具有高线性度的电压时间转换器制造技术

本发明专利技术属于集成电路技术领域，具体为具有高线性度的电压时间转换器。本发明专利技术电压时间转换器，由两条等比速率的充放电路径组成；每条充放电路径都包含控制开关、以晶体管组成的电流源和反相器。本发明专利技术将两路径中其中一条的放电电压节点VOUTP提高大于VDD来改善电压时间转换器的线性度，以及得到更大的输出范围，并使另外一条路径的放电电压节点VOUTN小于VDD来缩小电压时间转换器产生的固定延时，以提高转换速率，藉由控制信号CKS

Voltage time converter with high linearity

【技术实现步骤摘要】
具有高线性度的电压时间转换器
本专利技术属于集成电路
，具体涉及电压时间转换器。
技术介绍
目前随着工艺越来越先进，许多低功耗的设计可以使用更低的电源电压，但也因此导致一些模拟电路的性能受到影响。以传统的闪存模拟数字转换器以及闪存时间数字转换器为例，传统的闪存模拟数字转换器其量程(fullscale)的范围由电源电压决定，所以如果需要实现一个高精度的模拟数字转换器，其电压分辨率可能会到μ量级或更小，导致比较器的设计要求提高；闪存时间数字转换器的量程范围和操作频率有关，其精度主要由延时链中的最小延时决定，而随着工艺进步，晶体管中的最小延时变小，于是对于闪存时间数字转换器来说，其精度以及速度可以得到提升。此外，时间域信号处理电路还可以使用数字电路来实现，以降低功率消耗。文献[1]中提出的应用于基于时间域的模拟数字转换器的高线性度电压时间转换器，在动态放大器的基础上加入了一对输入差动对来调整增益，但其对增益误差的改善程度有限，且差动对输入电压的漂移对于增益有很大的影响，因此这对于差动对输入电压的设计有很大的挑战。而文献[2]则是提出一种基于采样的电压时间转换器，其运作原理也是使用电容充放电的方式将电压信号转换为时间信号。但和一般传统的动态放大器有些不同的地方，文献[2]的电路中有一条额外的路径来决定电容是否放电至地，此路径上会有静态电流的产生，于是整体电路消耗功率较大。文献[3]主要提出一个稳定斜率充放电的数字时间转换器，使用数字模拟转换器产生仿真电压信号输入至斜坡产生器，因此斜坡产生器会产生一个以该仿真电压为放电起点的斜坡信号，之后由反相器转换为时间信号。而本专利技术以文献[3]的原理为基础来实现一个具有高线性度的电压时间转换器，将电压直接输入至电压时间转换器中，并使用两条电流源以输入电压为起点电压进行等比速率充放电。相较于以动态放大器为基础的电压时间放大器，本专利技术可以达到更稳定的转换增益以及更快的转换速度，并根据控制信号的工作以节省功率消耗。此外，由于定电流的设计，使得转换增益不会随着输入信号改变而改变，但转换增益仍会受到工艺、温度以及电源电压的影响，于是本专利技术设计一个控制电压信号Vgain，针对其中一个电流源去进行增益校正，以稳定整个电压时间转换器的转换增益。参考文献[1]K.Ohhata,"A2.3-mV,1-GHz,8-BitFullyTime-BasedTwo-StepADCUsingaHigh-LinearityDynamicVTC,"inIEEEJournalofSolid-StateCircuits,vol.54,no.7,pp.2038-2048,April2019.[2]P.Osheroff,G.S.LaRue,andS.Gupta,"AHighlyLinear4GS/sUncalibratedVoltage-to-TimeConverterwithWideInputRange,"2016IEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems(ISCAS),Montreal,Canada,2016,pp.57-60.[3]P.Chen,F.Zhang,Z.Zong,H.Zheng,T.SiriburanonandR.B.Staszewski,"A15-μW,103-fsstep,5-bitCapacitor-DAC-basedConstant-SlopeDigital-to-TimeConverterin28nmCMOS,"2017IEEEAsianSolid-StateCircuitsConference,Seoul,Korea,2017,pp.93-96.。
技术实现思路
为克服上述现有技术的缺点，本专利技术提供一种具有高线性度之电压时间转换器。本专利技术提供的具有高线性度之电压时间转换器，由两条等比速率的充放电路径组成；其中，一条路径包含：3个控制开关SW1-SW3、晶体管MN1和反相器INV，三部分依次连接；另一条路径包含：3个控制开关SW1-SW3、晶体管MN2和反相器INV，三部分依次连接；晶体管MN1和MN2作为电流源；在两条路径的3个控制开关SW1-SW3处分别设置一个控制信号，依次记为CKS1、CKS2和CKS3，分别用于控制还原、采样以及转换的过程；设电压时间转换器的输入为VOP和VON，电压时间转换器的输出为TOUTP和TOUTN；两路反相器的输入分别为VOUTP和VOUTN；在晶体管MN1、MN2上分别加有电压信号，记为Vgain和Vbias，分别用于控制在晶体管MN1、MN2的电流大小；两条路径中，有一条路径的VOUTP上额外加入一个电容Ccharge（即两条路径的差别），用于确保该路径中反相器的输入VOUTP的电压大于VDD。见附图1所示。本专利技术电压时间转换器的工作流程如下：在还原阶段，CKS1为1，CKS2以及CKS3为0，因此SW1关闭，SW2和SW3打开，于是，VOUTP和VOUTN充电至VDD；在采样阶段，CKS2为1，CKS1以及CKS3为0，因此SW2关闭，SW1和SW3打开，于是VOP的电压会累加到VOUTP上，而VON的电压输入至VOUTN上；在转换阶段，CKS3为1，CKS1以及CKS2为0，因此SW3关闭，SW1和SW2打开，MN1和MN2产生电流流至GND，于是，VOUTP和VOUTN开始放电到GND，当VOUTP和VOUTN电压放电小于反相器的门槛电压时，反相器输出由0变为1。由于VOUTP和VOUTN在小于反相器的门槛电压时，其放电速率会越来越缓，导致输出非线性，并使得输入范围受限制。本专利技术将VOUTP电压提高，可以改善电压时间转换器的线性度，以及得到更大的输入范围。本专利技术中，使用三个控制信号CKS1、CKS2和CKS3来决定整体电路的工作状态；其中，只有在CKS3关闭时才产生电流，使得VOUTP和VOUTN以等比例的速率放电至地，所以可以节省功率的消耗。由于在进行电压时间的转换过程中，固定延时的产生与节点开始放电的电压大小以及电流充放电速率相关，而在输出的时间信号会产生一个固定的延时，导致电路的转换速度下降。在本专利技术的具有高线性度之电压时间转换器中，VOUTN的放电起点小于电源电压，于是与反相器门槛电压的差值缩小，因此可以减少固定延时的产生，以提高转换速率。本专利技术中，通过使用两条不同大小但等比例的定电流充放电过程来实现一个时间放大的效果，其转换增益由两电流源的比值决定。此外由于定电流的使用，使得电流的变化范围不会随着输入电压变化，但电流变化仍会受到工艺、温度以及电源电压影响(PVT)，所以相较于以动态放大器为基础的电压时间放大器，本专利技术可以缩小针增益校正的范围。此外本专利技术设计一个Vgain控制信号，使得两条充放电路径中有一条路径为可调式电流源，来校正当增益出现误差时的情况。本专利技术的技术效果为，该具有高线性度之电压时间转换器藉由两条等比例速率充放电路径达到一个时间放大的效果，实现高线性度、较大的输出范围以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1. 一种具有高线性度的电压时间转换器，其特征在于，由两条等比速率的充放电路径组成；其中，一条路径包含： 3个控制开关SW

【技术特征摘要】
1.一种具有高线性度的电压时间转换器，其特征在于，由两条等比速率的充放电路径组成；其中，一条路径包含：3个控制开关SW1-SW3、晶体管MN1和反相器INV，三部分依次连接；另一条路径包含：3个控制开关SW1-SW3、晶体管MN2和反相器INV，三部分依次连接；晶体管MN1和MN2作为电流源；在两条路径的3个控制开关SW1-SW3处分别设置一个控制信号，依次记为CKS1、CKS2和CKS3，分别用于控制还原、采样以及转换的过程；设电压时间转换器的输入为VOP和VON，电压时间转换器的输出为TOUTP和TOUTN；两路反相器的输入分别为VOUTP和VOUTN；在晶体管MN1、MN2上分别加有电压信号，记为Vgain和Vbias，分别用于控制在晶体管MN1、MN2的电流大小；两条路径中，有一条路径的VOUTP上额外加入一个电容Ccharge，用于确保该路径中反相器的输入VOUTP的电压大于VDD。


2.根据权利要求1所述的具有高线性度的电压时间转换器，其特征在于，其工作流程如下：
在还原阶段，CKS1为1，CKS2以及CKS3为0，因此SW1关闭，SW2和SW3打开，于是，VOUTP和VOUTN充电至VDD；
在采样阶段，CKS2为1，CKS1以及CKS3为0，因此SW2关闭，SW1和SW3打开，于是VOP的电压会累加到VOUTP上，而VON的电压输入至VOUTN上；
在转换阶段，CKS3为1，...

【专利技术属性】
技术研发人员：屠于婷，徐荣金，叶大蔚，史传进，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31