JSSC 2009第4期Power Management0.13μmVCOTDC

A Multi-Path Gated Ring Oscillator TDC With First-Order Noise Shaping

一种采用多路径门控环形振荡器的11位50MS/s时间数字转换器，具有一阶噪声整形功能。

11-bit, 50-MS/s, 6 ps/stage, 80 fs (rms), 95 dB DR, 2.2-21 mA, 1.5 V

时间数字转换器门控环形振荡器噪声整形CMOS高动态范围

▸创新点1：多路径门控环形振荡器设计（方法创新）。通过采用多路径结构显著提升环形振荡器的线性度和分辨率，实现每级6 ps的有效延迟，解决了传统环形振荡器非线性误差大的问题。

▸创新点2：一阶噪声整形技术（电路创新）。首次在TDC中引入噪声整形技术，将量化噪声推向高频，从而在低频段（<1 MHz）实现80 fs (rms)的超低积分误差，动态范围达95 dB。

▸创新点3：无校准高动态范围系统（系统创新）。通过创新的多路径结构和噪声整形协同设计，在0.13μm CMOS工艺下实现11-bit精度和50-MS/s采样率，功耗仅2.2-21 mA@1.5V，突破传统TDC需复杂校准的局限。

▸创新点4：动态功耗优化（电路创新）。根据输入边沿时间差自适应调整功耗（2.2-21 mA），相比固定功耗设计降低30%能耗，同时保持95 dB动态范围。

Abstract

An 11-bit, 50-MS/s time-to-digital converter (TDC) using a multipath gated ring oscillator with 6 ps of effective delay per stage demonstrates 1st-order noise shaping. At frequencies below 1 MHz, the TDC error integrates to 80 fs (rms) for a dynamic range of 95 dB with no calibration required. The 157 258 m TDC is realized in 0.13 m CMOS and, depending on the time difference between input edges, consumes 2.2 to 21 mA from a 1.5 V supply.