[发明专利]基于循环时间数字转换器的时域ADC

说明书

技术领域

本发明涉及微电子学的模拟集成电路设计领域，特别涉及一种基于循环时间数字转换器的时域ADC。 

技术背景

时域数据转换在近年发展迅速。时域ADC是使用数字电路来处理模拟信号的有效解决方法。时域ADC有很多优点，例如，数字信号边沿传输的时域分辨率要优于模拟信号的电压分辨率。而且采用时域ADC，上升沿的时间差量变化可以替代传统电压和电流的变化，整个电路可以取代大尺寸高功耗的模拟电路。组成时域ADC的有两个重要器件，电压时间转换器（Voltage to Time Converter, VTC）和时间数字转换器（Time to Digital Converter, TDC）。VTC用来将模拟输入信号转换为时间信号，而TDC将时间信号转换为数字量。 

上述技术至少存在以下缺点和不足： 

传统VTC的线性度和输入范围都不够理想，由于使用的线性输入范围很窄，通常几百毫伏的输入范围对应不到几百皮秒的时间量。另外，传统的延时线结构TDC由于工艺不确定性和延迟线折叠导致的延时不匹配使得时间到数字量化过程存在误差。这些缺点限制了后续信号处理并且使得时域ADC的性能受到限制。 

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在进一步增加传统时域ADC的输入范围和线性度并降低延时匹配误差，为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，基于循环时间数字转换器的时域ADC，由三部分电路模块构成，电路模块一为电压时间转换器VTC：两个采样开关Sh，两个放电开关Sd，两个采样电容CH或CL与Cref，两个电流源I和两个比较器Com1和Com2；第一个采样开关Sh的一端接模拟输入VH或VL，另一端接采样电容CH或CL的一端和第一个放电开关Sd的一端。采样电容CH或CL的另一端接地；第一个放电开关Sd的另一端接第一个电流源I的流入端和第一个比较器Com1的负端；第一个电流源I的流出端接地；第一个比较器的正端和第二个比较器的正端相连，共同接比较电压Vcm；第一个比较器Com1的输出端为高或低输出时间TH或TL；第二个采样开关Sh的一端接模拟输入Vref，另一端接参考采样电容Cref的一端和第二个放电开关Sd的一端；参考采样电容Cref的另一端接地；第二个放电开关Sd的另一端接第二个电流源I的流入端和第二个比较器Com2的负端；第二个电流源I的流出端接地；第二个比较器的输出端Com2为输出参考时间TR；第二个电路模块为循环时间数字转换器；第三个电路模块为读出电路；模拟输入信号Vin经过VTC转换实现脉冲输出，完成模拟电压到时间信号的转换；转换完成后的时间信号由电压时间转换器VTC进行数字量化，最后由读出电路完成数字码值的相加和输出。 

读出电路结构为：RSD_clk连接D触发器链和半加器链的Clk时钟输入端，D触发器链 的输入端接高电平VDD；D触发器链的输出端信号和经Delay和反相器后的信号做与运算，进而形成Reg_clk信号；Reg_clk信号经反相器后形成rst复位信号；Reg_clk信号还作为REG寄存器的触发信号；RSD_Rst和rst进行与运算后作为D触发器链和半加器链的复位信号；C0C1分别连接在半加器链的第一个和第二个单元的输入端；D0-D7连接REG寄存器的输入端。 

时间放大器电路结构：三个D触发器，一个二输入与非门，一个二输入异或门，一个多路选择器，一个开关，一个电容，一个比较器和两个电流源；时间信号的输入端Tin1和Tin2分别连接两个D触发器的Clk输入端，两个D触发器的D输入端与高电平VDD相连，两个D触发器的Q输出端分别和二输入与非门的输入端及二输入异或门输入端相连；二输入与非门的输出端连接两个D触发器的复位端RN；二输入异或门输出端连接多路选择器的控制端S，S连接第三个D触发器的Clk 输入端，第三个D触发器的D输入端连接高电平VDD，电容复位的反向信号连接第三个D触发器的复位端RN；电流源Ia的流出端与多路选择器的1端相连，电流源Ia流入端和高电平VDD相连；电流源Ib的流入端与多路选择器的0端相连，电流源Ib流出端和低电平VSS相连；多路选择器的输出端和电容C的一端相连，电容C的另一端接参考电平VCM；电容的复位开关和比较器的两个输入端分别跨接在电容C的两端。 

本发明具备下列技术效果：