一种基于电流缩放技术的时间放大器

本发明涉及一种基于电流缩放技术的时间放大器电路，属于数据转换器。

背景技术：

1、在现代生活中，人们接触到的信号通常都是模拟信号。随着人们对现实世界了解的不断深入，依托于对数字信号快速处理的各种电子设备使得人们的生活更加便捷。为了使人们和大自然进行更好的交互，对于模拟数字转换器而言，保持较高分辨率的同时降低转换所需的延迟时间是很重要的研究方向。面临着时间域模数转换器在进行高速度量化时有效分辨率难以提升的现状，时间放大器承担着放大时间信息从而提高有效分辨率的重要任务。本着对模数转换器的性能要求，能实现时间信息放大作用的时间放大器成为中流砥柱。

2、随着对模数转换器性能要求的不断提高，高速度、中等分辨率的模数转换器逐渐成为研究趋势。多级结构的时间域模数转换器基于流水线操作可以充分利用时间信号的特性，将模数转换器的速度提升到一个新的台阶。在保证高速度的同时通常采用内插技术或者游标技术缩小最小时间刻度来提高有效分辨率，目前已经进入最小时间刻度为几百飞秒的阶段。由于时间信号对电源电压变化和噪声非常敏感，最小时间刻度越小，有效分辨率受电源电压抖动和噪声的影响越大。时间放大器的功能是将其输入端输入的时间差信号进行整倍数放大并输出。为提高有效分辨率可采用时间放大器对前一级的残余时间信号进行放大处理并传输给下一级进行量化，由此可利用时间放大器的功能将模数转换器需要分辨的最小时间差放大，抑制电源电压抖动和噪声的影响。

3、目前时间放大器的工作基本原理是：待放大时间信号包含在输入端输入的两个上升沿之间的时间间隔中，当上升沿来临时开始对其所对应的负载电容进行放电，利用交叉耦合结构使上升沿领先的输入端对应的负载电容放电电流大于另一个输入端对应的负载电容放电电流。使用两个由反相器组成的阈值电压检测器分别对两个负载电容的上极板电压进行检测，当阈值电压检测器观测的电压下降到其阈值电压时输出上升沿。由此可以通过调控放电电流的大小关系，得到两个时间间隔更大的上升沿信号，从而实现时间差信号的放大。

4、通过设计放电支路晶体管的尺寸比例，可以实现精确的放大倍数。传统时间放大器由于存在交叉耦合结构，在待放大信号为较小时间差时会令交叉耦合结构进入亚稳态，从而使得时间放大器对较小时间差信号的增益偏离预期设计值。传统结构难以提升增益，增益过高会出现一侧负载电容快速放电至其后连接的阈值电压检测器的阈值电压，而另一侧负载电容放电缓慢，造成延迟时间饱和的情况，从而影响整体电路有效分辨率。本发明能够克服现有技术的不足，进一步改善时间放大器的电路并提高时间放大器的性能。

技术实现思路

1、本发明对时间放大器电路提出新型的放大方式，利用更简便、更稳定的方式完成对输入信号时间差的时间放大。本发明将时间放大器的工作逻辑分成三个阶段，首先第一阶段是复位阶段，将负载电容上极板电压复位到电源电压；第二阶段是放大阶段，在出现一个上升沿后进入放大阶段，以大电流对负载电容进行放电；第三阶段是缓慢放电阶段，当两个上升沿都出现后进入缓慢放电阶段，输入两个上升沿信号的输入端对应的负载电容以相同的小电流进行放电，当两个负载电容的上极板电压下降到比较器的阈值电压后，比较器输出两个具有一定时间差的上升沿。以此完成对时间差信号的放大。

2、上述目的通过以下技术方案实现：

3、一种基于电流缩放技术的时间放大器电路，其由放电支路、负载电容和比较器组成。涉及时域与电压域的重复转换。经过放大阶段，输入的两个包含待放大时间差信息的上升沿，在两个负载电容上极板产生具有一定压差的电压信号，进入缓慢放电阶段，当负载电容上极板电压下降到一定阈值电压后通过比较器将两个缓慢放电具有一定压差的电压信号转换成具有相应时间差的两个上升沿信号。

4、所述的时间放大器由九个mos管、两个反相器、两个电容和两个比较器组成。

5、所述的电容c1和电容c2分别拥有两条放电支路。所述的电容c1的两条放电支路分别由m1、m5和m3、m9堆叠级联形成，放电支路中处于上方的m1和m3由信号p控制，而在放电支路中处在下方的m5、m9分别由信号n通过级联反相器inv1控制和信号clk控制。

6、所述的电容c2的两条放电支路分别由m2、m6和m4、m9堆叠级联形成，放电支路中处于上方的m2和m4由信号n控制，而处在放电支路中下方的m6、m9分别由信号p通过级联反相器inv2控制和clk信号控制。

7、所述的mos管m7和m8由clk控制分别对电容c1和电容c2的上极板即op和on节点进行充电复位。所述的比较器comp1和comp2的负输入端分别连接op节点和on节点且均与vth电压作比较，输出tp和tn信号。

8、本发明采用的放电方式不同于传统时间放大器，传统时间放大器中每条放电支路都是没有产生交叠的，本发明通过采用mos管m9将电容c1和c2各自放电支路中的一条放电支路合并，在进入缓慢放电阶段时让m3和m4均分m9的电流，有利于进一步提高时间放大器的增益。采用比较器代替传统时间放大器中由多个反相器级联组成的阈值电压检测器，使tp和tn翻转的阈值电压更精确，能够有效提高时间放大器增益的稳定性，提升整体模拟数字转换电路的性能。

技术特征：

1.一种基于电流缩放技术的时间放大器，其特征在于，由九个mos管、两个反相器、两个电容和两个比较器组成；

2.根据权利要求1所述的一种基于电流缩放技术的时间放大器，其特征在于，所述的clk信号和输入端的p信号、n信号在相位上保持关联，p信号和n信号比clk信号更早变为低电平以及更晚变为高电平；在复位阶段，clk信号为低电平，p信号和n信号亦为低电平，此时只有mos管m7和m8导通，电源给电容c1和电容c2的上极板即op和on节点充电至电源电压；当clk信号变为高电平时，时间放大器进入待工作状态，等待p信号和n信号上升沿来临；当p信号相对于n信号更早出现上升沿时，在p信号出现上升沿和n信号出现上升沿的这个时间间隔中，p信号为高电平，n信号为低电平，m1、m5、m3和m9导通，而m2、m4和m6截止，电容c1的两条放电支路都导通且电容c1独享m9的泄放电流，电容c1的放电电流为(a+1)·i；在n信号出现上升沿后m5截止，m4和m2导通，进入缓慢放电阶段，电容c1和电容c2的放电支路只有m9所控制的公共支路，电容c1和c2均分m9的泄放电流，即此时电容c1和电容c2的放电电流为i/2。

3.根据权利要求2所述的一种基于电流缩放技术的时间放大器，其特征在于，在比较器comp1和comp2的作用下，在op和on的电压小于vth时tp和tn输出高电平；在缓慢放电阶段op节点电压下降至vth时，on节点需继续放电2·(a+1)·δt的时间才能下降至vth电压，即tp领先于tn出现上升沿2·(a+1)·δt的时间；在两个输出信号tp和tn都出现上升沿后，p信号和n信号变为低电平，随后clk信号变为低电平进入复位阶段，等待下一个周期放大。

4.根据权利要求3所述的一种基于电流缩放技术的时间放大器，其特征在于，n输入端对时间差信号的放大倍数均为2·(a+1)；通过调节放电支路中mos管的尺寸比例控制a的数值大小。

技术总结
本发明公开了一种基于电流缩放技术的时间放大器，由九个MOS管、两个反相器、两个电容和两个比较器组成。将时间放大器的工作逻辑分成三个阶段，首先第一阶段是复位阶段，将负载电容上极板电压复位到电源电压；第二阶段是放大阶段，在出现一个上升沿后进入放大阶段，以大电流对负载电容进行放电；第三阶段是缓慢放电阶段，当两个上升沿都出现后进入缓慢放电阶段，输入两个上升沿信号的输入端对应的负载电容以相同的小电流进行放电，当两个负载电容的上极板电压下降到比较器的阈值电压后，比较器输出两个具有一定时间差的上升沿。以此完成对时间差信号的放大。本发明有利于进一步提高时间放大器的增益，提升整体模拟数字转换电路的性能。

技术研发人员：陈志杰,高科,万培元
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5