專利名稱：：基于可控負(fù)載電容的時(shí)間域比較器的制作方法基于可控負(fù)載電容的時(shí)間域比較器
技術(shù)領(lǐng)域：
基于可控負(fù)載電容的時(shí)間域比較器直接應(yīng)用的
技術(shù)領(lǐng)域：
是超低功耗模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)。所提出電路是一類可以適用于主要低功耗ADC結(jié)構(gòu)的重要模塊。
背景技術(shù)：
：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)在社會(huì)和自然環(huán)境中具有越來越廣泛的應(yīng)用。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有的可靠性和精確性的優(yōu)勢(shì)，尤其重點(diǎn)應(yīng)用于軍事，國(guó)家安全，醫(yī)療和環(huán)境觀察等領(lǐng)域。一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，由此使得功耗成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重要約束，要求傳感器節(jié)點(diǎn)中每個(gè)模塊必須消耗很低的能量。在WSN節(jié)點(diǎn)中一般集成一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)把來自傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并由處理器進(jìn)行下一步的處理。為了達(dá)到超低功耗的要求，適用的ADC也應(yīng)該是超低功耗的(見參考文獻(xiàn)BentonH.Calhoun,DenisC.Daly,NaveenVerma，DanielF.Finchelstein,DavidD.Wentzloff,AliceWang，Seong-HwanCho，andAnanthaP.Chandrakasan,"DesignConsiderationsforUltra-LowEnergyWirelessMicrosensorNodes")。逐次逼近型ADC(SARADC)是實(shí)現(xiàn)超低功耗ADC的一種合適的電路結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)?，SARADC硬件電路比較少，只包括三個(gè)模塊數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，比較器和數(shù)字邏輯模塊。其中，比較器模塊是消耗能量最多的模塊。傳統(tǒng)比較器是先把輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流然后把這電流再轉(zhuǎn)換成電壓，最后用一個(gè)低功耗高速的鎖存器(latch)來對(duì)所得的電壓進(jìn)行比較得到結(jié)果。在進(jìn)行功耗優(yōu)化時(shí)，這種比較器性能會(huì)有很大下降。為了降低這種比較器的失調(diào)，會(huì)在latch前邊用一個(gè)或幾個(gè)運(yùn)放；但是這種方法會(huì)引入更大的功耗和復(fù)雜度。(見參考文獻(xiàn)NaveenVerma,andAnanthaP.Chandrakasan,"AnUltraLowEnergy12-bitRate-ResolutionScalableSARADCforWirelessSensorNodes",IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS,VOL.42,NO.6,JUNE2007).為了解決以上問題，可以采用基于時(shí)間模式的比較器(TMC)。這種比較器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)4單而且消耗能量很低，并且可以應(yīng)用到超低功耗SARADC的設(shè)計(jì)中。這種比較器的工作模式不同于傳統(tǒng)比較器。它首先用一個(gè)電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換電路(VTC)把輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間脈沖，然后又通過一個(gè)觸發(fā)器對(duì)時(shí)間作比較或鎖定。代表性工作包括，AndreaAgnesetal提出的一種基于時(shí)間域的比較器.(見參考文獻(xiàn)AndreaAgnes，EdoardoBonizzoni,PieroMalcovatiandFrancoMaloberti,"A9.4-EN0BIV3.8nW100kSsSARADCwithTime—domaincomparator"，2008IEEEInternationalSolid-StateCircuitsConference).雖然AndreaAgnes所提出的時(shí)間域比較器比傳統(tǒng)的比較器要簡(jiǎn)單且功耗低，但是具有幾個(gè)缺點(diǎn)首先，這個(gè)比較器采用了含有比較大的電阻的靜態(tài)的VTC。所以速度，功耗效率以及精度都比較底。另外面積比較大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有的時(shí)間域比較器電路的基礎(chǔ)上，提出一種基于可控負(fù)載電容的時(shí)間域比較器(ShuntCapacitorBasedTime-modeComparator(SCTMC))結(jié)構(gòu)?；诳煽刎?fù)載電容的時(shí)間域比較器，其特征在于，主要含有一個(gè)可控負(fù)載電容的電壓一時(shí)間轉(zhuǎn)換電路、一個(gè)D觸發(fā)器、以及兩個(gè)負(fù)載電容，其中所述可控負(fù)載電容的電壓一時(shí)間轉(zhuǎn)換電路，含有八個(gè)陋0S管和十個(gè)PM0S管，其中在所述八個(gè)麗0S管仲，第一NM0S管至第八NM0S管依次標(biāo)志為N1,N2，N3'N4,N5,N6,N7，N8。在所述十個(gè)PM0S管中，第一PM0S管至第十PM0S管依次標(biāo)志為PI,P2,P3，P4，P5，P6，P7,P8,P9'P10。在所述第一醒0S管N1，第二魔0S管N2，第五NM0S管N5，第六NM0S管N6，第七NM0S管N7、第八NM0SN8管N8，這六個(gè)NM0S管的源極共地，在所述兩個(gè)負(fù)載電容中，第一負(fù)載電容C1的和第二負(fù)載電容C2的下極板共地，在所述十個(gè)PM0S管中，第一PM0S管(Pl)，第三PM0S管(P3)，第五PM0S管P5,第九PM0S管P9，第二PM0S管P2，第四PM0S管P4，第六PM0S管P6，以及第十PM0S管P10這八個(gè)PM0S管的源極共同接電源VDD，所述第三N0S管N3的柵極接輸入電壓VIN，所述第四N0S管(N4)的柵極接參考電壓VREF，所述第一PM0S管Pl、第三PMOS管P3、第二PM0S管P2、第四PM0S管P4、第七PM0S管P7、第八PM0S管P8這六個(gè)PM0S管的柵極、以及所述第一隨0S管(N1)，第二NM0S管N2這八個(gè)M0S管的柵極接時(shí)鐘信號(hào)CLK，所述第一負(fù)載電容Cl的上極板同時(shí)和所述第三PM0S管(P3)的漏極、第三薩0S管N3的漏極、以及第五PM0S管P5的柵極相連，所述第二負(fù)載電容器C2的上極板同時(shí)和第四PM0S管P4的漏極、第四NM0S管N4的*極、以及第六PMOS管的柵極相連，所述第一NM0S管Nl的漏極、第三NM0S管N3的源極、以及第五畫0S管N5的柵板互連，所述第五PM0S管P5的漏極、第五NM0S管N5的漏極、第九PMOS管P9的柵板，以及第七NM0S管(N7)的柵極互連，所述第二NMOS管(N2)的漏極、第四NMOS管N4的源板、以及第六醒OS管N6的柵板互連，所述第六PMOS管P6的漏極、第六NMOS管N6的漏極、第十PMOS管P10的柵極、以及第八NM0S管N8的柵極互連，所述第七PM0S管P7的漏極和所述第七NM0S管N7的漏極相連后，再正向通過第一反相管ll連接到所述D觸發(fā)器的D端，所述第八PM0S管P8的漏極和所述第八醒0S管N8的漏極相連后，再通過第二反相管12連接到所述D觸發(fā)器的控制端所述D觸發(fā)器的輸出為所述基于可控負(fù)載電容的時(shí)間域比較器的輸出信號(hào)Dout。本發(fā)明的有益效果是與傳統(tǒng)的時(shí)間域比較器結(jié)構(gòu)相比較，本發(fā)明提出一種基于可控負(fù)載電容電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換電路的時(shí)間域比較器結(jié)構(gòu)，在相同的測(cè)試條件下，消耗低的動(dòng)態(tài)功耗；其工作速度也提高了20倍；沒有使用任何電阻；同時(shí)精度達(dá)到10uV，所提出的電路技術(shù)非常適合作為超低^耗高速高精度SARADC電路的重要模塊；它含有可控負(fù)載電容的電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換電路(SCVTC)，還含有，一個(gè)D觸發(fā)器(DFF)。圖l.TMC比較器框圖。VIN為輸入信號(hào)，VREF為比較參考電壓，CLK為比較器控制信號(hào)而DOUT為比較器的輸出。圖2.AndreaAgnes所提出的TMC。VIN，VREF，CLK和DOUT的意義與圖l類似。圖3.本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)圖。VIN，VREF，CLK和DOUT的意義與圖2意義相同。圖4.本發(fā)明中用自偏置管代替圖3中輸入管的改動(dòng)。圖5.本發(fā)明改用動(dòng)態(tài)電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換電路的改動(dòng)。圖6.最小輸入電壓差的比較結(jié)果。圖7.模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的通用框圖。圖8.SARADC框圖。圖9.FlashADC框圖。圖IO.Pipeline框圖。圖ll.sigma-delta框圖。圖12.并聯(lián)ADC框圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案是本發(fā)明提出的SCVTC，如圖3所示。本發(fā)明的TMC具有采用SCVTC作電壓-時(shí)間的轉(zhuǎn)換然后用D觸發(fā)器(DFF)鎖存比較結(jié)果降低了功耗。圖2是傳統(tǒng)的時(shí)間域比較器電路。主要由兩個(gè)部分組成電壓一時(shí)間轉(zhuǎn)換器(VTC)和輸出D觸發(fā)器。電壓一時(shí)間轉(zhuǎn)換器由兩個(gè)支路組成V2TI叩ut和V2TReference.V2TI叩ut的輸出經(jīng)過三個(gè)反相器(11，12和13)連到DFF的數(shù)據(jù)端(D)而V2TReference的輸出也經(jīng)過三個(gè)反相器(14，15，和16)連到DFF的觸發(fā)端。比較器的工作包括兩模式。首先在復(fù)位模式，CLK為低電平并通過M5和M6把兩個(gè)電容C1和C2充電到V^同時(shí)VTC兩端通過M7和M8接地。這時(shí)觸發(fā)器的輸出即比較器的輸出保持不變。在比較模式，CLK會(huì)變?yōu)楦唠娖讲⒋蜷_M3和M4，同時(shí)關(guān)斷M5，M6，M7，M8.這時(shí)兩個(gè)電容會(huì)開始放電而放電的速度由VIN和VREF決定。當(dāng)M2或M8柵極電壓降低到PM0S的閾值(VTP)時(shí)，相應(yīng)的管子會(huì)把其漏極節(jié)點(diǎn)充電到V。D。當(dāng)V2TReference翻轉(zhuǎn)后會(huì)觸發(fā)DFF，所著比較結(jié)果。因?yàn)檫@里的DFF是在下降延觸發(fā)的，所以如果環(huán)〉VREF，V2TInput會(huì)先翻轉(zhuǎn)，當(dāng)DFF被觸發(fā)后DOUT得到"0"。如果VIN〈VREF,V2TReference會(huì)先翻轉(zhuǎn)觸發(fā)DFF使得DOUT得到"1"，完成比較功能。這比較器是把輸入電壓變?yōu)檠舆t而對(duì)產(chǎn)生的延遲作比較。TMC技術(shù)是基于以下方程。Af=~^~(1)其中，AZ是使電容C上的電壓變化為Ar所需要的時(shí)間，I是電流。在傳統(tǒng)的TMC中，觸發(fā)器DFF有兩個(gè)功能第一個(gè)功能是檢測(cè)時(shí)間差；第二個(gè)功能是鎖存數(shù)據(jù)。使用DFF有兩個(gè)大問題比較器能夠分辨的最小時(shí)間差，也就是最小輸入電壓差由DFF的建立時(shí)間決定。第二個(gè)問題是，幾乎所有的DFF的輸入端的負(fù)載時(shí)不對(duì)稱的，這種不對(duì)稱性會(huì)給比較器的檢測(cè)功能帶來很多誤差。本發(fā)明由可控負(fù)載電容電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換電路(SCVTC)，和一個(gè)D觸發(fā)器組成。。SCVTC由N1N8，P1P10和兩個(gè)反相器II和12組成。本發(fā)明的工作原理與傳統(tǒng)TMC類似，也包括兩個(gè)模式在復(fù)位模式時(shí)，CLK為低電平，N1和N2關(guān)斷，Pl，P2，P3，P4，N5和N6導(dǎo)通使連個(gè)電容沖到VDD。當(dāng)CLK變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，N1和N2道通，Pl，P2，P3，P4，N5和N6關(guān)斷。電容Cl通過N1和N3放電，同時(shí)電容C2通過N2和N4放電。當(dāng)P5道通后和反相器I1產(chǎn)生脈沖信號(hào)，同樣，當(dāng)P6道通后和反相器I2產(chǎn)生一個(gè)參考脈象沖。電容C1的放電速度由輸入電壓Vw決定而C2的放電速度由參考電壓V鵬決定。如果VREF〉V1N，P6會(huì)先道通觸發(fā)DFF后使比較器輸出DOUT變?yōu)榈碗娖?。如果VREF〈VIN,P5先道通。參考脈沖觸發(fā)DFF后使比較器輸出DOUT變?yōu)楦唠娖?。為了?yàn)證本發(fā)明的性能和所帶來的改進(jìn)的效果，我們用了spectreTM仿真工具對(duì)電路進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果比較參見表l。Table1:比較器性會(huì)l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>圖7是本發(fā)明最小輸入電壓差的比較結(jié)果?？梢钥闯?，本發(fā)明在輸入電壓差(VREF-VIN)為10uV仍然可以給出正確的比較結(jié)果說明比較器有很高的精度。本發(fā)明可以達(dá)到高于38MHz的速度而總能耗小于O.9pJ。總結(jié)這個(gè)比較器電路包括負(fù)載電容可控電壓到時(shí)間的轉(zhuǎn)換電路把兩個(gè)輸入電壓值轉(zhuǎn)換為兩個(gè)輸出時(shí)間信號(hào)。輸出信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間有輸入電壓的大小決定。用DFF對(duì)時(shí)間作比較完成比較功能，比較器輸出可以變?yōu)槊}沖或可以通過濾波后得到直流信號(hào)。兩個(gè)輸入管子N3和N4也可以改用如圖4的自偏置管，為了避免不必要的能耗也可以用如圖5中的動(dòng)態(tài)電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它不需要任何放大器，電流源或電阻。本發(fā)明可以在各種ADC(圖7)里面應(yīng)用。包括，逐次逼近ADC(如圖8)，F(xiàn)lashADC(如圖9)，PipelineADC(如圖IO)和sigma-deltaADC(如圖ll)，以及并聯(lián)ADC(如圖12)。圖11和圖12結(jié)構(gòu)中的每個(gè)子ADC可以根據(jù)應(yīng)用需求和性能要求分別采用圖8、9、10中應(yīng)用了SCTMC技術(shù)的ADC。權(quán)利要求1、基于可控負(fù)載電容的時(shí)間域比較器，其特征在于，含有一個(gè)可控負(fù)載電容的電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換電路、一個(gè)D觸發(fā)器、以及兩個(gè)負(fù)載電容，其中所述可控負(fù)載電容的電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換電路，含有八個(gè)NMOS管和十個(gè)PMOS管，其中在所述八個(gè)NMOS管仲，第一NMOS管至第八NMOS管依次標(biāo)志為(N1，N2，N3，N4，N5，N6，N7，N8)；在所述十個(gè)PMOS管中，第一PMOS管至第十PMOS管依次標(biāo)志為(P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9，P10)；在所述第一NMOS管(N1)，第二NMOS管(N2)，第五NMOS管(N5)，第六NMOS管(N6)，第七NMOS管(N7)、第八NMOSN8管(N8)，這六個(gè)NMOS管的源極共地，在所述兩個(gè)負(fù)載電容中，第一負(fù)載電容(C1)的和第二負(fù)載電容(C2)的下極板共地，在所述十個(gè)PMOS管中，第一PMOS管(P1)，第三PMOS管(P3)，第五PMOS管(P5)，第九PMOS管(P9)，第二PMOS管(P2)，第四PMOS管(P4)，第六PMOS管(P6)，以及第十PMOS管(P10)這八個(gè)PMOS管的源極共同接電源VDD，所述第三NOS管(N3)的柵極接輸入電壓(VIN)，所述第四NOS管(N4)的柵極接參考電壓(VREF)，所述第一PMOS管(P1)、第三PMOS管(P3)、第二PMOS管(P2)、第四PMOS管(P4)、第七PMOS管(P7)、第八PMOS管(P8)這六個(gè)PMOS管的柵極、以及所述第一NMOS管(N1)，第二NMOS管(N2)這八個(gè)MOS管的柵極接時(shí)鐘信號(hào)(CLK)，所述第一負(fù)載電容(C1)的上極板同時(shí)和所述第三PMOS管(P3)的漏極、第三NMOS管(N3)的漏極、以及第五PMOS管(P5)的柵極相連，所述第二負(fù)載電容器(C2)的上極板同時(shí)和第四PMOS管(P4)的漏極、第四NMOS管(N4)的漏極、以及第六PMOS管的柵極相連，所述第一NMOS管(N1)的漏極、第三NMOS管(N3)的源極、以及第五NMOS管(N5)的柵板互連，所述第五PMOS管(P5)的漏極、第五NMOS管(N5)的漏極、第九PMOS管(P9)的柵板，以及第七NMOS管(N7)的柵極互連，所述第二NMOS管(N2)的漏極、第四NMOS管(N4)的源板、以及第六NMOS管(N6)的柵板互連，所述第六PMOS管(P6)的漏極、第六NMOS管(N6)的漏極、第十PMOS管(P10)的柵極、以及第八NMOS管(N8)的柵極互連，所述第七PMOS管(P7)的漏極和所述第七NMOS管(N7)的漏極相連后，再正向通過第一反相管(11)連接到所述D觸發(fā)器的D端，所述第八PMOS管(P8)的漏極和所述第八NMOS管(N8)的漏極相連后，再通過第二反相管(12)連接到所述D觸發(fā)器的控制端所述D觸發(fā)器的輸出為所述基于可控負(fù)載電容的時(shí)間域比較器的輸出信號(hào)(Dout)。全文摘要基于可控負(fù)載電容的時(shí)間域比較器(ShuntCapacitorBasedTime-modeComparator(SCTMC)，屬于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器
技術(shù)領(lǐng)域：
，其特征在于，該比較器由可控負(fù)載電容電壓控制延遲的電壓時(shí)間轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)觸發(fā)器的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路依次串連組成；由于采用電容負(fù)載可控的電壓控制延遲電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換電路，因而能在38MHz的速度下分辨出低于10uV的輸入電壓差，同時(shí)本發(fā)明沒有采用任何電阻器件因而面積小，功耗低。文檔編號(hào)H03K5/22GK101577548SQ20091008747公開日2009年11月11日申請(qǐng)日期2009年6月22日優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日發(fā)明者克兵格·賽客帝·玻梅,楊華中,蕙汪申請(qǐng)人:清華大學(xué)