[发明专利]基于时间域的超低功耗比较器

说明书

技术领域

“基于时间域的超低功耗比较器”直接应用的技术领域是超低功耗模拟数字转换器电路设计，所提出电路是一类可以适用于主要高速低功耗ADC结构的重要模块。

背景技术

无线传感器网络(WSN)在社会和自然环境中具有越来越广泛的应用。由于无线传感器网络具有的可靠性和精确性的优势，尤其重点应用于军事，国家安全，医疗和环境观察等领域。一般无线传感器网络都是由大量传感器节点组成，由此使得功耗成为传感器网络设计的重要约束。因此，要求传感器节点中每个模块必须消耗很低的能量。

在WSN节点中一般集成一个模拟数字转换器(ADC)把来自传感器的模拟信号转换成数字信号并由处理器进行下一步的处理。为了达到超低功耗的要求，适用的ADC也应该是超低功耗的。(见参考文献Benton H.Calhoun，Denis C.Daly，Naveen Verma，Daniel F.Finchelstein，DavidD.Wentzloff，Alice Wang，Seong-Hwan Cho，and Anantha P.Chandrakasan，“DesignConsiderations for Ultra-Low Energy Wireless Microsensor Nodes”)逐次逼近型ADC(SARADC)是实现超低功耗ADC的一种合适的电路结构。这是因为，SAR ADC硬件电路比较少，只包括三个模块：数字模拟转换器(DAC)，比较器和数字逻辑模块。其中，比较器模块是消耗能量最多的模块。

传统比较器是先把输入电压转换成电流然后把这电流再转换成电压，最后用一个低功耗高速的锁存器(latch)来对所得的电压进行比较得到结果。在进行功耗优化时，这种比较器性能会有很大下降。为了降低这种比较器的失调，会在latch前边用一个或几个运放；但是这种方法会引入更大的功耗和复杂度。(见参考文献Naveen Verma，and Anantha P.Chandrakasan，“AnUltra Low Energy 12-bit Rate-Resolution Scalable SAR ADC for Wireless Sensor Nodes”，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，VOL.42，NO.6，JUNE 2007).

为了解决以上问题，可以采用基于时间域的比较器(TDC)。这种比较器结构非常简单而且消耗能量很低，并且可以应用到超低功耗SAR ADC的设计中。这种比较器的工作模式不同于传统比较器。它首先用一个电压-时间转换电路(VTC)把输入电压转换成时间，然后又通过一个触发器对时间作比较或锁定。代表性工作包括，Andrea Agnes et al提出的一种基于时间域的比较器.(见参考文献Andrea Agnes，Edoardo Bonizzoni，Piero Malcovati and Franco Maloberti，“A 9.4-ENOB 1V 3.8μW 100kSs SAR ADC with Time domain comparator”，2008 IEEEInternational Solid-State Circuits Conference).虽然Andrea Agnes所提出的时间域比较器可以达到很低的功耗，但是具有两个很大的缺点：首先，这个比较器工作的最高速度只有1.875MHz.这个使得ADC的最高采样率只有100KS/s。第二个问题是，在比较过程中会浪费很多能量；这是因为，在比较器已经做出比较结果后，VTC会继续放电。

发明内容

本发明的目的是在现有的时间域比较器电路的基础上做一定的改进，提出一种基于动态电压-时间转换器的时间域比较器结构。

本发明的特征在于：它含有：动态电压-时间转换电路和触发反馈控制电路，其中：

所述的动态电压-时间转换电路包含参考部分，输入部分和反馈部分；