專利名稱：采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的恒定增益時間放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的恒定增益時間 放大器。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今混合信號集成電路設(shè)計領(lǐng)域中，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器正扮演著越來越重要的角 色；而時間放大器，在最近興起的采用時間放大技術(shù)提高分辨率的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，是核 心器件?，F(xiàn)有技術(shù)中，時間測量電路(時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器)為了把兩個信號沿間的時間差數(shù) 字化，往往會使用最小延時器件，即所使用的工藝下的優(yōu)化過的緩沖器或反相器，作為延時 單元將沿間時間差分割從而進行測量，但采用這種方法的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率由于受 限于工藝條件而無法做的較高。同時，也有提高分辨率的各種技術(shù)使時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分 辨率高于最小延時器件的延時，這些技術(shù)包括Vernier Line (范尼爾鏈技術(shù))，延時鏈插 值法，脈沖縮減鏈技術(shù)，脈沖拉長技術(shù)，無源插值技術(shù)等。其中，脈沖拉長技術(shù)實現(xiàn)了時間差 的放大，但由于該技術(shù)采用模擬電路方式實現(xiàn)，因此其性能會隨工藝尺寸下降而惡化，如同 大部分模擬電路一樣，從而違背了時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的初衷，即克服模擬電路受工藝的影響 而采用數(shù)字電路方式。其他幾種技術(shù)可以在一定程度上提高分辨率，但其優(yōu)化空間則非常 有限，有的仍然采用模擬電路作為核心，有的則只能通過直接持續(xù)性分割的方法使分辨率 受限于判定電路(比較器、觸發(fā)器等)的精度極限。相比之下，采用將時間間隔放大再進行 分割的技術(shù)則具有更加廣闊的上升空間，如果能保證放大的精度，則分辨率可以實現(xiàn)無限 提高，因此時間放大技術(shù)已成為時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器分辨率提高過程中一項核心性的技術(shù)。就時間放大器本身而言，目前僅有三種實現(xiàn)方式利用對固定電容充電電流 的變化控制而實現(xiàn)的脈沖拉長技術(shù)，利用DLL(延時鎖相環(huán))的時間差復(fù)制技術(shù)，和利 用RS-latch(RS鎖存器)的亞穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)的時間放大技術(shù)。其中前兩種技術(shù)的實現(xiàn)關(guān)鍵 均為模擬技術(shù)方式——第一種為模擬核心開環(huán)應(yīng)用無校準(zhǔn)，第二種為數(shù)字核心閉環(huán)應(yīng)用 模擬校準(zhǔn)——對工藝的依賴性很嚴(yán)重；第三種仍為模擬方式，但其增益對工藝的依賴可 以通過利用電容和數(shù)字原件相對獨立的特性而抵消，然而其應(yīng)用方式為開環(huán)，所以精確 iSWftJIi^r nTjAL M. Lee and A. A. Abidi,"A 9b, 1. 25ps resolution coarse-fine time-to-digital converter in 90nm CMOS that amplifies a time residue," IEEE J. Solid-State Circuits，vol. 43，no. 4，pp. 769-777，Apr. 2008，如圖 1 所示。此電路由延 時器件1 2，兩個RS鎖存器3 4和5 6，輸出電容7 10，輸出邏輯11 14組成，并 上下兩部分對稱，即1和2相同，3、4、5、6均相同，7、8、9、10均相同，11、12、13、14均相同。 其中緩沖器1和2產(chǎn)生延時T。ff ；在兩個輸入信號VA、VB上升沿間的時間差為Tin的情況下， 3 4和5 6兩個RS鎖存器分別用來對輸入時間差為T。ff-Tin和T。ff+Tin的兩組上升沿進 行再生，從而將再生時間相對于輸入時間差的曲線分別左右平移一個T。ff，如圖2所示的曲 線20和曲線21。曲線的斜率由輸出電容7 10決定，經(jīng)過反相器11 14的邏輯控制， 從而形成最后的時間放大曲線，如圖2中曲線22所示。該時間放大器的放大倍數(shù)表達式如下
權(quán)利要求
1.一種采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的恒定增益時間放大器，其特征在于，由傳統(tǒng)的開環(huán)應(yīng)用的 時間放大器(30)、放大校準(zhǔn)切換開關(guān)(31) (38)、開關(guān)信號產(chǎn)生電路(39) (45)、校準(zhǔn) 用的激勵信號產(chǎn)生電路(46) (52)、工作狀態(tài)檢測電路(53) (67)、控制信號產(chǎn)生電路 (68)經(jīng)電路連接構(gòu)成，并且具有三個輸入信號A、B、Reset和兩個輸出信號Ao、Bo，其中A、 B是具有需要放大的時間差Tin的兩個上升沿信號，以方波形式體現(xiàn)；Reset為整個時間放 大器的復(fù)位信號，“0”有效；Ao、Bo為具有被放大了時間差Tout = AWin的兩個上升沿信 號，仍以方波形式體現(xiàn)，其中AT為放大倍數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的恒定增益時間放大器，其特征在于，由

圖1所示的傳統(tǒng)的開環(huán)應(yīng)用的時間放大器(30)作為時間放大器件，在輸入信號周期中的有 效期——即上升沿和高電平期間——對一組有時間差的上升沿進行時間差放大，在輸入信 號周期中的空閑期——即傳統(tǒng)的開環(huán)應(yīng)用的時間放大器(30)輸出電容電平恢復(fù)完之后的 低電平階段——進行自身的校準(zhǔn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的恒定增益時間放大器，其特征在于，開 關(guān)(31) (32)數(shù)據(jù)端一端連接到輸入信號端，另一端鏈接到(30)的輸入端；開關(guān)(33) (34)數(shù)據(jù)端一端連接到輸出信號端，另一端連接到(30)的輸出端；開關(guān)(35) (36)數(shù)據(jù) 端一端分別連接到具有延時為Td的緩沖器(50)的輸入端和輸出端，即校準(zhǔn)激勵信號產(chǎn)生 電路的激勵信號輸出端，另一端鏈接到(30)的輸入端；開關(guān)(37) (38)數(shù)據(jù)端一端分別 連接到緩沖器(53)和(55)的輸入端，即工作狀態(tài)檢測電路的輸入端，另一端連接到(30) 的輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的恒定增益時間放大器，其特征在于， 開關(guān)信號產(chǎn)生電路能夠產(chǎn)生一組互補的開關(guān)信號CLK和CLKN，在放大狀態(tài)使開關(guān)(31) (34)導(dǎo)通、(35) (38)關(guān)斷，在校準(zhǔn)狀態(tài)使開關(guān)(31) (34)關(guān)斷、(35) (38)導(dǎo)通；其 中Reset信號連接至觸發(fā)器(42)的置位端^同時連接至兩輸入與門(41)的一個輸入端，與 門(41)的輸出端再連接至觸發(fā)器(40)的置位端δ;兩輸入或非門(39)的兩個輸入為輸入信 號Α、Β，輸出連接至觸發(fā)器(40)的時鐘輸入端；觸發(fā)器(40)的數(shù)據(jù)輸入端D連接至低電平 “0”;觸發(fā)器(42)復(fù)位端連接至觸發(fā)器(40)的輸出Q，數(shù)據(jù)輸入端連接至高電平“1”，并有 互補的兩個輸出Q和IQ和^分別連接到緩沖器(44)和(45)的輸入端，緩沖器(44)和(45) 的輸出分別為CLK和CLKN ；觸發(fā)器(42)的輸出Q連接至與門(41)的另外一個輸入端，觸 發(fā)器(42)的時鐘輸入端連接至一個延時較長的緩沖器(43)的輸出端，緩沖器(43)的輸入 端連接至反相器(62)的輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的恒定增益時間放大器，其特征在于，校 準(zhǔn)用的激勵信號產(chǎn)生電路(46) (52)在進入校準(zhǔn)狀態(tài)的開始能夠產(chǎn)生一組上升沿Ac、Bc 通過開關(guān)(35) (36)輸入到傳統(tǒng)開環(huán)應(yīng)用的時間放大器(30)中；該組上升沿間的時間差 為一個緩沖器的延時Td，所述的Td為傳統(tǒng)開環(huán)應(yīng)用時間放大器線性放大范圍的上限值；觸 發(fā)器(47)的復(fù)位端連接至兩輸入與門(46)的輸出，與門(46)的一個輸入為Reset信號， 另一個輸入為反相器(62)的輸出；觸發(fā)器(47)的時鐘輸入端連接至觸發(fā)器(42)的輸出t 即圖3所示的CLKN’，數(shù)據(jù)輸入端連接至高電平“1”;觸發(fā)器(47)的輸出連接至緩沖器(48) 的輸入端，緩沖器(48)的輸出端連接至一個負載匹配器件組合(52)和延時為Td的緩沖器 (49)的輸入端，緩沖器(49)的輸出端產(chǎn)生校準(zhǔn)激勵信號Ac，連接至開關(guān)(35)數(shù)據(jù)端的一端和緩沖器(50)的輸入端，緩沖器(50)的輸出端產(chǎn)生校準(zhǔn)激勵信號Be，連接至開關(guān)(36) 數(shù)據(jù)端的一端和緩沖器(51)的輸入端，開關(guān)(35)和(36)數(shù)據(jù)端的另一端分別連接至傳統(tǒng) 開環(huán)應(yīng)用的時間放大器(30)的兩個輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的恒定增益時間放大器，其特征在于，所 述的時間放大器工作狀態(tài)檢測電路(53) (67)產(chǎn)生(30)的輸出電容大小與標(biāo)準(zhǔn)值的比 較結(jié)果Ci ；尺寸較小延時較長的相同的緩沖器(53)和(55)的輸入端分別連接至開關(guān)(37) 和(38)數(shù)據(jù)端的一端，開關(guān)(37)、(38)數(shù)據(jù)端的另一端分別連接至(30)的兩個輸出端Bo、 Ao，延時為Td的緩沖器(54)和(56)的輸入端分別連接至緩沖器(53)和(55)的輸出端， 延時為Td的緩沖器(57)的輸入端連接至緩沖器(56)的輸出端，延時為Td的緩沖器(58) 的輸入端連接至緩沖器(57)的輸出端，延時為Td的緩沖器(59)和(60)的輸入端分別連接 至緩沖器(54)和(58)的輸出端，負載匹配器件組合(63) (66)分別連接至緩沖器(54)、 (56)、(57)、(58)的輸出端，相同的反相器(61)、(62)的輸入端分別連接至緩沖器(59)、 (60)的輸出端，同時邊沿比較器(67)的兩個輸入端也分別連接至緩沖器(59)、(60)的輸 出端，反相器(62)的輸出端連接至開關(guān)信號產(chǎn)生電路中緩沖器(43)的輸入端和校準(zhǔn)用的 激勵信號產(chǎn)生電路中與門(46)的另一個輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的恒定增益時間放大器，其特征在于， 所述的控制信號產(chǎn)生電路(68)根據(jù)時間放大器工作狀態(tài)檢測電路的檢測結(jié)果Ci來產(chǎn)生 控制傳統(tǒng)開環(huán)應(yīng)用的時間放大器(30)輸出電容的控制信號Q。，該輸出電容分成固定電容 Cf (Cf彡0)和滿量程為Cp的可編程電容陣列兩部分，其中可編程電容陣列由η位的Qe控制 其連接與否，每一個單元電容代表Cp/2n;控制信號產(chǎn)生電路(68)為時序電路，有三個輸入， 分別為時鐘信號CLKqc、控制信號Ci和復(fù)位信號Reset，CLKqc連接至反相器(61)的輸出端， Ci連接至邊沿比較器(67)的輸出端，復(fù)位信號為整個電路的復(fù)位信號Reset信號，并按圖 4所示流程工作；I I時間放大器的初始化即動作(70)將Reset信號為“0”電平，并產(chǎn)生動 作(71)使(68)產(chǎn)生復(fù)位輸出將輸出電容置于一個合理的中間值；動作(72)對時間放大器 工作狀態(tài)Ci進行判斷，如果(30)的輸出電容大于標(biāo)準(zhǔn)值(Ci = 1)，則進行動作(73)；如果 (30)的輸出電容小于標(biāo)準(zhǔn)值(Ci = 0)，則進行動作(76)；動作(73)對時間放大器輸出電 容狀態(tài)進行判斷，如果Qe達到最小值，則進行動作(74)；如果Qe沒有達到最小值，則進行動 作(75)；動作(76)也對時間放大器輸出電容狀態(tài)進行判斷，如果Qe達到最大值，則進行動 作(77)，如果Q。沒有達到最大值，則進行動作(78)；動作(74)保持Qe的最小值不變，對應(yīng) 的動作(77)保持Qe的最大值不變；動作(75)進行斷開一個單元電容的操作，即對Qe減1， 對應(yīng)的動作(78)進行增加一個單元電容并聯(lián)的操作，即對Qe加1 ；動作(74)、(75)、(77)、 (78)結(jié)束后均返回到動作(72)，進行新一輪的判斷和校準(zhǔn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的恒定增益時間放大器，其特征在于，所 述的合理的中間值為Qc = 10000000 ；所述的Qc的最小值為Qc = 00000000 ；所述的Qc的最 大值為 Qc = 11111111。
全文摘要
本發(fā)明屬集成電路技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的恒定增益時間放大器。由8個開關(guān)、1個傳統(tǒng)開環(huán)應(yīng)用的時間放大器、1個開關(guān)信號產(chǎn)生電路、1個校準(zhǔn)用的激勵信號產(chǎn)生電路、1個工作狀態(tài)檢測電路、1個控制信號產(chǎn)生電路組成。本發(fā)明用輸入信號的空閑期進行校準(zhǔn)，由開關(guān)切換放大和校準(zhǔn)兩個狀態(tài)的輸入輸出通路。開關(guān)信號產(chǎn)生電路根據(jù)輸入信號和校準(zhǔn)情況產(chǎn)生控制這些開關(guān)的控制信號。激勵信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生校準(zhǔn)用的時間差，所述時間放大器分別在正常放大狀態(tài)對輸入信號放大、在校準(zhǔn)狀態(tài)對校準(zhǔn)用的時間差放大。工作狀態(tài)檢測電路在校準(zhǔn)狀態(tài)比較該時間放大器的放大倍數(shù)與目標(biāo)值的大小并傳遞給控制信號產(chǎn)生電路，產(chǎn)生控制時間放大器輸出電容的控制信號，從而穩(wěn)定時間放大器的放大倍數(shù)，保證時間放大器在工藝、電源電壓、溫度的變化下實時維持恒定的增益。
文檔編號H03F1/30GK101997490SQ200910194628
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月26日
發(fā)明者佟寶麗, 周曉方 申請人:復(fù)旦大學(xué)