一種具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器的製作方法
2023-09-22 20:47:55 1
專利名稱：一種具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器的製作方法
技術領域：
本發明屬於數模轉換技術領域，具體涉及一種具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器。
背景技術：
隨著移動通訊技術的普及和片上系統(system on chip，S0C)概念的提出，更多的模擬信號和數位訊號被集成在一塊系統晶片中。由於處理器的發展已經能夠適應高速數位訊號處理的要求，因此，高速處理器和外圍模擬信號設備之間的通訊成為制約高速信號處理系統的主要因素；由此，近年來，高速高精度數模轉換晶片設計得到了很大發展。電流舵數模轉換器是目前最為流行的高速高精度數模轉換器結構，其一般包括解碼電路、鎖存器陣列和電流元陣列。其中，解碼電路通常將輸入的二進位數位訊號轉化為溫度計編碼的數位訊號，並輸入給鎖存器陣列，鎖存器利用時鐘信號對解碼電路輸出的數字 信號做同步處理，並將同步後的數位訊號傳輸給電流元，電流元根據輸入的數位訊號決定其自身電流的流向，至此，數模轉換器完成了從輸入數位訊號到輸出模擬信號的轉換。然而由於鎖存器陣列和電流元陣列中存在不匹配，不同電流元單元的輸出存在延時差，而此延時差大大降低了數模轉換器的動態性能，因此需要一定的校正方法加以去除。而典型的具有時域誤差校正功能的數模轉換器如圖I所示，其在傳統的電流舵數模轉換器結構基礎上，通過在鎖存器和電流元之間設置延時電路，通過一時域誤差校正單元為延時電路提供延時信號，時域誤差校正單元包括有兩個放大器、時間差保持電路、運算放大器、電容C和延時控制電路。該數模轉換器利用延時電路校正存在的時域誤差，電流元將輸入信號轉化為差分的電流信號輸出。基準電流元與電流元結構一致，基準延時電路和延時電路也為相同模塊。基準延時電路和基準電流元在此作為校正系統的基準模塊。電阻R2和R3為數模轉換器輸出端所接電阻，另外，電阻R3和電阻Rl可分別將電流元和基準電流元輸出的電流信號轉化為電壓信號，並將其作為放大器的輸入。該數模轉換器採用依次校正的模式，即依次將需要校正的電流元與基準電流元進行比較，消除它們之間的時域誤差。其中，兩個放大器分別將電流元和基準電流元的輸出的同相位的方波信號進行放大，以便於時間差保持電路處理，時間差保持電路對輸入的兩個方波信號之間的時域誤差進行保持，並輸出給運算放大器，此時，由於運算放大器輸入端的兩個方波信號之間存在時域誤差，因此，存在一段時間，在這段時間內，運算放大器兩個輸入信號之間存在電壓差，這種電壓差導致了運算放大器輸出端對電容C進行充放電，延時控制電路對電容C的電壓進行檢測，並通過調整延時電路的延時大小，最後達成對時域誤差的消除。但該數模轉換器也存在以下一些缺陷(I)在數模轉換器輸出端做檢測會影響輸出性能；(2)利用電阻將電流元輸出電流信號轉化為電壓信號會在電流元輸出端引入較大的RC常數，若匹配不當，則會引入巨大的時域誤差，從而影響原有時域誤差的檢測；(3)放大器需要較大的放大倍數才能將輸入的電壓信號轉化為下級電路可識別的信號，從而增加了電路複雜度和功耗，並且如果兩個放大器無法完全匹配，則也會引入額外的時域誤差，影響最後的檢測；(4)系統的校正精度不聞。
發明內容
針對現有技術所存在的上述技術缺陷，本發明提供了ー種具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，校正精度高，靜態功耗低。ー種具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，包括n+l條數模轉換通道和一時域誤差校正単元；n+l條數模轉換通道分為一條基準數模轉換通道和n條待測數模轉換通道，所述的時域誤差校正単元用於向待測數模轉換通道提供延時控制信號；n為大於I的自然數；所述的數模轉換通道包括鎖存器，用於產生數字方波信號； 延時電路，用於對數字方波信號進行延時輸出；其中，基準數模轉換通道的延時電路根據給定的基準延時信號對數字方波信號進行延時輸出，待測數模轉換通道的延時電路根據所述的延時控制信號對數字方波信號進行延時輸出；電流兀，用於將延時後的數字方波信號轉換為電流方波信號輸出；所述的時域誤差校正單元包括電流方波檢測器，用於採集基準數模轉換通道輸出的電流方波信號和任一待測數模轉換通道輸出的電流方波信號，並將這兩個信號分別轉換為第一電壓信號和第二電壓信號;時間差放大器，用於對第一電壓信號與第二電壓信號之間的時域誤差進行放大；時數轉換器，用於接收時域誤差放大後的第一電壓信號和第二電壓信號，並提取這兩個信號之間的時域誤差，井根據該時域誤差產生延時控制信號以校正對應的待測數模轉換通道。所述的延時控制信號和基準延時信號均為m位的數字碼；m為大於I的自然數；所述的延時電路由m個延時単元和四個MOS管Mll M14組成；其中，所述的延時単元的第一輸入端與MOS管Mll的源極相連並接電源電壓，延時單元的第一輸出端與MOS管Mll的漏極和MOS管M12的源極相連，MOS管Mll的柵極接收給定的偏置電壓信號vpb，MOS管M12的柵極與MOS管M13的柵極相連且為延時電路的輸入端，MOS管M12的漏極與MOS管M13的漏極相連且為延時電路的輸出端，延時單元的第二輸入端與MOS管M13的源極和MOS管M14的漏極相連，延時單元的第二輸出端與MOS管M14的源極相連並接地；M0S管M14的柵極接收給定的偏置電壓信號vnb ；所述的延時單元由兩個MOS管Ml M2和一個反相器INVl組成；其中，MOS管Ml的源極為延時單元的第一輸入端，MOS管Ml的漏極為延時單元的第一輸出端，MOS管Ml的柵極與反相器INVl的輸入端相連且為延時單元的控制端，反相器INVl的輸出端與MOS管M2的柵極相連，MOS管M2的漏極為延時單元的第二輸入端，MOS管M2的源極為延時單元的第二輸出端；m個延時單元的控制端分別接收延時控制信號對應的m位數字碼或基準延時信號對應的m位數字碼；其中，MOS管MUMll和M12均為PMOS管，MOS管M2、M13和M14均為NMOS管；偏置電壓信號vpb與偏置電壓信號vnb相位互補。
本發明延時電路是在簡單的反相器結構上拓展得來的電路，因此結構簡單，便於實現；由於該延時電路的延時調節是通過改變上拉和下拉MOS管的數量實現的，所以具有很高的延時調節精度；理論上用於調節延時的上拉和下拉MOS管的數量是不受限制的，所以可以在很大範圍內做延時調節。所述的電流元由一電流源I、一反相器INV2、七個MOS管M21 M27和兩個電阻Rl R2組成；其中，電流源I的輸入端接電源電壓，電流源I的輸出端與MOS管M21的源極和MOS管M22的源極相連，MOS管M21的柵極和MOS管M22的柵極分別接收給定的偏置電壓信號Vl和偏置電壓信號V2，M0S管M21的漏極與MOS管M23的源極和MOS管M24的源極相連，MOS管M22的漏極與MOS管M25的源極和MOS管M26的源極相連，MOS管M23的柵極與MOS管M25的柵極和反相器INV2的輸入端相連且為電流元的輸入端，反相器INV2的輸出端與MOS管M24的柵極和MOS管M26的柵極相連，MOS管M23的漏極與電阻Rl的一端相連，電阻Rl的另一端接地，MOS管M24的漏極與電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端接地，MOS管M25的漏極為電流元的輸出端，MOS管M26的漏極與MOS管M27的漏極和柵極相連，MOS管M27的源極接地；其中，MOS管M21 M26均為PMOS管，MOS管M27為NMOS管。 本發明電流元因為在正常工作的差分輸出口之外引出用於檢測的電流輸出，所以檢測電路的存在不會影響正常電路的工作；電流元結構中將用於導通檢測電流的MOS管直接加在電流源下方，避免了在一些關鍵節點(如輸出端)，增加不必要的電容而破壞電流元性能。所述的電流方波檢測器由兩個電流比較器組成；所述的電流比較器由七個MOS管M31 M37和兩個反相器INV3 INV4組成；其中，MOS管M32的柵極與MOS管M31的柵極和漏極相連且為電流比較器的輸入端，MOS管M32的漏極與MOS管M33的漏極、MOS管M34的源極、MOS管M35的源極、MOS管M36的柵極和MOS管M37的柵極相連，MOS管M33的柵極接收給定的偏置電壓信號VB，MOS管M34的柵極與MOS管M35的柵極、MOS管M36的漏極、MOS管M37的漏極和反相器INV3的輸入端相連，MOS管M33的源極與MOS管M34的漏極和MOS管M37的源極相連並接電源電壓，MOS管M31的源極與MOS管M32的源極、MOS管M35的漏極和MOS管M36的源極相連並接地，反相器INV3的輸出端與反相器INV4的輸入端相連，反相器INV4的輸出端為電流比較器的輸出端；其中，MOS管M33、M35和M37均為PMOS管，MOS 管 M31、M32、M34 和 M36 均為 NMOS 管。電流方波檢測器的核心電路為電流比較器，而非傳統電路中的電阻和運算放大器；電流比較器具有快速響應的性能，該檢測器可以快速跟蹤輸入電流方波，而且由於結構中不存在電阻，避免了由於電阻匹配問題而導致的兩個輸出電壓方波上升沿不一致，從而方便了下級電路對時域誤差的檢測；另外，由於電路結構簡單，檢測電路幾乎不會引入額外的時域誤差。所述的時間差放大器由兩個互斥單元Ul U2和兩個或門ORl 0R2組成；其中，互斥單兀Ul的第一輸入端與互斥單兀U2的第二輸入端相連且為時間差放大器的第一信號輸入端，互斥單元U2的第一輸入端與互斥單元Ul的第二輸入端相連且為時間差放大器的第二信號輸入端，互斥單兀Ul的第一輸出端和第二輸出端分別與或門ORl的兩個輸入端相連，互斥單元U2的第一輸出端和第二輸出端分別與或門0R2的兩個輸入端相連，或門ORl的輸出端和或門0R2的輸出端分別為時間差放大器的第一信號輸出端和第二信號輸出端；
本發明時間差放大器基本為數字電路結構，對單個MOS管性能的要求不高，所以電路實現方便；其次由於利用了亞穩態的原理，在一定範圍內，該放大器的放大倍數可以保持穩定，因此可靠性高；另外由於該放大器的放大倍數可以達到10倍以上，方便了下級電路的檢測，並且提聞了檢測的速度和精度。所述的時數轉換器由m個時數轉換單元依次級聯而成；其中，第一時數轉換單元的第一輸入端和第二輸入端分別為時數轉換器的第一輸入端和第二輸入端，第i-1時數轉換單元的第一級聯端和第二級聯端分別與第i時數轉換單元的第一輸入端和第二輸入端相連，第m時數轉換單元的第一級聯端和第二級聯端均懸空，m個時數轉換單元的輸出端分別輸出延時控制信號對應的m位數字碼；i為自然數且2 < i < m ;所述的時數轉換單元由一互斥単元U3和四個反相器INV5 INV8組成；其中，互斥単元U3的第一輸入端與反相器INV5的輸入端相連且為時數轉換單元的第一輸入端，互斥単元U3的第二輸入端與反相器INV7的輸入端相連且為時數轉換單元的第二輸入端，反相器INV5的輸出端與反相器INV6的輸入端相連，反相器INV7的輸出端與反相器INV8的輸入端相連，反相器INV6的輸出端和反相器INV8的輸出端分別為時數轉換單元的第一級 聯端和第二級聯端，互斥単元U3的第一輸出端為時數轉換單元的輸出端。本發明時數轉換器結構基本為數字電路，因此電路功能容易實現；其基本原理是利用了反相器對之間的延時差，所以檢測精度可以做到幾皮秒；該結構中大量使用了重複的結構，因此，在版圖實現時，可以做到一起，提高匹配性。所述的互斥單元由兩個與非門NANDl NAND2和四個MOS管M41 M44組成；其中，與非門NANDl的第一輸入端和與非門NAND2的第一輸入端分別為互斥單兀的第一輸入端和第二輸入端，與非門NANDl的第二輸入端與第二與非門的輸出端、MOS管M41的源極、MOS管M43的柵極和MOS管M44的柵極相連，第二與非門的第二輸入端與第一與非門的輸出端、MOS管M43的源極、MOS管M41的柵極和MOS管M42的柵極相連，MOS管M42的源極與MOS管M44的源極相連並接地，MOS管M41的漏極與MOS管M42的漏極相連且為互斥單元的第一輸出端，MOS管M43的漏極與MOS管M44的漏極相連且為互斥單元的第二輸出端；其中，MOS管M41和M43均為PMOS管，MOS管M42和M44均為NMOS管。本發明的誤差校正原理為首先利用電流方波檢測器將待測電流元和基準電流元輸出的電流方波轉化為電壓方波，再利用時間差放大器將電流方波檢測器輸出的電壓方波之間的時域誤差進行線性放大，接著利用時數轉換器將放大後的時域誤差轉化為數字量，最後利用時數轉換器輸出的數字量對延時電路的延時大小進行調整，達成消除時域誤差的效果。本發明的有益技術效果為(I)本發明採用了時間差放大器和時數轉換器，存在於數模轉換器中的時域誤差可以被線性放大，並且直接轉化為數字量，所以時域誤差檢測的精度大大提高；相對傳統的時域誤差校正単元只能檢測到Ips的時域誤差，而本發明中的校正単元可以檢測到200fs的時域誤差。(2)本發明採用時間差放大器對時域誤差進行放大，檢測微小的時域誤差變得更加容易和快速；相對傳統的校正単元需要50個周期才能檢測出時域誤差，而本發明中的校正単元只需要I到2個周期便可以精確地檢測出時域誤差；並且因為時數轉換器直接將時間量轉化為了數字量，而不需要先轉化為模擬量，因此，單個檢測周期的時間也被縮短了。(3)本發明中的校正單元可完全採用數字電路得以實現，所以靜態功耗幾乎為0，而傳統的校正單元中包含的運算放大器等模擬電路存在較大而穩定的靜態功耗。(4)本發明利用電流方波檢測器將電流元輸出的電流方波轉化為電壓方波可精確地做到跟蹤電流方波的上升沿，並且不需要電阻的輔助，這樣可以減小RC常數不匹配造成的額外時間差對檢測精度的影響。
圖I為傳統具有時域誤差校正系統的數模轉換器的結構示意圖。圖2為本發明數模轉換器的結構示意圖。圖3為延時電路的結構示意圖。
圖4為電流元的結構示意圖。圖5為電流比較器的結構示意圖。圖6為時間差放大器的結構示意圖。圖7為時數轉換器的結構示意圖。圖8為互斥單元的結構示意圖。圖9為延時電路輸入輸出信號的波形示意圖。圖10為電流元輸入輸出信號的波形示意圖。圖11為電流比較器輸入輸出信號的波形示意圖。圖12為時間差放大器輸入輸出信號的波形示意圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發明的技術方案及其相關原理進行詳細說明。如圖2所示，一種具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，包括解碼電路、32條數模轉換通道和一時域誤差校正單元；32條數模轉換通道分為一條基準數模轉換通道和31條待測數模轉換通道，待測數模轉換通道與解碼電路相連；解碼電路用於將輸入的二進位數位訊號轉化為溫度計編碼的數位訊號，時域誤差校正單元用於向待測數模轉換通道提供延時控制信號；數模轉換通道包括一鎖存器、一延時電路和一電流兀；其中鎖存器在數模轉換通道處於正常工作時用於利用時鐘信號對解碼電路對應輸出的數位訊號做同步處理，在數模轉換通道處於誤差校正時根據給定的信號輸出一數字方波信號；其中，基準數模轉換通道對應的鎖存器不與解碼電路連接，其根據給定的信號輸出一數字方波信號作為基準，其輸出信號相對於待測數模轉換通道對應的鎖存器的輸出信號存在延時；待測數模轉換通道對應的鎖存器在做誤差校正時與解碼電路斷開，其根據給定的信號輸出一數字方波信號作為檢測。延時電路用於對數字方波信號進行延時輸出；其中，基準數模轉換通道的延時電路根據給定的基準延時信號對數字方波信號進行延時輸出，待測數模轉換通道的延時電路根據延時控制信號對數字方波信號進行延時輸出；延時控制信號和基準延時信號均為4位的數字碼BI B4 ;如圖3所示，延時電路由4條延時單元和四個MOS管Mll M14組成；其中，延時単元的第一輸入端與MOS管Mll的源極相連並接電源電壓VDD，延時單元的第一輸出端與MOS管Mll的漏極和MOS管M12的源極相連，MOS管Mll的柵極接收給定的偏置電壓信號vpb, MOS管M12的柵極與MOS管M13的柵極相連且為延時電路的輸入端，MOS管M12的漏極與MOS管M13的漏極相連且為延時電路的輸出端，延時單元的第二輸入端與MOS管M13的源極和MOS管M14的漏極相連，延時單元的第二輸出端與MOS管M14的源極相連並接地；MOS管M14的柵極接收給定的偏置電壓信號vnb ；延時單元由兩個MOS管Ml M2和一個反相器INVl組成；其中，MOS管Ml的源極為延時單兀的第一輸入端，MOS管Ml的漏極為延時單兀的第一輸出端，MOS管Ml的柵極與反相器INVl的輸入端相連且為延時單元的控制端，反相器INVl的輸出端與MOS管M2的柵極相連，MOS管M2的漏極為延時單元的第二輸入端，MOS管M2的源極為延時單元的第二輸出端；4條延時単元的控制端分別接收延時控制信號對應的4位的數字碼BI B4或基準 延時信號對應的4位的數字碼BI B4 ;M0S管MUMll和M12均為PMOS管，MOS管M2、M13和M14均為NMOS管；偏置電壓信號vpb與偏置電壓信號vnb相位互補。延時電路包含一個輸入端、ー個輸出端和一個控制端；輸入端與對應鎖存器相連並接收數字方波信號，輸出端輸出的信號為數字方波信號經過大小為H的延時之後的信號，控制端接收時域誤差校正単元提供的延時控制信號對應的4位的數字碼以調節H的大小(基準數模轉換通道的延時電路接收的4位的數字碼為預設值0000);延時電路輸入輸出信號波形如圖9所示。在延時電路結構中，M12和M13為普通反相器結構，其輸入為IN，輸出為OUT。Mll和M14在vpb和vnb的偏置下，在任何工作條件下都處於導通狀態，分別作為反相器的上拉電阻和下拉電阻。四條延時単元中Ml的導通與關斷分別由BI B4控制，當它們導通時，便減小了反相器的上拉電阻，當它們關斷時，便増大了反相器的上拉電阻，同理四條延時單元中M2的導通與關斷分別由BI B4的取反信號控制，它們的開通與關斷影響了下拉電阻的大小，BI B4信號的取反由四條延時単元中反相器INVl實現；故該電路結構就是通過改變上拉和下拉電阻的大小實現了對延時的控制。電流元用於將延時後的數字方波信號轉換為電流方波信號輸出；如圖4所示，電流元由一電流源I、一反相器INV2、七個MOS管M21 M27和兩個電阻Rl R2組成；其中，電流源I的輸入端接電源電壓VDD，電流源I的輸出端與MOS管M21的源極和MOS管M22的源極相連，MOS管M21的柵極和MOS管M22的柵極分別接收給定的偏置電壓信號Vl和偏置電壓信號V2，MOS管M21的漏極與MOS管M23的源極和MOS管M24的源極相連，MOS管M22的漏極與MOS管M25的源極和MOS管M26的源極相連，MOS管M23的柵極與MOS管M25的柵極和反相器INV2的輸入端相連且為電流元的輸入端，反相器INV2的輸出端與MOS管M24的柵極和MOS管M26的柵極相連，MOS管M23的漏極與電阻Rl的一端相連，電阻Rl的另ー端接地，MOS管M24的漏極與電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端接地，MOS管M25的漏極為電流元的輸出端，MOS管M26的漏極與MOS管M27的漏極和柵極相連，MOS管M27的源極接地；其中，MOS管M21 M26均為PMOS管，MOS管M27為NMOS管。電流兀包含一個輸入端和ー個輸出端；輸入端與延時電路的輸出端相連接收延時後的數字方波信號，輸出端輸出電流方波信號；如圖10所示，本實施方式中，輸入的數字方波信號為電壓信號，其電壓幅值為I. 8V，輸出的電流方波信號為電流信號，其電流幅值為30uA，且兩信號間的移相角為180度。如圖4所示，當電流元正常工作時，偏置電壓V2拉高，將M22關斷，由於偏置電壓Vl在任何工作狀態下都使得M21導通，電流源I的電流均流向M21，M23和M24分別由輸入信號及其反相信號控制，輸入信號的反相信號通過INV2得到，同一時間M23和M24隻有一個導通，因此，電流元正常工作時，I的電流要麼通過M21和M23流向Rl，要麼通過M21和M24流向R2。當電流元處於校正狀態時，偏置電壓V2拉低，使得M22導通，I的電流將有一部分流向M22，M25和M26分別由輸入信號及其反相信號控制，同一時間M25和M26隻有一個導通，因此，流過M22的電流要麼通過M25從輸出端OUT流出，要麼通過M26流向M27，M27為二極體方式連接的作為負載的MOS管。時域誤差校正單元包括一電流方波檢測器、一時間差放大器和一時數轉換器；其中電流方波檢測器用於採集基準數模轉換通道輸出的電流方波信號和任一待測數模轉換通道輸出的電流方波信號，並將這兩個信號分別轉換為第一電壓信號和第二電壓信號；電流方波檢測器由兩個電流比較器組成；如圖5所示，電流比較器由七個MOS管M31 M37和兩個反相器INV3 INV4組成；其中，MOS管M32的柵極與MOS管M31的柵極和漏極相連且為電流比較器的輸入端，MOS管M32的漏極與MOS管M33的漏極、MOS管M34的源極、MOS管M35的源極、MOS管M36的柵極和MOS管M37的柵極相連，MOS管M33的柵極接收給定的偏置電壓信號VB，MOS管M34的柵極與MOS管M35的柵極、MOS管M36的漏極、MOS管M37的漏極和反相器INV3的輸入端相連，MOS管M33的源極與MOS管M34的漏極和MOS管M37的源極相連並接電源電壓VDD，MOS管M31的源極與MOS管M32的源極、MOS管M35的漏極和MOS管M36的源極相連並接地，反相器INV3的輸出端與反相器INV4的輸入端相連，反相器INV4的輸出端為電流比較器的輸出端；其中，MOS管M33、M35和M37均為PMOS管，MOS 管 M31、M32、M34 和 M36 均為 NMOS 管。電流比較器包含一個輸入端和一個輸出端，其中，輸入信號為電流信號，輸出信號為電壓信號；如圖11所示，當輸入的電流信號大於i = 500nA時，輸出電壓信號輸出邏輯高電平I. 8V,當輸入電流信號小於500nA時,輸出電壓信號輸出邏輯低電平0V。兩個電流比較器其中的一個電流比較器的輸入端與基準數模轉換通道對應的電流元的輸出端相連以接收電流方波信號，輸出端輸出第一電壓信號；另一個電流比較器的輸入端與待測數模轉換通道對應的電流元的輸出端相連以接收電流方波信號，輸出端輸出第二電壓信號；電流比較器的結構中，M31成二極體形式連接，並與M32形成電流鏡結構，實現將輸入的電流信號複製給M32，M33為由電壓VB偏置的小電流源，電流大小為500nA。當輸入電流為OA時，M31和M32上的電流均為0，此時M33上的電流均流向M35，M35導通作用加上M37和M36所組成反相器的正反饋功能將會快速拉低M35柵端的電壓，拉高M35源端的電壓，從而將M34關斷，並且由於M35柵端電壓(同時也為M36漏端電壓)的下降，輸出端OUT將輸出邏輯低電平；當輸入電流大於500nA時，M31和M32的電流均大於500nA，此時，M33的電流均流向M32，同時有電流將流過M34，M34的導通效應加上M37和M36所組成的反相器的正反饋作用，將迅速拉高M34柵端電壓，拉低M34源端電壓，從而關斷M35，並且由於M34柵端電壓(同時也是M37的漏端電壓)升高，輸出端OUT將輸出邏輯高電平；因此，該電路結構能夠實現將輸入電流方波轉化為輸出電壓方波的功能。
時間差放大器用於對第一電壓信號與第二電壓信號之間的時域誤差進行放大；如圖6所示，時間差放大器由兩個互斥単元Ul U2和兩個或門ORl 0R2組成；其中，互斥單兀Ul的第一輸入端與互斥單兀U2的第二輸入端相連且為時間差放大器的第一信號輸入端，互斥単元U2的第一輸入端與互斥単元Ul的第二輸入端相連且為時間差放大器的第二信號輸入端，互斥單兀Ul的第一輸出端和第二輸出端分別與或門ORl的兩個輸入端相連，互斥單兀U2的第一輸出端和第二輸出端分別與或門0R2的兩個輸入端相連,或門ORl的輸出端和或門0R2的輸出端分別為時間差放大器的第一信號輸出端和第二信號輸出端；如圖8所示，互斥單元由兩個與非門NANDl NAND2和四個MOS管M41 M44組成；其中，與非門NANDl的第一輸入端和與非門NAND2的第一輸入端分別為互斥單兀的第一輸入端和第二輸入端，與非門NANDl的第二輸入端與第二與非門的輸出端、MOS管M41的源極、MOS管M43的柵極和MOS管M44的柵極相連,第二與非門的第二輸入端與第一與非門的輸出端、MOS管M43的源極、MOS管M41的柵極和MOS管M42的柵極相連，MOS管M42的源極與MOS管M44的源極相連並接地，MOS管M41的漏極與MOS管M42的漏極相連且為互斥単元的第一輸出端，MOS管M43的漏極與MOS管M44的漏極相連且為互斥單元的第二輸出端；其中，MOS管M41和M43均為PMOS管，MOS管M42和M44均為NMOS管。
時間差放大器包含兩個信號輸入端和兩個信號輸出端；其中，第一信號輸入端SINl與電流方波檢測器中的第一電流比較器的輸出端相連以接收第一電壓信號,第二信號輸入端SIN2與電流方波檢測器中的第二電流比較器的輸出端相連以接收第二電壓信號；若第一電壓信號和第二電壓信號為頻率相同，幅值相同，佔空比相同的方波，並且第一電壓信號與第二電壓信號之間存在At的時間延時，那麼時間差放大器的兩個信號輸出端輸出的兩個電壓信號也為頻率相同，幅值相同，佔空比相同的方波，且輸出的兩個電壓信號之間會存在AT = P At的時間延吋，P為時間差放大電路的放大倍數，本實施方式中，@ =10，At = Ips ;則輸出兩個電壓信號之間便會存在AT = IOps的時間延時，其波形關係如圖12所示。互斥単元的功能在於可以判斷INl與IN2對應輸入信號的上升沿哪個先出現，比如原來INl和IN2的輸入均為0V，當INl出現上升沿而IN2沒有出現上升沿時，與非門NANDl的輸出電平將會下降，而與非門NAND2的輸出電平依舊為高電平，此時，M41將會開通，而M42、M43、M44均關斷，OUTl將輸出上升沿，而0UT2依舊維持在低電平，IN2上升沿先出現的情況類似。故總結可得當INl上升沿先出現時，OUTl變為高電平，0UT2為低電平；IN2上升沿先出現時，OUTl為低電平，0UT2變為高電平；而當INl和IN2的上升沿同時出現，或者它們之間的上升沿延時相差不大時，又可利用其亞穩態的原理，組合作為時間差放大器。放大器中當SINl和SIN2的上升沿時間差為皮秒級時，利用互斥単元的亞穩態原理，輸出SOUTl和S0UT2之間的時間差AT可用公式表示為AT= T In (toff+ A t) - x In (toff- A t)其中T為與電路中器件大小有關的常量，At為SINl和SIN2的上升沿之間存在的時間差，toff為互斥単元中與非門NANDl與NAND2之間存在不匹配而引入的時間量。
dAT Ir對上式求導，可得一，從該式中可知AT與At之間存在線性放大關
tOff
系o
時數轉換器用於接收時域誤差放大後的第一電壓信號和第二電壓信號，並提取這兩個信號之間的時域誤差，並根據該時域誤差產生延時控制信號以校正對應的待測數模轉換通道。如圖7所示，時數轉換器由四個時數轉換單元依次級聯而成；其中，第一時數轉換單兀的第一輸入端和第二輸入端分別為時數轉換器的第一輸入端和第二輸入端，第i_l時數轉換單元的第一級聯端和第二級聯端分別與第i時數轉換單元的第一輸入端和第二輸入端相連，第4時數轉換單元的第一級聯端和第二級聯端均懸空，四個時數轉換單元的輸出端分別輸出延時控制信號對應的4位數字碼(BI B4) ；i為自然數且2 < i < 4 ;時數轉換單元由一互斥單元U3和四個反相器INV5 INV8組成；其中，互斥單元U3的第一輸入端與反相器INV5的輸入端相連且為時數轉換單元的第一輸入端，互斥單元U3的第二輸入端與反相器INV7的輸入端相連且為時數轉換單元的第二輸入端，反相器INV5的輸出端與反相器INV6的輸入端相連，反相器INV7的輸出端與反相器INV8的輸入端相連，反相器INV6的輸出端和反相器INV8的輸出端分別為時數轉換單元的第一級聯端和第二級聯端，互斥單元U3的第一輸出端為時數轉換單元的輸出端。時數轉換器包含兩個輸入端和一個輸出埠 ；其中，兩個輸入端分別與時間差放大器的兩個信號輸出端相連，輸出埠與每條待測數模轉換通道中延時電路的控制端相 連；如果輸入端INl和輸入端IN2對應的兩個輸入信號為頻率相同，幅值相同，佔空比相同的方波，且兩個輸入信號之間存在Δ T的時間延時,那麼輸出埠則輸出能夠表不ΔΤ大小
的數字量。如圖7所示，四個時數轉換單元中的INV5和INV6為四個相同的反相器對，且歸為第一類反相器對；INV7和INV8也為四個相同的反相器對，且歸為第二類反相器對；第一類反相器對的延時比第二類反相器對的延時少5ps ;互斥單元U3的結構如圖8所示，作用在於判斷兩個輸入信號上升沿哪個先到來。時間差放大器輸出的兩個電壓信號為輸入信號，先由第一時數轉換單元中的互斥單元判斷兩個電壓信號的上升沿哪個先出現，若INl上升沿先出現，則BI被置為高電平，若IN2上升沿先出現，則BI被置為低電平，INl在經過INV5和INV6的延時之後的信號與IN2經過INV7和INV8延時之後的信號再次交由第二時數轉換單元比較，比較結果再對B2賦值，以此類推，最終得到BI B4。本實施方式的校正流程為首先，基準數模轉換通道和待測數模轉換通道的鎖存器分別提供I. 8V、10MHZ、50%佔空比、相位基本一致但可能存在略微偏差的兩個數字方波信號給各自對應延時電路；基準數模轉換通道和待測數模轉換通道的電流元分別將各自對應的延時電路輸出幅值為I. 8V的電壓方波轉換為30uA的電流方波輸出；然後，電流方波檢測器將兩個電流元輸出的幅值為30uA兩個電流方波分別轉換為幅值為I. 8V兩個電壓方波輸出；時間差放大器將電流方波檢測器輸出的兩個電壓方波之間存在的延時差放大10倍後再將兩個電壓方波輸出給時數轉換器；最後，時數轉換器將輸入的兩個方波之間的時間差轉化為數字量，輸出給待測數模轉換通道的延時電路，則延時電路根據時數轉換器的輸出的數字控制量對延時大小進行調整；依此循環，直至基準數模轉換通道和待測數模轉換通道的電流元輸出的信號同步。本實施方式中，基準通道的延時電路的延時控制信號一直設定為0000，待測通道的延時電路的延時控制信號初始值也為0000,由於基準鎖存器的輸出方波信號相比於其他鎖存器的輸出方波信號存在延時，導致基準數模轉換通道的輸出波形相比於待測數模轉換通道的輸出波形存在延時，設該延時量為lps，並且時間差放大器的放大倍數為10倍，則時數轉換器的第一輸入信號將領先第二輸入信號10ps，經過時數轉換器檢測之後輸出的BI B4的信號為1100,該信號作為延時控制信號傳輸給延時電路,若姆個延時單兀的變化 會造成500f s的延時，則當延時控制信號從0000變為1100時，延時電路將會在原有延時基礎上再延時lps，這樣便完成了對該數模轉換通道的時域誤差校正。
權利要求
1.一種具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，包括n+l條數模轉換通道和一時域誤差校正單元；n+l條數模轉換通道分為一條基準數模轉換通道和n條待測數模轉換通道，所述的時域誤差校正單元用於向待測數模轉換通道提供延時控制信號，n為大於I的自然數；其特徵在於 所述的數模轉換通道包括 鎖存器，用於產生數字方波信號； 延時電路，用於對數字方波信號進行延時輸出；其中，基準數模轉換通道的延時電路根據給定的基準延時信號對數字方波信號進行延時輸出，待測數模轉換通道的延時電路根據所述的延時控制信號對數字方波信號進行延時輸出；所述的延時控制信號和基準延時信號均為m位的數字碼；m為大於I的自然數； 電流兀，用於將延時後的數字方波信號轉換為電流方波信號輸出； 所述的時域誤差校正單元包括 電流方波檢測器，用於採集基準數模轉換通道輸出的電流方波信號和任一待測數模轉換通道輸出的電流方波信號，並將這兩個信號分別轉換為第一電壓信號和第二電壓信號； 時間差放大器，用於對第一電壓信號與第二電壓信號之間的時域誤差進行放大； 時數轉換器，用於接收時域誤差放大後的第一電壓信號和第二電壓信號，並提取這兩個信號之間的時域誤差，並根據該時域誤差產生延時控制信號以校正對應的待測數模轉換通道。
2.根據權利要求I所述的具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，其特徵在於所述的延時電路由m個延時單元和四個MOS管Mll M14組成；其中，所述的延時單元的第一輸入端與MOS管Mll的源極相連並接電源電壓，延時單元的第一輸出端與MOS管Mll的漏極和MOS管M12的源極相連，MOS管MlI的柵極接收給定的偏置電壓信號vpb，M0S管M12的柵極與MOS管M13的柵極相連且為延時電路的輸入端，MOS管M12的漏極與MOS管M13的漏極相連且為延時電路的輸出端，延時單元的第二輸入端與MOS管M13的源極和MOS管M14的漏極相連，延時單元的第二輸出端與MOS管M14的源極相連並接地；M0S管M14的柵極接收給定的偏置電壓信號vnb。
3.根據權利要求2所述的具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，其特徵在於所述的延時單元由兩個MOS管Ml M2和一個反相器INVl組成；其中，MOS管Ml的源極為延時單兀的第一輸入端，MOS管Ml的漏極為延時單兀的第一輸出端，MOS管Ml的柵極與反相器INVl的輸入端相連且為延時單元的控制端，反相器INVl的輸出端與MOS管M2的柵極相連，MOS管M2的漏極為延時單元的第二輸入端，MOS管M2的源極為延時單元的第二輸出端個延時單元的控制端分別接收延時控制信號對應的m位數字碼或基準延時信號對應的m位數字碼。
4.根據權利要求I所述的具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，其特徵在於所述的電流元由一電流源I、一反相器INV2、七個MOS管M21 M27和兩個電阻Rl R2組成；其中，電流源I的輸入端接電源電壓，電流源I的輸出端與MOS管M21的源極和MOS管M22的源極相連，MOS管M21的柵極和MOS管M22的柵極分別接收給定的偏置電壓信號Vl和偏置電壓信號V2，MOS管M21的漏極與MOS管M23的源極和MOS管M24的源極相連，MOS管M22的漏極與MOS管M25的源極和MOS管M26的源極相連，MOS管M23的柵極與MOS管M25的柵極和反相器INV2的輸入端相連且為電流元的輸入端，反相器INV2的輸出端與MOS管M24的柵極和MOS管M26的柵極相連，MOS管M23的漏極與電阻Rl的一端相連，電阻Rl的另一端接地，MOS管M24的漏極與電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端接地，MOS管M25的漏極為電流元的輸出端，MOS管M26的漏極與MOS管M27的漏極和柵極相連，MOS管M27的源極接地。
5.根據權利要求I所述的具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，其特徵在於所述的電流方波檢測器由兩個電流比較器組成；所述的電流比較器由七個MOS管M31 M37和兩個反相器INV3 INV4組成；其中，MOS管M32的柵極與MOS管M31的柵極和漏極相連且為電流比較器的輸入端，MOS管M32的漏極與MOS管M33的漏極、MOS管M34的源極、MOS管M35的源極、MOS管M36的柵極和MOS管M37的柵極相連，MOS管M33的柵極接收給定的偏置電壓信號VB，MOS管M34的柵極與MOS管M35的柵極、MOS管M36的漏極、MOS管M37的漏極和反相器INV3的輸入端相連，MOS管M33的源極與MOS管M34的漏極和MOS管M37的源極相連並接電源電壓，MOS管M31的源極與MOS管M32的源極、MOS管M35的漏極和MOS管M36的源極相連並接地，反相器INV3的輸出端與反相器INV4的輸入端相連，反相器INV4的輸出端為電流比較器的輸出端。
6.根據權利要求I所述的具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，其特徵在於所述的時間差放大器由兩個互斥單元Ul U2和兩個或門ORl 0R2組成；其中，互斥單元Ul的第一輸入端與互斥單兀U2的第二輸入端相連且為時間差放大器的第一信號輸入端，互斥單兀U2的第一輸入端與互斥單兀Ul的第二輸入端相連且為時間差放大器的第二信號輸入端，互斥單元Ul的第一輸出端和第二輸出端分別與或門ORl的兩個輸入端相連，互斥單元U2的第一輸出端和第二輸出端分別與或門0R2的兩個輸入端相連，或門ORl的輸出端和或門0R2的輸出端分別為時間差放大器的第一信號輸出端和第二信號輸出端。
7.根據權利要求I所述的具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，其特徵在於所述的時數轉換器由m個時數轉換單元依次級聯而成；其中，第一時數轉換單元的第一輸入端和第二輸入端分別為時數轉換器的第一輸入端和第二輸入端，第i_l時數轉換單元的第一級聯端和第二級聯端分別與第i時數轉換單元的第一輸入端和第二輸入端相連，第m時數轉換單元的第一級聯端和第二級聯端均懸空，m個時數轉換單元的輸出端分別輸出延時控制信號對應的m位數字碼；i為自然數且2 < i < m。
8.根據權利要求7所述的具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，其特徵在於所述的時數轉換單元由一互斥單元U3和四個反相器INV5 INV8組成；其中，互斥單元U3的第一輸入端與反相器INV5的輸入端相連且為時數轉換單元的第一輸入端，互斥單元U3的第二輸入端與反相器INV7的輸入端相連且為時數轉換單元的第二輸入端，反相器INV5的輸出端與反相器INV6的輸入端相連，反相器INV7的輸出端與反相器INV8的輸入端相連，反相器INV6的輸出端和反相器INV8的輸出端分別為時數轉換單元的第一級聯端和第二級聯端，互斥單元U3的第一輸出端為時數轉換單元的輸出端。
9.根據權利要求6或8所述的具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，其特徵在於所述的互斥單元由兩個與非門NANDl NAND2和四個MOS管M41 M44組成；其中，與非門NANDl的第一輸入端和與非門NAND2的第一輸入端分別為互斥單兀的第一輸入端和第二輸入端，與非門NANDl的第二輸入端與第二與非門的輸出端、MOS管M41的源極、MOS管M43的柵極和MOS管M44的柵極相連，第二與非門的第二輸入端與第一與非門的輸出端、MOS管M43的源極、MOS管M41的柵極和MOS管M42的柵極相連，MOS管M42的源極與MOS管M44的源極相連並接地，MOS管M41的漏極與MOS管M42的漏極相連且為互斥單元的第一輸出 端，MOS管M43的漏極與MOS管M44的漏極相連且為互斥單元的第二輸出端。
全文摘要
本發明公開了一種具有時域誤差校正功能的電流舵數模轉換器，包括n+1條數模轉換通道和一時域誤差校正單元；數模轉換通道包括鎖存器、延時電路和電流元，時域誤差校正單元包括電流方波檢測器、時間差放大器和時數轉換器。本發明採用了時間差放大器和時數轉換器，存在於數模轉換器中的時域誤差可以被線性放大，並且直接轉化為數字量，所以時域誤差檢測的精度大大提高；且檢測微小的時域誤差變得更加容易和快速；同時本發明中的校正單元可完全採用數字電路得以實現，所以靜態功耗幾乎為零。
文檔編號H03M1/10GK102769470SQ20121026141
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月26日 優先權日2012年7月26日
發明者何樂年, 施琦鋒, 薛曉博 申請人:浙江大學