法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2020-05-12
授权
授权
2019-03-01
实质审查的生效 IPC(主分类):G04F10/00 申请日:20180914
实质审查的生效
2019-01-29
公开
公开
技术领域
本发明涉及射频通信领域,尤其涉及一种低功耗的时间数字转换器及其PHV补偿方法。
背景技术
时间数字转换器(TDC)广泛应用于全数字锁相环中(ADPLL)。在二十世纪初,几乎所有的频率综合器中都使用基于电荷泵锁相环的系统架构。最近几年随着集成电路的制造工艺不断更新,这种主要基于模拟电路的系统架构已经完全无法体现深亚微米CMOS工艺带来的巨大优势。为了缓解或解决电荷泵锁相环所面临的困难,TI公司早在2003年就已经研发出了能够完全替代电荷泵锁相环的全数字锁相环。在接下来的十几年里,尽管ADPLL技术不断发展成熟,但是其内部的关键电路-TDC仍然需要小心设计,且就目前而言,TDC电路消耗的面积和功耗仍然占据了整个芯片系统很大一部分。因此,研发低功耗、小面积的TDC电路成为该领域的一大热点。
传统的TDC电路是利用反相器作为延时链对振荡器输出的高频信号CKV进行延时,使用外部基准时钟信号Fref对各级延时单元的输出信号进行采样。对于周期为n*Td(Td为单个延时单元的延时)振荡器输出信号,至少需要n个延时单元,即延时链需要完全覆盖整个CKV的周期。环形TDC能够显著减少延时链的长度,但是需要复杂的逻辑实现。另外,高频信号在经过延时链是会产生巨大的开关功耗。
发明内容
根据现有技术存在的问题,本发明公开了一种低功耗的时间数字转换器及其PHV补偿方法,其中低功耗的时间数字转换器具体包括:
包括时间数字编码产生电路、CKR的产生电路、PHV_INT的计数电路和TDC_EN产生电路;
所述时间数字编码产生电路中的Fref信号经过29个延时单元得到信号Frd<29∶1>,信号Frd<29∶1>依次作为29个SAFF的采样时钟对补偿时钟Phase0进行采样,得到时间数字转换器的编码输出TDC_Q0<29∶1>,使用Frd<15>作为SAFF的采样时钟对Phase90进行采样,得到TDC_Q90<15>信号;
所述CKR的产生电路在工作状态下使用Phase0和Phase180分别对Frd<15>信号进行采样,再使用Phase0和Phase270分别对前级DFF的输出再采样,最后用Phase270作为时钟对两路信号再一次采样得到CKR的两路待选信号CKR0和CKR180,最后使用TDC_Q90<15>作为Mux的选择信号得到CKR信号。
一种低功耗的时间数字转换器的PHV补偿方法,该方法包括TDC_Q0<29∶1>的译码逻辑和采用补偿值Frac∈[-0.5,0.5)的补偿机制,该补偿机制具体采用如下方式:
S1:当TDC_Q0<15>=0,有:
●Tr1!=15,则Tr1为准确值,此时补偿值Frac=-Tr1*TDC_Gain;
●Tr1=15,此时使用Tr2近似计算补偿值Frac=-0.5+Tr2*TDC_Gain;
S2:当TDC_Q0<15>=1,有:
●Tf1!=15,则Tf1为准确值,此时补偿值Frac=Tf1*TDC_Gain;
●Tf1=15,此时使用Tf2近似计算补偿值Frac=0.5-Tf2*TDC_Gain;
如果在Frd<15>对Phase0和Phase90分别进行采样得到TDC_Q0<15>和TDC_Q90<15>的过程中有采样错误,该补偿机制也在后续处理中纠正错误得到正确的补偿结果,具体的错误情况及对应的纠正过程如下:
M:若TDC_Q90<15>为0,则整数计数采样时钟CKR由CKR180产生,此时PHV计数不会增加1,且TDC_Q90<15>&TDC_Q0<15>=0;若TDC_Q90<15>为1,则CKR由CKR0产生,此时PHV计数增加1,且TDC_Q90<15>&TDC_Q0<15>=1,相减后结果与TDC_Q90<15>为0时一致;
P:在Frd<15>的上升沿在补偿时钟Phase0的下降沿附近时:若TDC_Q0<15>为1,补偿值接近+0.5,TDC_Q90<15>&TDC_Q0<15>=1;若TDC_Q0<15>为0,补偿值接近-0.5,TDC_Q90<15>&TDC_Q0<15>=0,补偿结果与TDC_Q0<15>为1时一致。
一种鲁棒性TDC_Gain的计算方法,包括以下步骤:
S1:当TDC_Q0<15>=0,有:
●当Tr1小于Tr2时,Frd<15>距离右侧的上升沿较近,Tckv=(Tr2+Tf1)*Tinv。若Tf2饱和(Tf2=15),则Tckv用(Tr2+Tr1)*Tinv*2近似。;
●当Tr1大于Tr2时,Frd<15>距离左侧的上升沿较近,Tckv=(Tr1+Tf1)
*Tinv。若Tf1饱和(Tf1=15),则Tckv用(Tr2+Tr1)*Tinv*2近似;
S2:当TDC_Q0<15>=1,有:
●当Tf1小于Tf2时,Frd<15>距离左侧的上升沿较近,Tckv=(Tr2+Tf1)*Tinv。若Tr2饱和(Tr2=15),则Tckv用(Tf2+Tf1)*Tinv*2近似。
●当Tf1大于Tf2时,Frd<15>距离右侧的上升沿较近,Tckv=(Tr1+Tf1)*Tinv。若Tr1饱和(Tr1=15),则Tckv用(Tf2+Tf1)*Tinv*2近似。
由于采用了上述技术方案,本发明公开了一种低功耗的时间数字转换器、同时提出了配合以上电路工作的、具有极强鲁棒性和稳定性的PHV补偿算法和TDC_Gain计算算法,并通过RTL电路实现。高速的TDC硬件电路与RTL算法电路相互协作,可以使整个TDC系统的测量误差小于一个TDC_LSB、具有极强的稳定性和鲁棒性、较小的电路面积和较低的功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为TDC延时链与TDC_Q产生电路实现图;
图2为带Enable信号的SAFF原理图;
图3为CKR产生逻辑电路图;
图4为CKR产生时序图;
图5为PHV整数计数电路示意图;
图6为TDC_Q0<29∶1>译码示意图;
图7为TDC_EN信号产生逻辑图;
图8 TT/27℃Corner不同CKV频率下TDC误差及TDC_Gain变化图;
图9 SS/125℃Corner不同CKV频率下TDC误差及TDC_Gain变化图;
图10 FF/-40℃Corner不同CKV频率下TDC误差及TDC_Gain变化图;
图11 TDC有无TDC_EN信号消耗电流对比图;
图12为本发明中低功耗的时间数字转换器的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚,下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述:
如图12所示的一种低功耗的时间数字转换器,该TDC电路适用于全数字锁相环(ADPLL)中相位误差的计算,该时间数字转换器具体包括时间数字编码产生电路、CKR的产生电路、PHV_INT的计数电路以及TDC_EN产生电路;该电路提出了配合以上电路工作的、具有极强鲁棒性和稳定性的PHV补偿算法和TDC_Gain计算算法,并通过RTL电路实现。高速的TDC硬件电路与RTL算法电路相互协作,可以使整个TDC系统的测量误差小于一个TDC_LSB、具有极强的稳定性和鲁棒性、较小的电路面积和较低的功耗。
一种低功耗的时间数字转换器,该电路结构适用于ADPLL中相位误差的小数位补偿,使ADPLL在频率锁定时得到更高的输出频率的精度。低功耗的时间数字转换器TDC的具体工作过程包括以下步骤:
步骤1-1:DCO(数控振荡器)的输出经过差分二分频电路生成四路相位依次相差90°的时钟信号Phase0、Phase90、Phase180、Phase270,其中Phase0作为补偿时钟信号,Phase90作为计数时钟信号,Phase180、Phase270作为前面两路时钟的延时时钟;
步骤2-1基准时钟Fref经过29个延时单元的延时后得到一组位宽与延时单元数目相等的总线Frd<29∶1>,该总线分别作为SAFF的采样时钟对补偿时钟Phase0进行采样,得到一组数据总线TDC_Q0<29∶1>;
步骤2-2将步骤2-1中得到的Fref经过15个延时单元的信号Frd<15>对计数时钟Phase90采样,得到TDC_Q90<15>;
步骤3-1将步骤2-1中得到的Frd<15>用四路不同相位时钟Phase0、Phase90、Phase180、Phase270先后进行采样,得到CKR的两路待选信号CKR0和CKR180;
步骤3-2使用步骤2-2得到的TDC_Q90<15>作为MUX的选择信号对两路待选信号进行选择得到CKR;
步骤4-1整数计数电路对计数时钟Phase90的周期进行计数,每次Phase90的上升沿计数值加1,使用步骤3-2中得到的CKR信号对计数值采样,得到该Fref周期内PHV_INT的数值;
所述PHV补偿机制均使用数字逻辑的方法实现,包括以下步骤:
步骤5-1将步骤2-1得到的数据总线TDC_Q0<29∶1>用Verilog代码进行译码,得到4组数据Tr1、Tr2、Tf1、Tf2;
步骤5-2将步骤5-1得到的4组数据Tr1、Tr2、Tf1、Tf2经过补偿算法得到PHV_Frac,并得到TDC的增益TDC_Gain。
如图1所示,时间数字编码产生电路中的Fref信号经过29个延时单元得到信号Frd<29∶1>,信号Frd<29∶1>,依次作为29个SAFF的采样时钟对补偿时钟Phase0进行采样,得到TDC的编码输出TDC_Q0<29∶1>;与此同时,使用Frd<15>作为SAFF的采样时钟对Phase90进行采样,得到TDC_Q90<15>信号;
图2所示为一种带Enable信号的SAFF的原理图,其工作原理如下:
若EN信号为低,输入管MN1和MN2关断,交叉耦合通路电流为0;同时PMOS管MP6和MP4开启,使MP8和MP7关断,电路输出级电流也为0;
若EN信号为高,电路正常工作,即在CLK的上升沿对输入数据进行采样。由于SAFF具有使能功能,配合后面介绍的Enable信号产生逻辑电路,可以使SAFF仅在Fref上升沿前后一小段时间内开启,其余大部分时间都处于关断状态,这样可以极大地降低电路的功耗。
图3所示为CKR的产生逻辑电路图,具体实现如下:
为了避免DFF的metastability问题,使用Phase0和Phase180分别对Frd<15>信号进行采样,为了降低对后级电路的时序压力,再使用Phase0和Phase270分别对前级DFF的输出再采样,最后用Phase270作为时钟对两路信号再一次采样得到CKR的两路待选信号CKRO和CKR180。最后使用TDC_Q90<15>作为Mux的选择信号得到CKR信号。其具体时序如图4所示;
在图4中的区域4,CKR的产生会延后一个CKV的周期,导致PHV的计数增加1,因此PHV的整数计数结果需要减去TDC_Q90<15>&TDC_Q0<15>。Frd<15>对Phase0和Phase90分别进行采样得到TDC_Q0<15>和TDC_Q90<15>的过程中,若发生metastability问题,可能的结果如下:
在区域3和区域4的相交处:若TDC_Q90<15>为0,则CKR由CKR180产生,此时PHV计数不会增加1,且TDC_Q90<15>&TDC_Q0<15>=0;若TDC_Q90<15>为1,则CKR由CKRO产生,此时PHV计数会增加1,且TDC_Q90<15>&TDC_Q0<15>=1,相减后结果与TDC_Q90<15>为0时一致;
在区域4和下一个Phase0周期的区域1的相交处:若TDC_Q0<15>为1,补偿值接近+0.5,TDC_Q90<15>&TDC_Q0<15>=1;若TDC_Q0<15>为0,补偿值接近-0.5,TDC_Q90<15>&TDC_Q0<15>=0,补偿结果与TDC_Q0<15>为1时也是一致的。
综上,在产生TDC_Q0<15>和TDC_Q90<15>信号,进而判决PHV计数时是否应该减1的过程中,发生metastability问题,只要TDC_Q不出现0-1-0或者1-0-1交替变化的情况,就不会对PHV计数产生致命的错误,最坏的情况只是在对PHV整数补偿时产生数个TDC_LSB的误差。这样设计的采样系统就具有极强的鲁棒性。
本发明采用了如图5所示的分段计数器产生PHV_INT以减少计数电路的时序压力。首先将计数时钟Phase90四分频后得到PHV_INT高6位PHV_INT<7∶2>的计数时钟Phase90DIV4,PHV_INT的低2位PHV_INT<1∶0>由如图5所示的Din<3∶0>通过译码电路得到,译码逻辑如表1所示:
表1 PHV_INT低2位译码逻辑
TDC译码方式如图6所示,TDC_Q0<29∶1>经过译码逻辑电路得到4组数据Tr1、Tr2、Tf1、Tf2,利用该4组数据进行PHV补偿的具体方法如下:
(1)当TDC_Q0<15>=0,即图6中左图所示,有:
●Tr1!=15,则Tr1为准确值,此时补偿值Frac=-Tr1*TDC_Gain;
●Tr1=15,此时使用Tr2近似计算补偿值Frac=-0.5+Tr2*TDC_Gain;
(2)当TDC_Q0<15>=1,即图6中右图所示,有:
●Tf1!=15,则Tf1为准确值,此时补偿值Frac=Tf1*TDC_Gain;
●Tf1=15,此时使用Tf2近似计算补偿值Frac=0.5-Tf2*TDC_Gain;
理论上该补偿方法可以在TDC的测量范围小于一个CKV的周期的情况下也能保持较小的测量误差。
TDC_Gain由下面的公式得到:
式中Tinv为单个延时单元的延时时间,Tckv为CKV的周期。其计算方法如下:
(1)当TDC_Q0<15>=0,即图6中左图所示,有:
●当Tr1小于Tr2时,Frd<15>距离右侧的上升沿较近,Tckv=(Tr2+Tf1)*Tinv。若Tf2饱和(Tf2=15),则Tckv用(Tr2+Tr1)*Tinv*2近似。;
●当Tr1大于Tr2时,Frd<15>距离左侧的上升沿较近,Tckv=(Tr1+Tf1)*Tinv。若Tf1饱和(Tf1=15),则Tckv用(Tr2+Tr1)*Tinv*2近似;
(2)当TDC_Q0<15>=1,即图6中右图所示,有:
●当Tf1小于Tf2时,Frd<15>距离左侧的上升沿较近,Tckv=(Tr2+Tf1)*Tinv。若Tr2饱和(Tr2=15),则Tckv用(Tf2+Tf1)*Tinv*2近似。
●当Tf1大于Tf2时,Frd<15>距离右侧的上升沿较近,Tckv=(Tr1+Tf1)*Tinv。若Tr1饱和(Tr1=15),则Tckv用(Tf2+Tf1)*Tinv*2近似;
按照上述逻辑计算的TDC_Gain在TDC的测量范围大于等于一个CKV周期的情况下是准确的,当TDC的测量范围小于一个CKV周期时,会有一定的概率出现误差(即只求出半个CKV的周期的情况),并且CKV周期相对TDC的测量范围越大,出现误差的概率就越大。所以在RTL代码中TDC_Gain为12位定点数,且对TDC_Gain做了16点的滑动平均,能够减小TDC_Gain的变化引入的误差。
如图7所示,将Phase90DIV4进行2分频得到Phase90DIy8,对Frd<29>进行数次采样,每次采样能够使Frd<29>延迟约3.3ns,将数次采样后的输出与CKR作或非运算后得到TDC_EN信号,控制TDC中SAFF在需要工作的一小段时间内开启,以降低系统功耗。
后仿真过程、结果及分析如下:
(1)后仿真过程:为了保证基准时钟Fref的上升沿在CKV的任意位置都能够得到正确的补偿结果,本实验对TDC进行后仿真时使用VerilogA编写了一个矩形波波形发生器,其产生的波形的上升沿与下降沿的时间差在一个CKV周期内随机变化,使用该矩形波作为TDC的基准时钟Fref,CKV的频率不发生变化,将TDC补偿后的PHV做微分后与理想情况下的PHV微分值做差得到TDC的测量误差,若测量误差在1LSB以下表示TDC工作正常。后仿真时基准时钟Fref的频率固定为100MHz,分别在CKV的频率为2011MHz、2417MHz、3011MHz条件下进行10μs的瞬态仿真,分别得到TDC的测量误差和TDC_Gain的波形。
(2)后仿真结果及分析:
Tinv后仿结果在不同的Corner下存在一些偏差,图9所示为TT/27℃Corner下的Frd<29∶1>的波形图。更为极端的Corner下的数据如表2所示:
表2不同工艺角下的Tinv
由此得到不同工艺角、不同CKV频率下的TDC LSB数据如表3所示:
如图8所示,TT/27℃Corner下,不同CKV频率下的测量误差都在1个TDC_LSB以下,TDC_Gain最大波动范围大约为3;
如图9所示,SS/125℃Corner下,不同CKV频率下的测量误差都在1个TDC_LSB以下,TDC_Gain最大波动范围大约为5;
如图10所示,FF/-40℃Corner下,不同CKV频率下的测量误差都在1个TDC_LSB以下,TDC_Gain最大波动范围大约为5;
如图11所示,TT/27℃Corner下,Tref=16MHz,Fckv=2.4GHz,TDC_EN产生电路中Frd<29>的延时DFF数目为7(最大值,延时更多会导致TDC_EN的上升沿延后至Fref的上升沿之后),TDC有无TDC_EN信号的电流对比图。TDC总的平均电流为1.3mA;若TDC_EN始终有效,TDC的总平均电流为2.6mA,节省了一半的电流。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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