[发明专利]具有高线性度的电压时间转换器

说明书

本发明属于集成电路技术领域，具体为具有高线性度的电压时间转换器。本发明电压时间转换器，由两条等比速率的充放电路径组成；每条充放电路径都包含控制开关、以晶体管组成的电流源和反相器。本发明将两路径中其中一条的放电电压节点VOUTP提高大于VDD来改善电压时间转换器的线性度，以及得到更大的输出范围，并使另外一条路径的放电电压节点VOUTN小于VDD来缩小电压时间转换器产生的固定延时，以提高转换速率，藉由控制信号CKS₁、CKS₂和CKS₃的运作来避免额外的功率消耗。此外，本发明使用定电流充放电，以实现稳定的转换增益，并设计一个校正信号Vgain，以避免增益不受工艺、温度以及电源电压影响。

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及电压时间转换器。

背景技术

目前随着工艺越来越先进，许多低功耗的设计可以使用更低的电源电压，但也因此导致一些模拟电路的性能受到影响。以传统的闪存模拟数字转换器以及闪存时间数字转换器为例，传统的闪存模拟数字转换器其量程(full scale)的范围由电源电压决定，所以如果需要实现一个高精度的模拟数字转换器，其电压分辨率可能会到μ量级或更小，导致比较器的设计要求提高；闪存时间数字转换器的量程范围和操作频率有关，其精度主要由延时链中的最小延时决定，而随着工艺进步，晶体管中的最小延时变小，于是对于闪存时间数字转换器来说，其精度以及速度可以得到提升。此外，时间域信号处理电路还可以使用数字电路来实现，以降低功率消耗。

文献[1]中提出的应用于基于时间域的模拟数字转换器的高线性度电压时间转换器，在动态放大器的基础上加入了一对输入差动对来调整增益，但其对增益误差的改善程度有限，且差动对输入电压的漂移对于增益有很大的影响，因此这对于差动对输入电压的设计有很大的挑战。而文献[2]则是提出一种基于采样的电压时间转换器，其运作原理也是使用电容充放电的方式将电压信号转换为时间信号。但和一般传统的动态放大器有些不同的地方，文献[2]的电路中有一条额外的路径来决定电容是否放电至地，此路径上会有静态电流的产生，于是整体电路消耗功率较大。

文献[3]主要提出一个稳定斜率充放电的数字时间转换器，使用数字模拟转换器产生仿真电压信号输入至斜坡产生器，因此斜坡产生器会产生一个以该仿真电压为放电起点的斜坡信号，之后由反相器转换为时间信号。而本发明以文献[3]的原理为基础来实现一个具有高线性度的电压时间转换器，将电压直接输入至电压时间转换器中，并使用两条电流源以输入电压为起点电压进行等比速率充放电。相较于以动态放大器为基础的电压时间放大器，本发明可以达到更稳定的转换增益以及更快的转换速度，并根据控制信号的工作以节省功率消耗。此外，由于定电流的设计，使得转换增益不会随着输入信号改变而改变，但转换增益仍会受到工艺、温度以及电源电压的影响，于是本发明设计一个控制电压信号Vgain，针对其中一个电流源去进行增益校正，以稳定整个电压时间转换器的转换增益。

参考文献

[1] K. Ohhata, A 2.3-mV, 1-GHz, 8-Bit Fully Time-Based Two-Step ADCUsing a High-Linearity Dynamic VTC, in IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol. 54, no. 7, pp. 2038-2048, April 2019.

[2] P. Osheroff, G. S. La Rue, and S. Gupta, A Highly Linear 4GS/sUncalibrated Voltage-to-Time Converter with Wide Input Range, 2016 IEEEInternational Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Montreal, Canada,2016, pp. 57-60.