一种基于三态反相器的高精度时间放大器.docx
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2022-12-01
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1. 引言
随着 CMOS 电路中晶体管尺寸的不断缩小和电源电压的降低，信号在时域表现出比
电压域更高的分辨率，促使以数字电路为核心的时域信号处理方法得到广泛的关注.在时间
模式系统中，模拟域的信息由两个数字时钟之间的时间差值表示，这种系统的基本模块之
一是时间放大器(TDA).最近，TDA 已被广泛应用于时间模式信号处理
[1]
(TMSP)的设计中，
如全数字锁相环(ADPLL)
[2]
，模拟-数字转换器
[3]
，时钟抖动测量
[4]
，医学成像
[5]
和时间-数字
转换器(TDCs)
[6]
等.在这些应用中，TDA 的高时间分辨率、高线性度及宽动态范围是实现信
号精确表示的基础.
文献[7]中基于 RS 锁存器亚稳态特性实现的 TDA 利用输入时间差与锁存器解析时间
之间的固有依赖性来获取高增益，然而这种架构支持的动态范围较窄且增益对各种工艺参
数敏感，因此这种类型的 TDA 需要频繁校准.文献[8]提出的基于放电时间控制的 TDA 增益
会随着输入范围的增大而迅速降低，因此该电路需要动态校准以在整个输入范围内实现恒
定的增益.文献[9]中作者提出一种基于环形振荡器的 TDA，该 TDA 无需校准且在相对较宽
的输入范围内实现了可预测的增益，然而该 TDA 的性能受到环形振荡器频率的限制.文献
[10]使用类似于文献[9]的概念提出一种基于三态反相器的开环延迟链结构，该结构允许在
较宽的输入范围内实现时间差放大，然而两条链之间的延迟误差及 EN 与 EN'之间的翻转
时间误差影响了该 TDA 的分辨率和线性度.
本文针对上述电路结构中的不足，提出一种无需校准且具有高时间分辨率、高线性度
及宽动态范围的 TDA 电路结构，该 TDA 采用三态反相器作为延迟链的基本单元，通过使
用传输门和基本反相器实现输入信号的准确延迟和控制信号的翻转.仿真结果表明，本文提
出的 TDA 结构不仅增益误差小而且具有易实现、易移植、增益可编程的特点.
2. 时间放大器的工作原理
传统的基于三态反相器设计的 TDA 电路结构如图 1 所示.
图 1 传统的基于三态反相器的时间放大器
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