多輸出時間數字轉換器的製作方法

2023-10-06 12:50:19 1

專利名稱：多輸出時間數字轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及多輸出時間數字轉換器。
背景技術：
時間數字轉換器(TDC)在許多應用中日益普及，這些應用包括 飛行時間的測量、鎖相環(PLL)中的檢相器、數據轉換器、高速信 號捕捉、解調器以及其它測量或儀器應用。例如，TDC已經在用於交 通測速相機的脈沖飛行時間雷射雷達、毫米精度的物體#r測及定位、 防碰撞雷達和接近傳感器(proximity sensor )等等中實現。這些應用 通常需要在高動態範圍內的精確的單步(single-shot)測量。隨著現代亞微米CMOS技術的最小特徵尺寸的縮減，TDC在其 它應用中也非常有用。這種情況是當用TDC替代縮放很差(badly scaling)的模擬電路是有益的時。因為技術縮放(technology scaling ) 意味著電壓縮放而噪聲不隨之縮放，所以可變性(variability)變得更 加重要。這需要在模擬電路投入更多動力(effort),這導致功耗增加。 然而數字速度確實隨著技術而縮放。儘管數字電路的魯棒性與可變性 有所折衷，但更多的是保留數字電路的魯棒性。然而，因為TDC直 接地獲益於增強的速度性能，所以尤其是對於亞100納米(sub-100nm) 技術節點的設計而言，從模擬5"數字時域的切換能夠顯著地減少用於 同等性能的功耗。關於這點，用於模數轉換器(ADC)的替代方案結合高精度TDC 使用過異步△ E調製器(Delta-Sigma Modulator ) ( ADSM ) 。 ADSM 將模擬輸入u(t)轉換為佔空比調製的方波y(t)，該方波具有下式的極 卩艮環步貞率(limit cycle frequency ) f|c，flc = ( TT /2h) fint其中h為比庫交器的滯後值(hysteresis value )而fint為積分器(integrator ) 的單位增益頻率。方波的時間信息是用返回數字值m[k]的TDC來測 量的。最終使用數字解調算法來將方波解調回初始輸入信號，但其現 在是數字形式z[k]。可以進一步通過將ADSM、 TDC和解調器布置在n階A E環路 (n-th order delta-sigma loop )中而減少帶內噪聲，該n階△ E環路將 TDC的量化噪聲整形(shape)到較高頻率。多位(multi-bit)反饋環路的主要缺陷在於需要高精確度的數模 轉換器(DAC)，其必須具有與整個轉換器相同的線性要求。要在 TDC輸出中實現得具有更高的位數則更加困難，這使得就面積和功率 消耗而言DAC是非常昂貴的部件。


參考附圖描述了詳細說明。在說明和附圖中的不同實例中使用相 同的附圖標記可以表示類似或同樣的項。圖1是具有包括了多輸出時間數字轉換器的信號處理部件的裝置 的示意圖。圖2是採用多輸出TDC進行模數轉換的一個示例性系統的示意圖。圖3是一個示例性TDC的示意圖。圖4是示出了測量輸入信號並生成來自TDC的多輸出信號的示 例性方法400的流程圖。
具體實施方式
本文中所說明的至少 一 個實施方式包括被配置成執行模數信號 轉換的 一 種系統。該系統可以在無線裝置上實現並且可以包括 一 個或 多個電子部件，所述電子部件被配置成接收輸入信號和反饋信號並且 提供作為輸出的二進位(binary)連續時間信號。該系統也可以包括 時間數字轉換器(TDC)，其被配置成接收二進位連續時間信號並且 提供多級(multilevel)離散時間和離散幅度(amplitude)信號以及二 進位離散時間信號。還披露了 一種包括用以接收二進位連續時間信號的輸入端子的 TDC。 TDC可為第一輸出端子提供多級離散時間和離散幅度信號。 TDC也可把二進位離散時間信號提供到第二輸出端子。還披露了 一種用於使用時間數字轉換器來處理信號的方法。該方 法包括將二進位連續時間信號輸入到時間數字轉換器，生成多級離散時間和離散幅度信號，並且生成二進位離散時間信號。 示例性裝置圖1示出了用於處理信號的一種示例性裝置100。該裝置IOO(諸 如無線裝置)可具有一個或多個信號處理部件102。該裝置100可以 是行動電話、無線媒體裝置、個人計算機或其它電子裝置。例如，裝 置100可以是個人數字助理(PDA)、媒體播放器裝置、可攜式遊戲 裝置、GPS裝置、無線接入點(WAP)和/或任何其它適當的裝置。信號處理部件102處理從與裝置100相關聯的各種源接收到的信 號，這些源包括但不限於天線104，處理器106,存儲器108，用戶 接口 110,等等。信號處理部件102可包括用以執行模數轉換的系統 112，諸如以模數轉換器(ADC)為例。系統112可包括時間數字轉 換器(TDC) 114,這將在下面進行更詳細的闡明。本領域技術人員將領會到，圖l是示例性示意圖。因而，裝置100 的某些細節(包括模數轉換系統112和時間數字轉換設備114)已經 為討論簡單起見而^皮省略。示例性系統圖2示出了模數轉換系統112的一個實施方式。該系統112可包 括一個或多個電子部件(統稱為部件202 ),其被配置成接收輸入信 號u(t)和反饋信號ya(t)並且提供二進位連續時間信號y(t)。該系統也 可以包括TDC 114，其被配置成接收二進位連續時間信號y(t)並且提 供多級離散時間和離散幅度信號m以及二進位離散時間信號ys(t)。該系統112被配置為具有反饋路徑203的模數轉換器(ADC), 該反饋路徑203大致在圖中以虛線示出。輸入信號u(t)被提供到節點 204並且與反饋信號y"t)組合。該組合的信號被提供到積分器206。 積分器206提供信號x(t)到中繼器(relay) 208,該中繼器輸出脈寬調 制的二進位連續時間信號y(t)到TDC 114。 TDC 114執行對信號y(t) 的測量並且生成信號m和ys(t)。 二進位離散時間信號ys(t)被提供到數 模轉換器(DAC ) 210，該DAC生成反饋信號ya(t)。 DAC 210可以是 單一位(single bit)的DAC，以節省面積和功率並且增加反々齎路徑203 的速度。反饋路徑203可以被配置成採用二進位離散時間信號ys(t)來執行噪聲整形功能。出於說明性目的，在圖2中示出了一些示例性波形；然而，可以通過系統U2傳播或處理其它波形。信號m是多級離散時間和離散幅度信號，其攜載關於脈寬調製信 號y(t)的邊緣的信息。信號m被提供給解調器212。解調器212可以 是本領域所熟知的常規解調器，其解調信號m。解調器212提供解調 信號z(t)作為模擬輸入信號u(t)的數字表示。本質上，信號m可以是異步或同步的。例如，可以提供可選的時 鍾信號cp到TDC 114。信號m可以相對於這個時鐘信號cp而同步。替 代地，可以操作TDC而不參考時鐘信號cp以生成異步離散時間和離 散幅度信號m。示例性時間數字轉換器圖3例示了 一個示例性TDC 114。 TDC114可包括用以接收二 進位連續時間信號y(t)的輸入端子302;用以提供多級離散時間和離 散幅度信號m的第一輸出端子304;以及用以提供二進位離散時間信 號ys(t)的第二輸出端子306。 TDC 114可以可選地具有第二輸入端子 308以接收時鐘信號cp,其中第二端子308用虛線被標註為可選的。TDC 114可包括耦合到第二輸入端子308以接收時鐘信號cp的延 遲線部件310。延遲線部件310可以是具有多個延遲元件的多相部件。 延遲線部件310生成多相信號cp"，其中n對應於延遲線中的延遲元 件的數目。延遲線部件310可以根據公知技術而配置並且可具有延遲元件的 線性或環形布置。每個延遲元件可包括例如兩個反相器和交叉耦合 (cross-coupled)的反相器對以使輸出保持相反相。延遲元件可以是 用電壓控制的負載電容而可調的，從而使得時間解析度可以在60與 150 ps之間變動。延遲線部件310的總延遲不需要被鎖定為參考時鐘的周期。然而， 延遲線應當具有充足的長度以至少覆蓋整個時鐘周期，具有一些額外 的裕量(extra margin )來解決由電源噪聲導致的延遲變動、溫度變化 和過程變動。這可以通過將延遲單元(delay cell)的延遲預設為較高 值從而降低較低工作頻率的解析度來保證。TDC 114也可包括耦合到第一輸入端子302以對二進位連續時間信號y(t)採樣的採樣保持(sample-and-hold )部件312。採樣保持部件 312也可被耦合到延遲線310來接收多相信號(p"。採樣保持部件312 可以是多相的且可包括n個採樣保持雙穩態多諧振蕩器或觸發器，其 在參考時鐘(pG.n的不同相位處對輸入y(t)進行採樣。觸發器可以是差 動觸發器(differential flip flop ),其基本上一皮同時觸發以確定連續時 間信號y (t)中的 一 個或多個脈沖邊緣。採樣保持部件312提供多相連續時間信號y",其可以被測量部 件314和發生部件316採用。測量部件314被耦合到採樣保持部件312以接收多相連續時間信 號y"。測量部件316提供多級離散時間和離散幅度信號m到第一輸 出端子304。測量部件314可包括用於同步和邊緣檢測的電路。可以 採用信號m來生成數位訊號z(t)。發生部件316也被耦合到採樣保持部件312以接收多相連續時間 信號y"。發生部件316可以是數字時間轉換器或其它適當的裝置以 提供作為方波的二進位離散時間信號ys(t)到第二輸出端子306。 二進 制離散時間信號y力)可具有類似於y(t)的屬性，然而，二進位離散時間信號y s (t)具有已經被時間量化的脈衝邊緣。信號y(t)的1位量化信號ys(t)是通過取y(t)採樣信號的"或(OR)" 和"與非(NAND)"函數而形成的。"或"函數生成了置位(SET) 信號，該置位信號的上升沿的位置對應於最接近輸入的上升沿的時鐘 相位，而"與非"函數生成了重置(RESET)信號，該重置信號的上 升沿的位置對應於最接近輸入的下降沿的時鐘相位。通過使用置位/ 重置(SR)-鎖存器(latch),最終生成了量化的輸出。示例性方法圖4是示出了一種測量連續時間信號的佔空比並且生成時間量化 的多級離散時間和離散幅度信號的示例性方法400的流程圖。示例性 方法的細節在下面加以描述。然而，應當理解某些動作不需要按所述 順序執行，且可以被修正，和/或可以被完全省略，這取決於情況。而 且，所述動作可以由計算機、處理器或其它計算裝置基於儲存在一個 或多個計算機可讀介質上的指令而實施。計算機可讀介質可以是可由 計算裝置訪問以實施其上所儲存的指令的任何可用介質。在402處，二進位連續時間信號被輸入到TDC內，諸如TDC 114。 連續時間信號(例如圖3中的y(t))可以被脈寬調製。在404處，生成了多級離散時間和離散幅度信號。多級離散時間 和離散幅度信號(例如m)可以由測量部件(諸如測量部件314)生 成。多級離散時間和離散幅度信號以數字形式表示對連續時間信號的 佔空比寬度的測量。在406處，生成了 二進位離散時間信號。二進位離散時間信號(例 如y"t))可以由發生部件(諸如數字時間轉換器)生成。在408，將二進位離散時間信號提供給反饋路徑以生成反饋信號。 反饋信號可以是使用DAC來將二進位離散時間信號轉換為模擬形式 而生成的。在410處，反饋信號與輸入信號結合以提供二進位連續時間信號， 其隨後可如上所述被輸入到TDC。在412處，可選的時鐘信號(使用虛線而標註為可選的)可以被 提供到時間數字轉換器。這允許將多級離散時間和離散幅度信號同步 到時鐘信號。結論為了本公開及所附權利要求的目的，術語"耦合"和"連接"可 用於說明各種元件如何對接(interface)。各種元件的這種所述對接 可以是直接或間接的。儘管已經以針對結構特徵和/或方法動作的語言 描述了主題，但應理解到在所附權利要求中限定的主題不一定限於所 述的具體特徵或動作。相反，具體特徵和動作是作為實施權利要求的 示例形式而4皮露的。
權利要求
1.一種被配置成執行模數信號轉換的系統，該系統包括一個或多個電子部件，被配置成接收輸入信號和反饋信號並且提供作為輸出的二進位連續時間信號；和時間數字轉換器，被配置成接收二進位連續時間信號並且提供多級離散時間和離散幅度信號以及二進位離散時間信號。
2. 根據權利要求1所述的系統，其中多級離散時間和離散幅度信 號是同步的。
3. 根據權利要求1所述的系統，其中多級離散時間和離散幅度信 號是異步的。
4. 根據權利要求1所述的系統，其中二進位離散時間信號被提供 到反饋路徑。
5. 根據權利要求4所述的系統，其中反饋路徑包括單一位的數模 轉換器以提供反饋信號作為模擬反饋信號。
6. 根據權利要求5所述的系統，其中電子部件包括耦合到積分器 的節點和耦合到積分器的中繼器，其中節點被配置成能實現輸入信號與通過反饋路徑提供的反饋信號相組合併且提供組合的信號作為輸 出，且其中中繼器被配置成接收組合的信號並提供二進位連續時間信 號作為輸出。
7. 根據權利要求1所述的系統，其中時間數字轉換器被配置成接 收時鐘信號。
8. 根據權利要求4所述的系統，其中反饋路徑被配置成採用二進 制離散時間信號來執行噪聲整形功能。
9. 根據權利要求1所述的系統，還包括解調器，該解調器被配置 成接收多級離散時間和離散幅度信號並且提供對應於多級離散時間 和離散幅度信號的經解調的信號。
10. —種無線裝置，包括根據權利要求1所述的模數轉換系統。
11. 一種時間數字轉換器，包括 輸入端子，用以接收二進位連續時間信號； 第一輸出端子，用以提供多級離散時間和離散幅度信號；和 第二輸出端子，用以提供二進位離散時間信號。
12. 根據權利要求11所述的時間數字轉換器，其中輸入端子是第一輸入端子，時間數字轉換器還包括用以接收時鐘信號的第二輸入端 子。
13. 根據權利要求12所述的時間數字轉換器，還包括 延遲線部件，耦合到第二輸入端子用以接收時鐘信號並且生成多相信號；採樣保持部件，耦合到第 一輸入端子用以接收二進位連續時間信 號並且耦合到延遲線用以接收多相信號，該採樣保持部件提供多相連 續時間信號；測量部件，耦合到採樣保持部件用以接收多相連續時間信號，測 量部件還耦合到第 一輸出端子用以提供多級離散時間和離散幅度信 號；和發生部件，耦合到採樣保持部件用以接收多相連續時間信號，發 生部件還耦合到第二輸出端子用以提供二進位離散時間信號。
14. 根據權利要求13所述的時間數字轉換器，其中延遲線部件、採樣保持部件、以及測量部件是多相部件。
15. 根據權利要求13所述的時間數字轉換器，其中延遲線部件具 有延遲元件的線性布置。
16. 根據權利要求13所述的時間數字轉換器，其中延遲線部件具 有延遲元件的環形布置。
17. 根據權利要求13所述的時間數字轉換器，其中發生部件包括 數字時間轉換器。
18. —種使用時間數字轉換器來處理信號的方法，該方法包括 將二進位連續時間信號輸入到時間數字轉換器中， 生成多級離散時間和離散幅度信號；以及 生成二進位離散時間信號。
19. 根據權利要求18所述的方法，還包括將時鐘時間信號輸入到時間數字轉換器中；以及 將多級離散時間和離散幅度信號同步到時鐘信號。
20. 根據權利要求18所述的方法，還包括將二進位離散時間信號提供給反饋路徑以生成反饋信號；以及 用輸入信號處理反饋信號以提供二進位連續時間信號。
全文摘要
本發明涉及多輸出時間數字轉換器。披露了多輸出時間數字轉換器(TDC)和結合了該多輸出TDC的模數轉換器(ADC)。本發明涉及一種被配置成執行模數信號轉換的系統，該系統包括一個或多個電子部件，被配置成接收輸入信號和反饋信號並且提供作為輸出的二進位連續時間信號；和時間數字轉換器，被配置成接收二進位連續時間信號並且提供多級離散時間和離散幅度信號以及二進位離散時間信號。本發明還涉及一種使用時間數字轉換器來處理信號的方法。
文檔編號H03M1/50GK101577549SQ20091013296
公開日2009年11月11日 申請日期2009年4月3日 優先權日2008年4月4日
發明者A·韋斯鮑爾, D·史特勞斯尼格, J·丹尼斯, L·赫南德茨, W·德海恩 申請人:英飛凌科技股份有限公司