專利名稱：一種基于時域的低壓信號讀出電路及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種基于時域的低壓信號讀出 電路及其控制方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路工藝的發(fā)展，特征尺寸減小及電源電壓降低帶來了芯片面積減小、 高速度，低功耗等一系列優(yōu)點。但伴隨著電源電壓的降低，對于模擬電路的設(shè)計挑戰(zhàn)越來越 大，尤其是器件閾值電壓不隨特征尺寸減小，模擬電路輸出信號的動態(tài)范圍也隨之降低。為了不犧牲信號的動態(tài)范圍，可在模擬電路設(shè)計時采用較高的電源電壓，這會嚴(yán) 重增加電路的功耗。為了實現(xiàn)低電源電壓下的全擺幅模擬信號讀出及模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以采用 具有軌到軌結(jié)構(gòu)的緩沖器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這樣會增加模擬電路的設(shè)計難度。參見圖1，現(xiàn)有 技術(shù)中的低壓信號讀出電路為了讀出傳感器的信號，傳感器需要將敏感信號轉(zhuǎn)換為電信號 (通常是電壓信號)，電壓信號經(jīng)緩沖器緩沖輸出接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出 數(shù)字信號，通過數(shù)字信號處理器進行處理。在低電壓條件下，低壓信號讀出越來越困難在低 電源電壓條件下很難工作；另一方面，由于晶體管MOS (Metal Oxide Semiconductor，半導(dǎo) 體金屬氧化物)管的閾值電壓不隨工藝成比例減小，使模擬信號的擺幅嚴(yán)重損失。

發(fā)明內(nèi)容
為了減少電路的功耗；減少模擬電路的設(shè)計難度；克服傳統(tǒng)的低壓信號讀出電路 在低電壓工作條件下的性能缺陷，滿足實際應(yīng)用中的需要，本發(fā)明提供了一種基于時域的 低壓信號讀出電路及其控制方法，一種基于時域的低壓信號讀出電路，包括傳感器、模擬開關(guān)、第一開關(guān)、電容、第 二開關(guān)、數(shù)字鎖存器、數(shù)字緩沖器、計數(shù)器和數(shù)字信號處理器，所述傳感器讀出的電信號連接所述模擬開關(guān)的源極，所述模擬開關(guān)的柵極接斜坡 信號，所述模擬開關(guān)的漏極分別與所述第一開關(guān)的一端、所述電容的上極板相連；所述第一 開關(guān)的另一端接斜坡信號高電平；所述電容的下極板分別和所述數(shù)字鎖存器的一端、所述 第二開關(guān)的一端相連；所述數(shù)字鎖存器的另一端、所述第二開關(guān)的另一端分別和所述數(shù)字 緩沖器的一端相連；所述數(shù)字緩沖器的另一端和所述計數(shù)器的一端相連，所述計數(shù)器的另 一端和所述數(shù)字信號處理器相連。所述控制方法包括以下步驟(1)初始化電路，第一開關(guān)和第二開關(guān)閉合；(2)所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)斷開；(3)斜坡信號和計數(shù)器為同步信號，模擬開關(guān)的柵極接的斜坡信號上升時，所述計 數(shù)器開始計數(shù)；(4)判斷所述模擬開關(guān)的柵極接的斜坡信號是否大于等于傳感器讀出的電信號與 模擬開關(guān)的閾值電壓之和，如果是，所述模擬開關(guān)導(dǎo)通，執(zhí)行步驟(5)；如果否，所述模擬開關(guān)處于斷開狀態(tài)，重新執(zhí)行步驟(3)；(5)數(shù)字鎖存器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，經(jīng)數(shù)字緩沖器，當(dāng)輸出高電平時對翻轉(zhuǎn)點處所述計數(shù)器 輸出進行鎖定；(6)所述計數(shù)器輸出的數(shù)字信號接數(shù)字信號處理器，進行數(shù)字信號處理。步驟(1)中所述初始化電路，第一開關(guān)和第二開關(guān)閉合具體為所述第一開關(guān)閉合，電容上極板接斜坡信號高電平；所述第二開關(guān)閉合，使得所述 數(shù)字鎖存器短路，所述數(shù)字鎖存器被復(fù)位中間電平。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是本發(fā)明實施例提供了一種基于時域的低壓信號讀出電路及其控制方法，該低壓信 號讀出電路及其控制方法可在低電壓下工作，且不受電源電壓影響，可實現(xiàn)全擺幅模數(shù)轉(zhuǎn) 換；減少了電路的功耗；減少了模擬電路的設(shè)計難度；克服了在低電壓工作條件下的性能 缺陷，滿足了實際應(yīng)用中的需要。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)提供的低壓信號讀出電路的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明提供的基于時域的低壓信號讀出電路的第一結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明提供的基于時域的低壓信號讀出電路的第二結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明提供的基于時域的低壓信號讀出電路的控制方法的流程圖；圖5為本發(fā)明提供的斜坡信號與計數(shù)器同步的示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方 式作進一步地詳細描述。為了減少電路的功耗；減少模擬電路的設(shè)計難度；克服傳統(tǒng)的低壓信號讀出電路 在低電壓工作條件下的性能缺陷，滿足實際應(yīng)用中的需要，本發(fā)明實施例提供了一種基于 時域的低壓信號讀出電路。參見圖2，基于時域的低壓信號讀出電路包括傳感器、模擬開關(guān)、第一開關(guān)、電 容、第二開關(guān)、數(shù)字鎖存器、數(shù)字緩沖器、計數(shù)器和數(shù)字信號處理器，傳感器讀出的電信號連 接模擬開關(guān)的源極，模擬開關(guān)的柵極接斜坡信號，模擬開關(guān)的漏極分別與第一開關(guān)的一端、 電容的上極板相連；第一開關(guān)的另一端接斜坡信號高電平；電容的下極板分別和數(shù)字鎖存 器的一端、第二開關(guān)的一端相連；數(shù)字鎖存器的另一端、第二開關(guān)的另一端分別和數(shù)字緩沖 器的一端相連；數(shù)字緩沖器的另一端和計數(shù)器的一端相連，計數(shù)器的另一端和數(shù)字信號處 理器相連。其中，模擬開關(guān)可以為NMOS管、PMOS管等可以實現(xiàn)模擬開關(guān)的器件，例如，選用 NMOS管時，NMOS管的柵極上所加的斜坡信號為一路上升的斜坡信號；選用PMOS管時，PMOS 管的柵極上所加的斜坡信號為一路下降的斜坡信號，可以根據(jù)實際應(yīng)用確定器件的選擇， 具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實施例對此不做限制。參見圖3，本發(fā)明實施例的模擬開關(guān)以NMOS管為例進行說明，傳感器讀出的電信 號Vin連接NMOS管的源極，NMOS管的柵極接一路上升的斜坡信號，NMOS管的漏極分別與第一開關(guān)的一端、電容的上極板相連，第一開關(guān)的另一端接斜坡信號的高電平Vrefh。參見圖3、圖4和圖5，一種基于時域的低壓信號讀出電路的控制方法，該方法包括 以下步驟101 初始化電路，第一開關(guān)和第二開關(guān)閉合；該步驟具體為第一開關(guān)閉合，電容上極板接斜坡信號高電平Vrefh ；第二開關(guān)閉 合，使得數(shù)字鎖存器短路，數(shù)字鎖存器被復(fù)位中間電平。102 第一開關(guān)和第二開關(guān)斷開；103:斜坡信號和計數(shù)器為同步信號，模擬開關(guān)的柵極接的斜坡信號上升時，計數(shù) 器開始計數(shù)；104:判斷模擬開關(guān)的柵極接的斜坡信號是否大于等于傳感器讀出的電信號與模 擬開關(guān)的閾值電壓之和，如果是，模擬開關(guān)導(dǎo)通，執(zhí)行步驟105 ；如果否，模擬開關(guān)處于斷開 狀態(tài)，重新執(zhí)行步驟103;其中，以圖3為例，當(dāng)NMOS管的柵極接的斜坡信號大于等于傳感器讀出的電信號 Vin與匪OS管的閾值電壓Vth之和，即Vramp彡Vin+Vth時，匪OS管導(dǎo)通；當(dāng)NMOS管的柵 極接的斜坡信號小于傳感器讀出的電信號Vin與NMOS管的閾值電壓Vth之和，即Vramp < Vin+Vth時，NMOS管處于斷開狀態(tài)，重新執(zhí)行步驟103。其中，傳感器讀出的電信號的值根據(jù)實際應(yīng)用中的應(yīng)用情況來確定，具體實現(xiàn)時， 本發(fā)明實施例對此不做限制。其中，模擬開關(guān)的閾值電壓根據(jù)實際應(yīng)用中器件的選擇有關(guān)，具體實現(xiàn)時，本發(fā)明 實施例對此不做限制。105 數(shù)字鎖存器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，經(jīng)數(shù)字緩沖器，當(dāng)輸出高電平時對翻轉(zhuǎn)點處計數(shù)器輸 出進行鎖定；其中，計數(shù)器的輸出信號為輸入信號轉(zhuǎn)化的η位數(shù)字信號。106 計數(shù)器輸出的數(shù)字信號接數(shù)字信號處理器，進行數(shù)字信號處理。綜上所述，本發(fā)明實施例提供了一種基于時域的低壓信號讀出電路及其控制方 法，通過上述低壓信號讀出電路及其控制方法減少了電路的功耗；減少了模擬電路的設(shè)計 難度；克服了傳統(tǒng)的讀出電路在低電壓工作條件下的性能缺陷，滿足實際應(yīng)用中的需要。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例 序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于時域的低壓信號讀出電路，其特征在于，包括傳感器、模擬開關(guān)、第一開 關(guān)、電容、第二開關(guān)、數(shù)字鎖存器、數(shù)字緩沖器、計數(shù)器和數(shù)字信號處理器，所述傳感器讀出的電信號連接所述模擬開關(guān)的源極，所述模擬開關(guān)的柵極接斜坡信 號，所述模擬開關(guān)的漏極分別與所述第一開關(guān)的一端、所述電容的上極板相連；所述第一開 關(guān)的另一端接斜坡信號高電平；所述電容的下極板分別和所述數(shù)字鎖存器的一端、所述第 二開關(guān)的一端相連；所述數(shù)字鎖存器的另一端、所述第二開關(guān)的另一端分別和所述數(shù)字緩 沖器的一端相連；所述數(shù)字緩沖器的另一端和所述計數(shù)器的一端相連，所述計數(shù)器的另一 端和所述數(shù)字信號處理器相連。
2.一種用于權(quán)利要求1所述的基于時域的低壓信號讀出電路的控制方法，其特征在 于，所述方法包括以下步驟(1)初始化電路，第一開關(guān)和第二開關(guān)閉合；(2)所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)斷開；(3)斜坡信號和計數(shù)器為同步信號，模擬開關(guān)的柵極接的斜坡信號上升時，所述計數(shù)器 開始計數(shù)；(4)判斷所述模擬開關(guān)的柵極接的斜坡信號是否大于等于傳感器讀出的電信號與模擬 開關(guān)的閾值電壓之和，如果是，所述模擬開關(guān)導(dǎo)通，執(zhí)行步驟(5)；如果否，所述模擬開關(guān)處 于斷開狀態(tài)，重新執(zhí)行步驟(3)；(5)數(shù)字鎖存器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，經(jīng)數(shù)字緩沖器，當(dāng)輸出高電平時對翻轉(zhuǎn)點處所述計數(shù)器輸出 進行鎖定；(6)所述計數(shù)器輸出的數(shù)字信號接數(shù)字信號處理器，進行數(shù)字信號處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于時域的低壓信號讀出電路的控制方法，其特征在于，步 驟(1)中所述初始化電路，第一開關(guān)和第二開關(guān)閉合具體為所述第一開關(guān)閉合，電容上極板接斜坡信號高電平；所述第二開關(guān)閉合，使得所述數(shù)字 鎖存器短路，所述數(shù)字鎖存器被復(fù)位中間電平。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于時域的低壓信號讀出電路及其控制方法，涉及數(shù)模混合集成電路設(shè)計領(lǐng)域，包括傳感器、模擬開關(guān)、第一開關(guān)、電容、第二開關(guān)、數(shù)字鎖存器、數(shù)字緩沖器、計數(shù)器和數(shù)字信號處理器，傳感器讀出的電信號連接模擬開關(guān)的源極，模擬開關(guān)的柵極接斜坡信號，模擬開關(guān)的漏極分別與第一開關(guān)的一端、電容的上極板相連；第一開關(guān)的另一端接斜坡信號高電平；電容的下極板分別和數(shù)字鎖存器的一端、第二開關(guān)的一端相連；數(shù)字鎖存器的另一端、第二開關(guān)的另一端分別和數(shù)字緩沖器的一端相連；數(shù)字緩沖器的另一端和計數(shù)器的一端相連，計數(shù)器的另一端和數(shù)字信號處理器相連。本發(fā)明克服了在低電壓工作條件下的性能缺陷，滿足了實際應(yīng)用中的需要。
文檔編號H03M1/22GK102006074SQ20101054155
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者史再峰, 葉穎聰, 高靜 申請人:天津大學(xué)