[发明专利]一种用于时间域模数转换器的电压时间转换器

说明书

本发明公开了一种用于时间域模数转换器的电压时间转换器，应用于低功耗高精度的时域模数转换器。本发明提出的电压时间转换器，通过结合结合电流饥饿技术、电流镜技术和体偏置技术的优势，与传统结构相比，本发明实现了低功耗、高线性度、宽输入动态范围和抗PVT变化能力强等优良性能。相比于传统的电压时间转换器具有更宽的输入动态范围和更高的线性度；输入电压作为晶体管的体端电压被接入电路中，体端的电流很小，没有明显地增加功耗，实现了低功耗电压时间转换器设计。

技术领域

本发明应用于时间域模数转换器,涉及一种高线性度和宽输入动态范围的电压-时间转换器的设计方法。

背景技术

随着半导体工艺的不断发展，晶体管纳米尺寸的不断降低，电源电压的降低使得电压域ADC的发展迎来了新的挑战。先进工艺制程的电源电压低至1V以下，纯模拟电路的输入输出电压摆幅下降，热噪声等非理想因素和阈值电压却无法等比例下降，这会导致电路的信噪比、线性度等指标的衰减，对传统电压域ADC的性能产生负面作用。相比于电压域ADC，时间域的信号处理方式可以充分利用工艺缩放的优势，随着CMOS工艺的不断进步，电路的传输延时也不断降低，这将带来时间分辨率的提高。时域ADC分为电压-时间转换(Voltage to Time Converter,VTC)和时间-数字转换(Time to Digital Converter,TDC)两个步骤。然而VTC的关键单元易受晶体管失配、噪声电容、时钟偏斜与抖动等非理想因素影响，难以做到真正的线性化设计，从而影响了整体ADC电路的动态性能。

VTC的性能主要受到两个缺点的限制：第一是输入模拟电压与输出延迟之间的非线性关系，它将直接导致输入电压到输出数字码之间的转换错误，这是由晶体管的饱和电流公式决定的，而且该非线性还将随着输入电压的增加而增加；第二是输入信号的动态范围受限，无法做到轨到轨输入。目前使用简单电流饥饿型反相器构成的VTC，输入电压连接到电流饥饿型的NMOS管对应的栅极，这就意味着输入电压必须大于晶体管的阈值电压才能产生从输出到地(gnd)的信号通道。目前国际上提出一种电压-时间转换器[T.Watanabeand T.Terasawa,An all-digital A/D converter TAD with 4-shift-clockconstruction for sensor interface in 0.65-μm CMOS[C],2010Proceedings ofESSCIRC,2010,178-181.]，该电路将输入电压作为标准反相器的供电电压成功实现V/T转换过程，但线性输入范围只有200mV，无法满足ADC的应用要求。

为了扩展VTC的线性范围，目前文献[N.Samimian,M.Mousazadeh and A.Khoie,ATime-based All-Digital Analog to Digital converter for IOT Applications[C].Iranian Conference on Electrical Engineering(ICEE),2019,249-252.]提出使用电流饥饿技术和电流镜技术，可以很大程度上提高时域模数转换器的各项性能指标，极大地扩展了电路的动态输入范围。由于晶体管漏极电流与栅源电压的二次方关系，该电路仍无法实现轨到轨动态输入范围的设计目标。

发明内容

本发明通过结合电流饥饿技术、电流镜技术和体偏置技术的优势进行电压-时间转换器设计，实现轨对轨的极宽动态输入范围和高线性度等优良特性。

本发明基于体偏置技术产生的体源电压，使得饥饿晶体管产生高度线性的漏极电流；因此，本发明技术方案为一种用于时间域模数转换器的电压时间转换器，该电压时间转换器的电路结构包括：PMOS晶体管M1和NMOS晶体管M2，电流饥饿NMOS晶体管M3，具有固定偏置的NMOS晶体管M4，与M3共同构成电流镜结构的NMOS晶体管M5，带体偏置输入的NMOS晶体管M6和PMOS晶体管M7，电容C；