[发明专利]基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器

说明书

技术领域

本发明是关于一种基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器，这种比较器是现代先进工艺下低功耗模数转换器的重要模块。

技术背景

比较器是模数转换器不可缺少的组成部分。传统比较器主要由两个部分组成：预放大器(pre-amplifier)和锁存器(latch)。锁存器用来判断两个输入电压的大小关系，以二进制的方式输出(0或1)。由于工艺匹配和随机误差等非理想因素导致锁存器只能正确判断两个偏差足够大的电压，而在高精度模数转换器设计中这样的比较精度是远远不能接受的。因此采用预放大器将较小的输入偏差放大到锁存器能够处理的范围来解决这个问题。

随着芯片制造工艺的演进，芯片工作电压减小，晶体管本征增益减小，与此对应地，信号摆幅(swing)减小，预放大器增益减小，这也让比较器的设计变得愈发困难。为了达到模数转换器的设计指标往往需要增加比较器的功耗，这又不符合低功耗的设计理念。为了解决这一矛盾，将电压转换到时间域做比较成为了一种可行的替代方案。

D触发器(D flip-flop)用于时间域比较器中，起到传统比较器中锁存器的功能。因为D触发器能够判断出两个相隔很近的脉冲信号之间的先后关系，所以不需要加入预放大器，因此不但解决了这个设计矛盾，而且降低了功耗。不仅如此，D触发器作为典型的数字电路，随着芯片制造工艺的演进，速度更快，功耗更低。在时间域比较器中需要解决的问题是把电压信号转换到时间域，也就是脉冲宽度调制。

一种代表性的做法(见参考文献Andrea Agnes，Edoardo Bonizzoni，Piero Malcovati and Franco Maloberti，“A 9.4-ENOB 1V 3.8μW 100KS/s SAR ADC withTime Domain Comparator”，2008 IEEE International Solid-State Circuits Conference)是通过压控电流源对存储固定大小电荷的电容放电，较大的电压输入就能产生较大的电流，将这些电荷放完所需要的时间较小，以此产生相应脉冲宽度的数字信号。这种方法存在的缺点是，由于压控电流源是非线性的，所以对应的脉冲宽度调制也是非线性的，这在确定输入信号范围方面存在随工艺偏差而变化的问题。压控电流源的转换让脉冲调制电路的噪声性能较差，只能工作在较低的频率下(100KS/s)，而且由于使用了大电阻(125KΩ)导致芯片面积较大。

发明内容

本发明的目的在于通过提供一种基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器，在将电压转换到时间域的前提下，降低设计复杂度、减小芯片面积和降低功耗，并且能够用于模数转换器中完成时间域的比较。

本发明一种基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器，是采用以下技术手段实现的：包括：采样保持电路、放电电流源、过零检测电路和D触发器，采样保持电路中采样电容的上极板连接至过零检测电路和放电电流源构成线性脉冲宽度调制电路；待比较的两个输入信号通过两个相同的线性脉冲宽度调制电路分别输入到D触发器的数据和时钟输入端，其中：

前述采样保持电路包含一个开关S1、一个PMOS管M4、一个NMOS管M5和一个电容C，其中：输入信号经过前述开关S1连接到前述电容C的上极板；前述PMOS管M4和NMOS管M5作为虚拟开关连接到前述电容C的上极板；

前述放电电流源包含一个NMOS管M1，栅极连接固定偏置，源极连接到地，漏极连接到前述电容C的上极板；

前述过零检测电路包含两个反相器N1，N2、一个PMOS管M3、一个NMOS管M2和一个电阻R，其中：前述PMOS管M3的源极连接到电阻R的一端，栅极由采样时钟控制，漏极连接到前述NMOS管M2的漏极；电阻R的另一端连接到电源；前述NMOS管M2的栅极连接到前述电容C的上极板，漏极通过前述的两个反相器级联输出；

前述的D触发器需要采用对称结构。

本发明一种基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器，与现有技术相比，具有以下明显的也是和有益效果：

由于放电电流源采用1∶1的电流镜设计，所以采样保持电路输入较大的电压就能在指定电容上存储较多的电荷，在相同大小电流源放电的情况下，存储电荷较多的电容会较晚发生翻转，从而对应较大脉冲宽度的输出数字信号。采样电容的大小由比较精度根据噪声性能来确定。电流镜和采样电容的匹配精度会决定时间域比较器的精度。