[发明专利]噪声整形时间-数字转换器

说明书

技术领域

一般而言，本发明涉及时间-数字转换器，并且更具体地说，涉及噪声整形时间-数字转换器。

背景技术

时间-数字转换器(TDC)输出信号的每个输入脉冲的到达时间的数字表示。可以通过将一串反相器链接在一起形成TDC。通过反相器链传播起动脉冲，并用停止脉冲采样。起动脉冲经过的反相器数提供了从起动到停止的时间的数字测量。与这种类型TDC相关联的分辨率通常受到高度依赖于电流、电压和温度的反相器门延迟的限制。还有，TDC的线性因为装置不匹配而受限制，并且通常相对速度和分辨率进行折衷。需要比较小的反相器级来改进TDC的分辨率，因为小的反相器降低了寄生电容。然而，需要比较大的反相器级来改进装置不匹配和线性。可以使用数字校正技术和统计方法来线性化TDC的传递函数，但是分辨率仍受门延迟的限制。

另一种类型的TDC是利用两个延迟线之间的延迟差的微变延迟线。然而，装置不匹配对基于微变的TDC的线性具有甚至更大的负面影响。此外，需要非常长的延迟线来获得足够的动态范围。其它类型的TDC使用当时间周期测量起动时开启而当时间周期测量结束时关闭的环形振荡器。可以通过选通反相器单元进行开关。用这种方式开启和关闭环形振荡器当关掉时将TDC的内部节点设置成高阻态。当在高阻关状态期间环形振荡器的寄生电容保持它们的电压时发生噪声整形。基于环形振荡器的TDC可以获得比较高的分辨率，并抑制晶体管不匹配效应。

然而，高阻关状态产生了对噪声和泄露电流的大敏感性。例如，常规的基于环形振荡器的TDC遭受高泄露电流，高泄露电流在高阻态期间影响振荡器电压。对于过程缩放，泄露电流更差了，并且变得强烈依赖温度。此外，噪声电流被注入到高阻节点中，这也影响振荡器电压。而且，高阻节点电压在开关期间可能受电荷注入负面影响。在高阻态下由于上面提到的问题可能发生计数错误。常规的基于环形振荡器的TDC在停止时段和起动时段期间是高度电压相关的，从而降低了TDC的噪声整形性能。

发明内容

TDC包含在至少两个不同操作频率之间切换以获得未知时间量的准确数字化度量的振荡器。量化噪声整形由TDC实现以获得高度精确的时间测量结果。此外，通过加扰从晶体管器件之间的不匹配引入的误差来提高TDC的线性。TDC可以用在多种应用中，诸如数字锁相环(DPLL)中。在DPLL中使用高准确度TDC降低了量化噪声和对于滤波的需要。这又允许使用较高的带宽。较高的带宽改进了振荡器噪声滤波并降低了振荡器稳定时间(settling time)，节省了功率并允许使用发射器的极化调制方案。改进的TDC线性还取消了对用于补偿非线性的附加电路的需要，由此降低了电路复杂性、开发成本和功耗。

根据一个实施例，TDC包含数字控制振荡器、计数器电路和评估电路。数字控制振荡器在参考信号周期的第一部分期间操作在第一频率，而在参考信号周期期间作为关注信号与参考信号之间的时间差的函数将操作频率从第一频率改变到第二频率。计数器电路连续地对在参考信号周期期间在数字控制振荡器的输出有多少信号转变发生计数。评估电路基于在参考信号周期期间计数的信号转变数估计关注信号与参考信号之间的时间差。

当然，本发明不限于上述特征和优点。本领域的技术人员在阅读了如下详细描述并看了附图后将认识到附加特征和优点。

附图说明

图1是噪声整形时间-数字转换器的实施例的框图。

图2是例证生成用于控制图1时间-数字转换器的操作的脉冲信号的定时图。

图3-4是与图1时间-数字转换器的操作相关联的定时图。

图5是例证图1时间-数字转换器的计数和误差量化操作的曲线图。

图6-8例证了在变换成z域的不同级的图1时间-数字转换器。

图9-12例证了对于图1时间-数字转换器执行的校准模式的不同级。

图13是包含图1时间-数字转换器的数字锁相环的实施例的框图。

具体实施方式

图1例证了时间-数字转换器(TDC)100的实施例。TDC 100包含数字控制振荡器(DCO)110、计数器电路120、评估电路130和脉冲生成器140。TDC 100利用噪声整形提供非常高分辨率的时间测量结果。当TDC 100操作在高于关注信号(START)带宽多倍的频率(REF)时，TDC 100相比常规非噪声整形TDC具有比较高的信噪比(SNR)。此外，TDC 100通过朝较高频率移动量化噪声来执行量化噪声整形。可选地可以滤波高频噪声，这根据TDC 100采用的过采样比得出SNR的显著增加。