圍第2項所述的時間差異放大器，其中該第一電流源與該第二電流源可以自一時間差異放大器的一外部來控制。
4. 依據申請專利範圍第1項所述的時間差異放大器，其中藉由將該第一迴轉率變為該第二迴轉率而使開始隨著該第二迴轉率降低的該第一輸出電壓高於該參考電壓。
5. 依據申請專利範圍第1項所述的時間差異放大器，其中該第二迴轉率設置部包括：在該電源供應端與該接地端之間串聯連接的一第二充電開關與一第二充電電容器；以及配對的一第三放電開關和一第三電流源，以及配對的一第四放電開關和一第四電流源，其中的每一對均在串聯連接的該第二充電開關與該第二充電電容器中作為一公共連接點的一第二節點與該接地端之間串聯連接，其中該第二節點連接至該第二電壓比較器的一反相輸入端。
6. 依據申請專利範圍第1項所述的時間差異放大器，其中該時間差異放大器的一時間增益係藉由將該第一迴轉率除以該第二迴轉率來確定。
7. 依據申請專利範圍第1項所述的時間差異放大器，其中該第一輸出電壓和該第二輸出電壓僅通過該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號來確定，並且該第一輸出電壓和該第二輸出電壓均忽略一回饋電壓。
8. 依據申請專利範圍第1項所述的時間差異放大器，其中該第一迴轉率被確定為該第一電流源的一數值除以該第一充電電容器的一電容值所得到的一數值。
9. 依據申請專利範圍第1項所述的時間差異放大器，其中該第二迴轉率被確定為該第二電流源的一數值除以該第二充電電容器的一電容值所得到的一數值。
10. 一種使用迴轉率控制的時間差異放大器，包括：一第一數位信號輸出單元，包含：一第一迴轉率設置部，配置以設置一第一迴轉率，以在一第一充電電容器中將一電壓放電至一接地電壓的一位準，並且當輸入至一第一輸入端的一第一數位輸入信號轉變時產生隨著該第一迴轉率增加的一第一輸出電壓，並且當輸入至一第二輸入端的一第二數位輸入信號轉變時將該第一迴轉率變為一第二迴轉率，並且產生隨著該第二迴轉率增加的該第一輸出電壓，以使該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號的相位不同於初始相位；以及一第一電壓比較器，配置以將一參考電壓與自該第一迴轉率設置部輸出的該第一輸出電壓作比較，並且依此而輸出一第一數位信號；以及一第二數位信號輸出單元，包含：一第二迴轉率設置部，配置以當輸入至一第三輸入端的該第二數位輸入信號不轉變時輸出在一第二充電電容器中放電的該接地電壓的該位準的一電壓作為一第二輸出電壓，並且當輸入至該第三輸入端的該第二數位輸入信號轉變時設置該第二迴轉率，以使該電壓放電至該接地電壓的該位準，並且產生隨著該第二迴轉率增加的該第二輸出電壓，以使該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號的相位不同於初始相位；以及一第二電壓比較器，配置以將該參考電壓與自該第二迴轉率設置部輸出的該第二輸出電壓作比較，並且依此而輸出一第二數位信號。
11. 一種使用迴轉率控制的時間差異放大方法，包括：(a)設置一第一迴轉率，以在一第一充電電容器中將一電壓充電至一電源供應電壓的一位準，並且當輸入至一第一迴轉率設置部的一第一輸入端的一第一數位輸入信號轉變時產生隨著該第一迴轉率變化的一第一輸出電壓，並且當輸入至該第一迴轉率設置部的一第二輸入端的一第二數位輸入信號轉變時將該第一迴轉率變為一第二迴轉率，並且產生隨著該第二迴轉率變化的該第一輸出電壓，以使該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號的相位不同於初始相位；(b)使用一第一電壓比較器將該第一輸出電壓與一參考電壓作比較， 並且輸出一第一數位信號；(c)當輸入至一第二迴轉率設置部的一第三輸入端的該第二數位輸入信號不轉變時，輸出在一第二充電電容器中充電的該電源供應電壓的該位準或放電的一接地電壓的一位準的一電壓作為一第二輸出電壓，並且當輸入至該第二迴轉率設置部的該第三輸入端的該第二數位輸入信號轉變時，設置該第二迴轉率，以將該電壓充電至該電源供應電壓的該位準或者放電至該接地電壓的該位準，並且產生隨著該第二迴轉率降低的該第二輸出電壓，以使該第一數位輸入信號和該第二數位輸入信號的相位不同於初始相位；以及(d)使用一第二電壓比較器將一參考電壓與該第二迴轉率設置部輸出的一第二輸出電壓作比較，並且輸出一第二數位信號。