用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路，包括：比較器、與非門和非門，其中，比較器的第一、第二輸出端分別與與非門的第一、第二輸入端相連，用于對輸入的電壓信號進行比較，并將比較結果輸入與非門；與非門通過其第三輸入端接收門控信號，并根據(jù)門控信號和比較器輸出結果生成輸出信號；非門的輸入端同與非門的輸出端相連，用于根據(jù)輸出信號生成多相時鐘信號。本發(fā)明的實施例基于門控環(huán)形振蕩器的原理，排除了與異步逐步逼近邏輯之間的高速逐位交互操作，使得用于異步轉換的環(huán)路更加簡單，進而減少逐步逼近模數(shù)轉換器異步轉換的時間和提高轉換速度。本發(fā)明還提供了一種用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的控制邏輯電路。
【專利說明】用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路
【技術領域】[0001]本發(fā)明涉及微電子【技術領域】，特別涉及一種用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路及具有其的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的控制邏輯電路。
【背景技術】
[0002]模數(shù)轉換器(ADC)可實現(xiàn)將模擬信號轉換為數(shù)字信號的功能，目前常有的結構有快閃型ADC，流水線型ADC，過采樣型ADC，逐步逼近型ADC等。逐步逼近型ADC(即SARADC)作為其中一種類型的ADC，由于其在速度、精度及功耗等方面具有較好的折中而被廣泛研究與應用。與相同分辨率的同步SAR ADC相比，異步SAR ADC不僅可以實現(xiàn)更高速率的轉換速度，而且可以避免使用頻率比采樣率更高的時鐘，降低因高速時鐘導致的功耗，因此異步SAR ADC具有更加廣闊的應用空間。例如，對于一個10-bitl00MS/s的SAR ADC，若采用同步SAR ADC實現(xiàn)，則需要至少IGHz的同步時鐘產(chǎn)生電路；而若采用異步SAR ADC實現(xiàn)，則只需要一個頻率與采樣頻率等同的時鐘即可，即100MHz。
[0003]異步SAR ADC采用同步采樣，異步轉換完成逐步逼近的功能實現(xiàn)將模擬信號轉換為數(shù)字信號，對于一個N-bit的異步SAR ADC，需要N+1次操作完成一個轉換周期，其中第一次實現(xiàn)同步采樣功能，剩余的N次實現(xiàn)異步轉換功能。由于用于N次異步轉換的時間與用于第一次同步采樣的時間基本相等，都必須在半個輸入時鐘周期內完成，因此需要一個多相時鐘產(chǎn)生電路來產(chǎn)生多相時鐘，來控制實現(xiàn)N次異步轉換。
[0004]多相時鐘主要通過級聯(lián)延遲單元實現(xiàn)，具體實現(xiàn)電路有環(huán)形振蕩器、延遲鎖相環(huán)等。環(huán)形振蕩器通過將幾個延遲單元首尾相連構成一個環(huán)形，再由該環(huán)振蕩產(chǎn)生多相時鐘。延遲鎖相環(huán)通過鎖相環(huán)技術對延遲單元電路實現(xiàn)電壓控制延遲線從而提供精確的多相時鐘。然而，在異步SAR ADC中，傳統(tǒng)的多相時鐘產(chǎn)生方法是通過多個單次負脈沖產(chǎn)生器(SNPG)產(chǎn)生多個負脈沖，然后由一個時鐘合成器將這些負脈沖合成為一個多相時鐘，如圖1a至圖1c所示，圖1a為單次負脈沖產(chǎn)生器的電路圖，圖1b為其時序圖，圖1c示出了傳統(tǒng)的基于單次負脈沖產(chǎn)生器的多相時鐘產(chǎn)生電路。多相時鐘是由多個延遲不同的單次負脈沖產(chǎn)生器，最后通過一個時鐘合成器(AND)產(chǎn)生的；對于每個時鐘相的產(chǎn)生,需要從異步SAR邏輯到多相時鐘產(chǎn)生電路的高速逐位交互操作。圖2為傳統(tǒng)的多相時鐘產(chǎn)生電路用于觸發(fā)異步SAR控制邏輯的電路圖。如圖2所示，對于單比特轉換，環(huán)路所需的時間及用于模擬信號建立的時間分別為:
[0005]tloop_con_tcomp+txor+tand2+tdff+tnpg+tandn? (丄)
[0006]tdac—Ctnpg+tandn-tmdiTt。!.。(2)
[0007]其中，tcomp表示比較器的延遲時間，tXOT表示異或門的延遲時間，tand2表示二輸入與門的延遲時間，tdff表示觸發(fā)器的延遲時間，tnpg表示負脈沖產(chǎn)生器的延遲時間，tandn表示η輸入與門的延遲時間。
[0008]單比特轉換期間，所需的冗余時間(即環(huán)路時間減去模擬信號建立的時間)為:
[00〇9] tdcon=tcomp+txor+tand2+2tdff+toro (3)[0010]因此，由該方式產(chǎn)生的多相時鐘去觸發(fā)異步SAR邏輯，使得每一步轉換的控制環(huán)路較為復雜，環(huán)路延時及冗余的時間較多，也使得用于模擬信號建立的時間較少。

【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明旨在至少解決上述技術問題之一。
[0012]為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路，該電路基于門控環(huán)形振蕩器的原理，排除了與異步逐步逼近邏輯之間的高速逐位交互操作，獨立地產(chǎn)生高速多相時鐘，使得用于異步轉換的環(huán)路更加簡單，進而減少逐步逼近模數(shù)轉換器異步轉換的時間和提高轉換速度。
[0013]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的控制邏輯電路。
[0014]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面的實施例提供了一種用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路，包括:比較器、與非門和非門，其中，所述比較器的第一輸出端和第二輸出端分別與所述與非門的第一輸入端和第二輸入端相連，所述比較器用于對輸入的電壓信號進行比較，并將比較結果輸入所述與非門；所述與非門通過其第三輸入端接收門控信號，并在所述門控信號控制下，所述與非門用于根據(jù)所述比較結果生成輸出信號；所述非門的輸入端與所述與非門的輸出端相連，用于根據(jù)所述輸出信號生成多相時鐘信號。
[0015]根據(jù)本發(fā)明實施例的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路，通過比較器、與非門和非門構成門控環(huán)形振蕩器，并基于門控環(huán)形振蕩器的原理，排除了與異步逐步逼近邏輯之間的高速逐位交互操作，獨立地產(chǎn)生高速多相時鐘，使得用于異步轉換的環(huán)路更加簡單，從而簡化了異步逐步逼近模數(shù)轉換器控制邏輯的設計，另外，該電路還可減少逐步逼近模數(shù)轉換器異步轉換的時間和提高轉換速度，從而滿足用戶的需求。
[0016]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路還可以具有如下附加的技術特征:
[0017]在一些示例中，在所述門控信號的控制下，所述比較器和所述與非門可用串聯(lián)的第一反相器和第二反相器替代。
[0018]在一些示例中，所述多相時鐘信號的每個相位的翻轉由所述比較器的比較結果觸發(fā)。
[0019]在一些示例中，還包括:所述與非門還用于根據(jù)輸入的所述門控信號調節(jié)所述多相時鐘信號的相位數(shù)目。
[0020]在一些示例中，還包括:延遲單元，所述延遲單元用于調節(jié)所述電路的振蕩速度。
[0021]在一些示例中，所述延遲單元的數(shù)量可調。
[0022]本發(fā)明第二方面的實施例還提供了一種用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的控制邏輯電路，包括本發(fā)明第一方面實施例提出的所述用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路。
[0023]根據(jù)本發(fā)明實施例的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的控制邏輯電路，通過比較器、與非門和非門構成門控環(huán)形振蕩器，并基于門控環(huán)形振蕩器的原理，排除了與異步逐步逼近邏輯之間的高速逐位交互操作，獨立地產(chǎn)生高速多相時鐘，使得用于異步轉換的環(huán)路更加簡單，從而簡化了異步逐步逼近模數(shù)轉換器控制邏輯的設計，另外，該異步逐步逼近模數(shù)轉換器還可減少異步轉換的時間和提高轉換速度，從而滿足用戶的需求。
[0024]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0026]圖1a至圖1c為傳統(tǒng)的基于單次負脈沖產(chǎn)生器的多相時鐘產(chǎn)生電路的電路示意圖；
[0027]圖2為傳統(tǒng)的多相時鐘產(chǎn)生電路用于觸發(fā)異步逐步逼近控制邏輯的電路示意圖；
[0028]圖3a至圖3c為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘廣生電路的原理不意圖；
[0029]圖4a至圖4b為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路的兩個等效電路圖；
[0030]圖5a至圖5b為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路的具體實現(xiàn)的電路示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0032]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0033]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。
[0034]以下結合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路及具有其的異步逐步逼近模數(shù)轉換器。圖3a至圖3c為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路的原理示意圖。
[0035]如圖3a所示，根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路，包括比較器110、與非門120和非門130。
[0036]其中，比較器110的第一輸出端和和第二輸出端分別與與非門120的第一輸入端和第二輸入端相連，比較器110用于對輸入的電壓信號進行比較，并將比較結果輸入與非門 120。
[0037]與非門120通過其第三輸入端接收門控信號(即圖3a中的GT信號)，并根據(jù)該門控信號和上述得到的比較結果生成輸出信號。更為具體地，即與非門120的第三輸入端接入門控信號GT，并在該門控信號GT的控制下，根據(jù)比較器110輸出的比較結果生成輸出信號。
[0038]非門130的輸入端和與非門120的輸出端相連,用于根據(jù)與非門120輸出的輸出信號生成多相時鐘信號。其中，在本發(fā)明的一個實施例中，生成的上述多相時鐘信號的每個相位的翻轉由比較器110的比較結果觸發(fā)。
[0039]結合圖3a和圖3b所示，該多相時鐘產(chǎn)生電路具體工作過程如下:當門控信號GT為低電平時，與非門120的輸出為高電平，非門130的輸出為低電平，多相時鐘信號CKC為低電平，此時比較器110處于復位狀態(tài)，比較器110的輸出Q及QB同時為高電平；當門控信號GT為高電平時，與非門120的輸出為低電平，非門130的輸出為高電平，多相時鐘信號CKC為高電平，此時比較器110處于比較狀態(tài)，當比較器110完成判斷時，比較器110的輸出Q或QB有且僅有一個為高電平，因此，與非門120的輸出變?yōu)楦唠娖?，非門130的輸出為低電平，多相時鐘信號CKC為低電平，比較器110又進入復位狀態(tài)，如此往復進行，即可產(chǎn)生多相時鐘信號CKC，直到門控信號GT為低電平的時候，振蕩才停止。
[0040]其中，更為直觀地，上述的比較器110、與非門120和非門130可構成門控環(huán)形振蕩器，用于產(chǎn)生多相時鐘信號。具體而言，在上述示例圖3a中，比較器110的時鐘信號CKC與生成的輸出信號RDY的時序關系如圖3b所示。因此，在門控信號GT為高電平時，圖3a中的比較器110和與非門120可通過相互串聯(lián)的第一反相器150和第二反相器160替代。
[0041]具體而言，根據(jù)比較器110的時鐘信號CKC和生成的輸出信號RDY的時序關系，可用串聯(lián)的第一反相器150和第二反相器160等效地替代比較器110和與非門120，因此，第一反相器150、第二反相器160及非門130可構成三級環(huán)形振蕩器，如圖3c所示。具體工作過程如下:當門控信號GT為高電平時，三級環(huán)形振蕩器開始振蕩，多相時鐘CKC根據(jù)比較器110的比較結果在高低電平間來回翻轉，于是產(chǎn)生了多相時鐘CKC ;當門控信號GT為低電平時，振蕩停止。從而該三級環(huán)形振蕩器可產(chǎn)生多相時鐘信號，并且相位數(shù)目由門控信號GT控制，該多相時鐘用于觸發(fā)異步逐步逼近控制邏輯以實現(xiàn)逐步逼近的功能。
[0042]在本發(fā)明的一個實施例中，與非門120還用于根據(jù)輸入的門控信號調節(jié)多相時鐘信號的相位數(shù)目。具體而言，門控信號即圖3a和圖3c中的GT信號，其通過與非門120的第三輸入端相連，通過控制該門控信號GT能夠調節(jié)生成的多時鐘信號的相位數(shù)目。
[0043]進一步地,結合圖3a或圖3c所示,該多相時鐘產(chǎn)生電路還包括:延遲單元140。延遲單元140用于調節(jié)該多相時鐘產(chǎn)生電路的振蕩速度，且進一步地，該延遲單元140的數(shù)量可調，即該延遲單元140可為一個或多個，具體數(shù)量根據(jù)實際需求而設定。具體而言，可在該電路(即該環(huán)形振蕩器)中插入一定數(shù)量的延遲單元140 (BUF),以調節(jié)環(huán)路的振蕩速度，進而調節(jié)用于逐步逼近異步轉換及模擬信號建立的時間，例如對于最快的異步轉換，延遲單元140應最小(即tbuf=0)。進一步地，產(chǎn)生的多相時鐘觸發(fā)異步逐步逼近控制邏輯，使得單比特轉換環(huán)路更簡潔，可以實現(xiàn)更高的轉換速度，以滿足用戶的需求。
[0044]在一個示例中，根據(jù)圖3c所示電路的原理，圖3a所示的電路還具有另外兩種等效的電路實現(xiàn)方案，具體如圖4a及圖4b所示。但是在圖4b中，當門控信號GT為低電平時，環(huán)形振蕩器振蕩。
[0045]作為一個具體的示例，圖5a和圖5b為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路的具體實現(xiàn)電路示意圖。
[0046]如圖5a和圖5b所示，用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路中，也給出了門控信號GT的產(chǎn)生方式。其中，圖5a中的COMP即比較器110，19即與非門120、113即非門130，BUF即延遲單元140。具體而言，如圖5a所示，GT由F1、CKC及SCn共同產(chǎn)生，其中Fl是轉換相，是兩相非交疊時鐘(即F1、F2)的一個相位，另外一個相位是采樣相F2，SCn是每個轉換周期中最后一個比特轉換所產(chǎn)生的脈沖信號。對于單比特轉換，環(huán)路所需的時間及用于模擬信號建立的時間分別為:
[0047]tloop=tcomp+tnand+tinv+tbuf, (4)
[0048]tdac ^ tnand+tbuf-2tinv0 (5)
[0049]其中，t_p為比較器的延遲時間，tnand為與非門的延遲時間，tinv為非門的延遲時間，tbuf為延遲單元的延遲時間。[0050]單比特轉換期間，所需的冗余時間為:
[0051]td=tloop-tdac ^ tC0mp+3tinvO (6)
[0052]因此，相比傳統(tǒng)的在異步逐步逼近模數(shù)轉換器中的多相時鐘產(chǎn)生電路，本發(fā)明實施例的多相時鐘產(chǎn)生電路并不需要逐步逼近邏輯到多相時鐘的高速逐位反饋操作，而是將多相時鐘產(chǎn)生電路從逐位的異步逐步逼近控制邏輯分離出來，這使得用于異步轉換的環(huán)路更加簡單，冗余時間更少，而且可以方便控制該環(huán)路的速度及用于模擬信號建立的時間。因此，本發(fā)明實施例的多相時鐘產(chǎn)生電路能夠減少異步轉換的時間和提高異步轉換的速度。
[0053]根據(jù)本發(fā)明實施例的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路，通過比較器、與非門和非門構成門控環(huán)形振蕩器，并基于門控環(huán)形振蕩器的原理，排除了與異步逐步逼近邏輯之間的高速逐位交互操作，獨立地產(chǎn)生高速多相時鐘，使得用于異步轉換的環(huán)路更加簡單，從而簡化了異步逐步逼近模數(shù)轉換器控制邏輯的設計，另外，該電路還可減少逐步逼近模數(shù)轉換器異步轉換的時間和提高轉換速度，從而滿足用戶的需求。
[0054]本發(fā)明的進一步實施例還提供了一種用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的控制邏輯電路，包括本發(fā)明上述實施例提出的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路。
[0055]根據(jù)本發(fā)明實施例的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的控制邏輯電路，通過比較器、與非門和非門構成門控環(huán)形振蕩器，并基于門控環(huán)形振蕩器的原理，排除了與異步逐步逼近邏輯之間的高速逐位交互操作，獨立地產(chǎn)生高速多相時鐘，使得用于異步轉換的環(huán)路更加簡單，從而簡化了異步逐步逼近模數(shù)轉換器控制邏輯的設計，另外，該用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的控制邏輯電路還可減少異步轉換的時間和提高轉換速度，從而滿足用戶的需求。
[0056]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0057]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同限定。
【權利要求】
1.一種用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路，其特征在于，包括:比較器、與非門和非門，其中， 所述比較器的第一輸出端和第二輸出端分別與所述與非門的第一輸入端和第二輸入端相連，所述比較器用于對輸入的電壓信號進行比較，并將比較結果輸入所述與非門； 所述與非門通過其第三輸入端接收門控信號，并根據(jù)所述門控信號及所述比較結果生成輸出信號； 所述非門的輸入端與所述與非門的輸出端相連，用于根據(jù)所述輸出信號生成多相時鐘信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路，其特征在于，在所述門控信號的控制下，所述比較器和所述與非門可用串聯(lián)的第一反相器和第二反相器替代。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路，其特征在于，所述多相時鐘信號的每個相位的翻轉由所述比較器的比較結果觸發(fā)。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路，其特征在于，所述與非門還用于根據(jù)所述門控信號調節(jié)所述多相時鐘信號的相位數(shù)目。
5.根據(jù)權利要求1-4任一項所述的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路，其特征在于，還包括: 延遲單元，所述延遲單元用于調節(jié)所述電路的振蕩速度。
6.根據(jù)權利要求5所述的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路，其特征在于，所述延遲單元的數(shù)量可調。
7.一種用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的控制邏輯電路，其特征在于，包括權利要求1-6任一項所述的用于異步逐步逼近模數(shù)轉換器的多相時鐘產(chǎn)生電路。
【文檔編號】H03M1/38GK103684465SQ201310714734
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權日:2013年12月20日
【發(fā)明者】李福樂, 吳積方 申請人:清華大學