一种多输入时域模拟信号宽度量化器制造技术

本发明专利技术属于专用集成电路设计技术领域，尤其是涉及一种多输入时域模拟信号宽度量化器。该设计面向时域模拟计算，通过采用一对MOM电容循环充放电，将时域模拟量转换到电荷域中，消除了脉冲边沿带来的“0，1”误差，并且不依赖于高频采样时钟，大幅减少了功耗。电路包括：可控放电单元簇，采样电容充放电控制，整数累加器和MOM采样电容，反馈型放电单元控制电压生成器，剩余电荷量化器。多路时域脉冲同时对同一个采样电容放电，直接实现了时域脉冲在模拟域上的相加，并且减少了放电单元的局部工艺波动，通过反馈型控制电压生成器，将放电单元的放电速度固定到一定的倍数，实现了对不同路脉冲量化的加权，进一步提升了量化器的精度。进一步提升了量化器的精度。进一步提升了量化器的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种多输入时域模拟信号宽度量化器


[0001]本专利技术属于专用集成电路设计
，尤其是涉及一种多输入时域模拟信号宽度量化器。

技术介绍

[0002]随着人工智能、物联网、5G等技术的迅速发展，涌现了一批以图像识别、语音识别、自动驾驶以及智能制造为代表的数据密集型计算应用，急需发展一种高能效算力平台加以支撑。随着摩尔定律的逐步放缓，传统计算机所采用的纯数字计算的弊端逐渐突显。
[0003]为了探索更高的计算能效，计算方式也在由主流的精确数字计算向功耗更低的模拟计算发展。存内模拟计算方式可分为电压域计算、电流域计算、频域计算和时间域计算等。
[0004]时间域计算是一种新型的计算方式，其能效相较传统的数字计算具有明显的优势，同时，实现方式不像电压域计算、电流域计算、频域计算复杂，可以在数字电路的基础上实现。通过调制时域脉冲的宽度来进行乘加操作是时域模拟计算的典型方式，最终输出的模拟量是某一宽度的脉冲，故需要对其进行高精度量化。传统的TDC电路多基于高频时钟采样或者延时链，其功耗和面积不适用于模拟计算领域，且具有较大的随机误差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的专利技术要解决的技术问题是提供一种多输入时域模拟信号宽度量化器电路。通过对一对采样电容循环充放电，将时域模拟量转换到电荷域中，且消除了脉冲边沿带来的“0，1”误差，不依赖于高频采样时钟，还大幅减少了功耗。
[0006]本专利技术的一种多输入时域模拟信号宽度量化器，包括第一可控放电单元簇、第二可控放电单元簇、采样电容充放电控制模块、整数累加器、第一采样电容、第二采样电容和放电单元控制电压生成器；第一可控放电单元簇与第一采样电容连接，用于对第一采样电容放电，第二可控放电单元簇与第二采样电容连接，用于对第二采样电容放电；第一可控放电单元簇、第二可控放电单元簇分别与放电单元控制电压生成器的输出端连接，用于接收放电单元控制电压生成器产生的控制电压；可控放电单元簇还用于接收外部时域脉冲输入；所述的可控放电单元簇是指第一可控放电单元簇和第二可控放电单元簇。
[0007]采样电容充放电控制模块分别与第一可控放电单元簇、第二可控放电单元簇、第一采样电容、第二采样电容连接，采样电容充放电控制模块用于控制可控放电单元簇对采样电容循环充放电，实现时域电荷域转换的放电动作，所述采样电容包括第一采样电容和第二采样电容。
[0008]第一采样电容、第二采样电容是两个相同的同容，第一可控放电单元簇接收到的外部时域脉冲输入信号上升沿到来时，第一可控放电单元簇开始对第一采样电容放电，第二可控放电单元簇关闭，当第一采样电容的值达到阈值时，采样电容充放电控制模块输出翻转信号Precharge1，第一可控放电单元簇停止对第一采样电容放电，第二可控放电单元
簇接收到的脉冲输入信号上升沿到来时，第二可控放电单元簇中的放电单元开始对第二采样电容放电，当第二采样电容的值达到阈值时，采样电容充放电控制模块输出翻转信号Precharge2，第二可控放电单元簇停止对第二采样电容放电。
[0009]所述整数累加器与采样电容充放电控制模块的输出端连接，用于接收采样电容翻转信号Precharge1和采样电容翻转信号Precharge2，以异步进位的方式，整数累加器中高位寄存器的时钟来自上一位寄存器的输出端，整数累加器中最低位的时钟输入来自电容电路，当采样电容被下拉至转换阈值时，整数累加器中的时钟翻转，翻转执行加1操作，整数累加器产生整数部分输出。
[0010]所述采样电容充放电控制模块，采用一对互补的控制结构，当第一采样电容达到采样电容转换阈值并翻转时，电容充放电控制模块立即采样翻转信号，采样电容充放电控制模块输出翻转信号Precharge1，同时关闭第一采样电容对应的第一可控放电单元簇，开启第二可控放电单元簇，第二可控放电单元簇对第二采样电容进行放电。当第二采样电容达到翻转阈值并翻转时，电容充放电控制模块立即采样翻转信号，同时关闭第二采样电容对应的第二可控放电单元簇，第一可控放电单元簇对第一采样电容进行放电，两个电容充电切换时间小于30ps，降低了两个采样电容切换导致的计数系统误差。
[0011]优选的，所述采样电容充放电控制模块包括第零NMOS管N0、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第零PMOS管P0、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第三PMOS管P3、第零反相器INV0、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第零或非门NOR0以及第一或非门NOR1；其中第零NMOS管N0源极接地，栅极接第零反相器INV0输出以及第二反相器INV2输入，漏极接第二PMOS管P2的漏极和第三反相器INV3的输入；第二反相器INV2的输出接第三PMOS管P3的栅极。
[0012]第三反相器INV3的输出采样电容翻转信号Precharge2；第二PMOS管P2的栅极接第零或非门NOR0的输出，源极接电源VDD；其中第一NMOS管N1源极接地，栅极接START信号以及第一或非门NOR1的一个输入端，漏极接第一或非门NOR1的另一输入端、第二NMOS管N2的漏极和第三PMOS管P3的漏极；第二NMOS管N2源极接地，栅极接第一反相器INV1输出以及第零或非门NOR0的一个输入端，第零或非门NOR0的另一个输入接START信号；第三PMOS管P3的源极接VDD；第一或非门NOR1的输出采样电容翻转信号Precharge1；第一反相器INV1输入接第一PMOS管P1漏极；第零PMOS管P0源极接电源VDD，栅极接采样电容翻转信号Precharge1，漏极接采样电容cap1正极板和第零反相器INV0的输入；第一PMOS管P1源极接电源VDD，栅极接采样电容翻转信号Precharge2，漏极接采样电容cap2正极板和第一反相器INV1的输入。
[0013]优选的，第一可控放电单元簇和第二可控放电单元簇分别包括多个放电单元，第一可控放电单元簇和第二可控放电单元簇中包括的可控放电单元数量相同，多个可控放电单元对采样电容并行放电；可控放电单元的数量取决于应用需求，比如量化大小为11x11的卷积核的计算结果时，可配置为11个同时开启放电。
[0014]通过多个可控放电单元组成的放电簇同时放电，减少了不同可控放电单元间放电电流的局部工艺波动，并且直接实现了模拟域上对多个时域信号宽度求和的目的。
[0015]放电单元包括第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6以及一个二输入与门。
[0016]与门的两个输入端分别连接采样电容翻转信号Precharge和时域脉冲信号pulse_
high/low,采样电容翻转信号Precharge包括采样电容翻转信号Precharge1和采样电容翻转信号Precharge2；与门的输出端连接第三NMOS管N3的栅极。
[0017]第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6依次串联，第四NMOS管N4、第五NMOS管N5和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多输入时域模拟信号宽度量化器，其特征在于，包括第一可控放电单元簇、第二可控放电单元簇、采样电容充放电控制模块、整数累加器、第一采样电容、第二采样电容和放电单元控制电压生成器；第一可控放电单元簇与第一采样电容连接，用于对第一采样电容放电，第二可控放电单元簇与第二采样电容连接，用于对第二采样电容放电；第一可控放电单元簇、第二可控放电单元簇分别与放电单元控制电压生成器的输出端连接，用于接收放电单元控制电压生成器产生的控制电压；可控放电单元簇还用于接收外部时域脉冲输入；采样电容充放电控制模块分别与第一可控放电单元簇、第二可控放电单元簇、第一采样电容以及第二采样电容连接，第一采样电容、第二采样电容是两个相同的同容；第一可控放电单元簇接收到的外部时域脉冲输入信号上升沿到来时，第一可控放电单元簇开始对第一采样电容放电，第二可控放电单元簇关闭，当第一采样电容的值达到阈值时，采样电容充放电控制模块输出翻转信号Precharge1，第一可控放电单元簇停止对第一采样电容放电，第二可控放电单元簇接收到的脉冲输入信号上升沿到来时，第二可控放电单元簇中的放电单元开始对第二采样电容放电，当第二采样电容的值达到阈值时，采样电容充放电控制模块输出翻转信号Precharge2，第二可控放电单元簇停止对第二采样电容放电；所述整数累加器与采样电容充放电控制模块的输出端连接，用于接收采样电容翻转信号Precharge1和采样电容翻转信号Precharge2，整数累加器接收到采样电容翻转信号时，整数累加器中的时钟翻转，执行加1操作。2.根据权利要求1所述的一种多输入时域模拟信号宽度量化器，其特征在于，所述采样电容充放电控制模块包括第零NMOS管N0、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第零PMOS管P0、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第三PMOS管P3、第零反相器INV0、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第零或非门NOR0以及第一或非门NOR1；其中第零NMOS管N0源极接地，栅极接第零反相器INV0输出以及第二反相器INV2输入，漏极接第二PMOS管P2的漏极和第三反相器INV3的输入；第二反相器INV2的输出接第三PMOS管P3的栅极；第三反相器INV3的输出采样电容翻转信号Precharge2；第二PMOS管P2的栅极接第零或非门NOR0的输出，源极接电源VDD；其中第一NMOS管N1源极接地，栅极接START信号以及第一或非门NOR1的一个输入端，漏极接第一或非门NOR1的另一输入端、第二NMOS管N2的漏极和第三PMOS管P3的漏极；第二NMOS管N2源极接地，栅极接第一反相器INV1输出以及第零或非门NOR0的一个输入端，第零或非门NOR0的另一个输入接START信号；第三PMOS管P3的源极接VDD；第一或非门NOR1的输出采样电容翻转信号Precharge1；第一反相器INV1输入接第一PMOS管P1漏极；第零PMOS管P0源极接电源VDD，栅极接采样电容翻转信号Precharge1，漏极接采样电容cap1正极板和第零反相器INV0的输入；第一PMOS管P1源极接电源VDD，栅极接采样电容翻转信号Precharge2，漏极接采样电容cap2正极板和第一反相器INV1的输入。
3.根据权利要求1所述的一种多输入时域模拟信号宽度量化器，其特征在于，第一可控放电单元簇和第二可控放电单元簇分别包括多个放电单元，第一可控放电单元簇和第二可控放电单元簇中包括的可控放电单元数量相同，多个可控放电单元对采样电容并行放电。4.根据权利要求3所述的一种多输入时域模拟信号宽度量化器，其特征在于，放电单元包括第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6以及一个二输入与门；与门的两个输入端分别连接采样电容翻转信号Precharge和时域脉冲信号pulse_high/low,采样电容翻转信号Precharge包括采样电容翻转信号Precharge1和采样电容翻转信号Precharge2；与门的输出端连接第三NMOS管N3的栅极；第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6依次串联，第四NMOS管N4、第五NMOS管N5和第六NMOS管N6共栅极，第三NMOS管N3源极接采样电容正极板，漏极接第四NMOS管N4源极，第四NMOS管N4、第五NMOS管N5和第六NMOS管N6的栅极都接放电单元控制电压生成器，第六NMOS管N6源极接地；放电单元控制电压生成器产生的控制电压从第四NMOS管N4、第五NMOS管N5和第六NMOS管N6的公共栅极输入，以实现其可控的放电速度；每个可控放电单元均工作在饱和区，使其放电电流恒定；第一可控放电单元簇和第二可控放电单元簇分别连接相同容值的采样电容。5.根据权利要求1所述的一种多输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨军，熊天柱，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
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