CN102176676A

CN102176676A - 基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器

Info

Publication number: CN102176676A
Application number: CN2011100663186A
Authority: CN
Inventors: 黄冠中; 林平分
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2011-09-07

Abstract

本发明公开了一种基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器，是采用以下技术手段实现的：包括：采样保持电路、放电电流源、过零检测电路和D触发器，采样保持电路中采样电容的上极板连接至过零检测电路和放电电流源构成线性脉冲宽度调制电路；待比较的两个输入信号通过两个相同的线性脉冲宽度调制电路分别输入到采用对称结构的D触发器的数据和时钟输入端，在相同大小电流源放电的情况下，存储电荷较多的电容会较晚发生翻转，从而对应较大脉冲宽度的输出数字信号。本发明中采用的电容和电阻都控制在合理范围内，保证整个时间域比较器的面积足够小。降低过零检测电路的电源电压能够有效减小功耗，并且该电源电压不会影响比较精度和输入范围。

Description

基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器

技术领域

本发明是关于一种基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器，这种比较器是现代先进工艺下低功耗模数转换器的重要模块。

技术背景

比较器是模数转换器不可缺少的组成部分。传统比较器主要由两个部分组成：预放大器(pre-amplifier)和锁存器(latch)。锁存器用来判断两个输入电压的大小关系，以二进制的方式输出(0或1)。由于工艺匹配和随机误差等非理想因素导致锁存器只能正确判断两个偏差足够大的电压，而在高精度模数转换器设计中这样的比较精度是远远不能接受的。因此采用预放大器将较小的输入偏差放大到锁存器能够处理的范围来解决这个问题。

随着芯片制造工艺的演进，芯片工作电压减小，晶体管本征增益减小，与此对应地，信号摆幅(swing)减小，预放大器增益减小，这也让比较器的设计变得愈发困难。为了达到模数转换器的设计指标往往需要增加比较器的功耗，这又不符合低功耗的设计理念。为了解决这一矛盾，将电压转换到时间域做比较成为了一种可行的替代方案。

D触发器(D flip-flop)用于时间域比较器中，起到传统比较器中锁存器的功能。因为D触发器能够判断出两个相隔很近的脉冲信号之间的先后关系，所以不需要加入预放大器，因此不但解决了这个设计矛盾，而且降低了功耗。不仅如此，D触发器作为典型的数字电路，随着芯片制造工艺的演进，速度更快，功耗更低。在时间域比较器中需要解决的问题是把电压信号转换到时间域，也就是脉冲宽度调制。

一种代表性的做法(见参考文献Andrea Agnes，Edoardo Bonizzoni，Piero Malcovati and Franco Maloberti，“A 9.4-ENOB 1V 3.8μW 100KS/s SAR ADC withTime Domain Comparator”，2008 IEEE International Solid-State Circuits Conference)是通过压控电流源对存储固定大小电荷的电容放电，较大的电压输入就能产生较大的电流，将这些电荷放完所需要的时间较小，以此产生相应脉冲宽度的数字信号。这种方法存在的缺点是，由于压控电流源是非线性的，所以对应的脉冲宽度调制也是非线性的，这在确定输入信号范围方面存在随工艺偏差而变化的问题。压控电流源的转换让脉冲调制电路的噪声性能较差，只能工作在较低的频率下(100KS/s)，而且由于使用了大电阻(125KΩ)导致芯片面积较大。

发明内容

本发明的目的在于通过提供一种基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器，在将电压转换到时间域的前提下，降低设计复杂度、减小芯片面积和降低功耗，并且能够用于模数转换器中完成时间域的比较。

本发明一种基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器，是采用以下技术手段实现的：包括：采样保持电路、放电电流源、过零检测电路和D触发器，采样保持电路中采样电容的上极板连接至过零检测电路和放电电流源构成线性脉冲宽度调制电路；待比较的两个输入信号通过两个相同的线性脉冲宽度调制电路分别输入到D触发器的数据和时钟输入端，其中：

前述采样保持电路包含一个开关S1、一个PMOS管M4、一个NMOS管M5和一个电容C，其中：输入信号经过前述开关S1连接到前述电容C的上极板；前述PMOS管M4和NMOS管M5作为虚拟开关连接到前述电容C的上极板；

前述放电电流源包含一个NMOS管M1，栅极连接固定偏置，源极连接到地，漏极连接到前述电容C的上极板；

前述过零检测电路包含两个反相器N1，N2、一个PMOS管M3、一个NMOS管M2和一个电阻R，其中：前述PMOS管M3的源极连接到电阻R的一端，栅极由采样时钟控制，漏极连接到前述NMOS管M2的漏极；电阻R的另一端连接到电源；前述NMOS管M2的栅极连接到前述电容C的上极板，漏极通过前述的两个反相器级联输出；

前述的D触发器需要采用对称结构。

本发明一种基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器，与现有技术相比，具有以下明显的也是和有益效果：

由于放电电流源采用1∶1的电流镜设计，所以采样保持电路输入较大的电压就能在指定电容上存储较多的电荷，在相同大小电流源放电的情况下，存储电荷较多的电容会较晚发生翻转，从而对应较大脉冲宽度的输出数字信号。采样电容的大小由比较精度根据噪声性能来确定。电流镜和采样电容的匹配精度会决定时间域比较器的精度。

过零检测电路的阈值由连接在采样电容上的晶体管阈值决定。虽然工艺偏差会导致晶体管阈值绝对值的偏移，但是由于该阈值和输入信号无关，所以只是相当于给参考电压和输入电压同时加入了一个固定偏移量，并不会影响待比较的两个电压的差值或者大小关系。晶体管阈值的匹配精度也会决定时间域比较器的精度。

此外，本发明中采用的电容和电阻都控制在合理范围内，保证整个时间域比较器的面积足够小。降低过零检测电路的电源电压能够有效减小功耗，并且该电源电压不会影响比较精度和输入范围。

附图说明

图1为传统比较器结构框图；

图2为时间域比较器结构框图；

图3为Agnes提出的时间域比较器电路图；

图4为本发明提出的时间域比较器结构框图

图5为本发明提出的线性脉冲宽度调制电路图

图6为本发明实施例中采用的D触发器电路图；

图7为本实施例中脉冲宽度调制电路在不同输入电压下的脉冲输出仿真结果；

图8为本实施例中脉冲宽度调制电路在不同输入电压下对应脉冲宽度的仿真结果。

符号说明

41：采样保持电路；42：放电电流源；

51：冗余开关(dummy switch)；

具体实施方法

本发明实施例中的线性脉冲宽度调制电路如图4、图5所示。包括：采样保持电路、放电电流源和过零检测电路。

包括：采样保持电路、放电电流源、过零检测电路和D触发器，采样保持电路中采样电容的上极板连接至过零检测电路和放电电流源构成线性脉冲宽度调制电路；待比较的两个输入信号通过两个相同的线性脉冲宽度调制电路分别输入到D触发器的数据和时钟输入端，其中：

前述过零检测电路包含两个反相器N1，N2、一个PMOS管M3、一个NMOS管M2和一个电阻R，其中：前述PMOS管M3的源极连接到前述电阻R的一端，栅极由采样时钟控制，漏极连接到前述NMOS管M2的漏极；前述电阻R的另一端连接到电源；前述NMOS管M2的栅极连接到前述电容C的上极板，漏极通过前述的两个反相器级联输出；

前述的D触发器需要采用对称结构。

由于在实施例中没有使用下极板采样技术(bottom plate sampling)，所以在采样开关后加入了一对冗余开关51，用来抵消开关断开时产生的电荷注入效应(charge injection)。电容C的上极板连接到采样开关，下极板连接到地，以此构成采样保持电路。

放电电流源由NMOS管M1连接到电容C的上极板，将电荷以固定的速率放到地。所有脉冲宽度调制电路中的Vbias都连接在一起，并且使用同样大小的M1以保证不同单元的调制比例是相同的。在0.18微米CMOS工艺中，电流源的匹配能够达到0.5％，满足比较器的精度要求。

过零检测电路由NMOS管M2和带开关的上拉电阻R组成。在采样过程中，M2处于导通状态，这时其漏极输出低电平。为了降低功耗，这段过程中PMOS管M3由时钟信号将其置于截止状态。在接下来的放电过程中，M3切换到导通状态，采样电容上的电荷在电流源的放电下逐渐减少，M2的栅极电压也相应降低，当下降到M2的阈值电压后，M2切换到截止状态，这时上拉电阻R会把M2的漏极提升到电源电压，数字输出信号也完成了翻转，完成脉冲宽度调制的功能。为了减小数字输出信号的上升下降时间，在经过两个反相器组成的缓冲器后，再输入到判断大小的D触发器。

在实施例中采用了如图6所示的D触发器，因为具有堆成的结构，所以适用于时间域比较器。通过图7的仿真结果可以看出实施例中的脉冲宽度调制电路能够工作在超过200兆赫兹的频率下；通过图8的仿真结果看以看出实施例中的脉冲宽度调制电路能够将电压线性的转换到时间域。

综上所述，本发明通过该实施例达到了设计目的，实现了通过线性脉冲宽度调制电路在时间域的比较，具有结构简单、面积小和功耗低的特点。本发明并不限于上述实施例，可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下对其进行修改和变化。

Claims

1.一种基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器，包括：采样保持电路、放电电流源、过零检测电路和D触发器，其特征在于：采样保持电路中采样电容的上极板连接至过零检测电路和放电电流源构成线性脉冲宽度调制电路；待比较的两个输入信号通过两个相同的线性脉冲宽度调制电路分别输入到D触发器的数据和时钟输入端，其中：

所述采样保持电路包含一个开关(S1)、一个PMOS管(M4)、一个NMOS管(M5)和一个电容(C)，其中：输入信号经过所述开关(S1)连接到电容(C)的上极板；所述PMOS管(M4)和NMOS管(M5)作为虚拟开关连接到电容(C)的上极板；

所述放电电流源包含一个NMOS管(M1)，栅极连接固定偏置，源极连接到地，漏极连接到电容(C)的上极板；

所述过零检测电路包含两个反相器(N1)，(N2)、一个PMOS管(M3)、一个NMOS管(M2)和一个电阻(R)，其中：PMOS管(M3)的源极连接到电阻(R)的一端，栅极由采样时钟控制，漏极连接到NMOS管(M2)的漏极；电阻(R)的另一端连接到电源；NMOS管(M2)的栅极连接到所述电容(C)的上极板，漏极通过所述的两个反相器级联输出。

2.如权利要求1所述的基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器，其特征在于：采用对称结构的D触发器。