高精度宽范围的时间数字转换电路设计

摘要

精确的时间间隔测量技术已广泛地应用于科学研究、工程实践、军事航空等方面。时间数字转换电路(Time to Digital Converter,TDC)作为专用的时间间隔测量电路，用于将两个异步信号触发沿定义的连续时间间隔转化成数字信号，且随着时间间隔测量技术的广泛应用得到迅速发展。在温度传感检测应用中，TDC作为一种特殊的模数转换电路(Analog to Digital Converter，ADC)，有效替代了传统ADC，解决了先进CMOS工艺条件下高性能ADC设计难度大从而制约温度传感器性能的难题。
　　针对温度传感检测应用中高精度、宽量程和高稳定性的设计要求，本文提出了一种基于滑尺法的三段式TDC电路。首先，为改善TDC线性度提高量化精度，本文三段式TDC采用滑尺法量化原理，分别对初相和末相进行细量化。采用多段式TDC分步量化，兼顾量程与分辨率，同时，为提高系统稳定性，本文高、中、低各段TDC量化分辨率均由闭环反馈控制电路产生。采用延迟锁相环(delay-locked loop，DLL)闭环反馈控制电路产生周期精准的时钟信号以及均匀的时钟分相，其中精准的时钟周期作为高段位分辨率，配合计数器构成高段位计数型TDC，用以扩展TDC量程;均匀的时钟分相作为中段位TDC分辨率对高段位量化误差进行细量化。最后，通过闭环反馈控制电路产生子门延迟时间，基于并行扩展延迟线TDC量化原理，提出改进型子门延迟线TDC结构，实现子门延迟时间分辨率。与已有的两段式TDC结构相比，本设计方案，不仅兼顾量程与分辨率，同时通过滑尺法以及闭环反馈控制逻辑有效改善精度提高系统稳定性，满足温度传感检测应用需求。
　　本设计采用GSMC0.18μm CMOS工艺，通过Cadence EDA工具完成了电路设计、版图设计和前、后仿真，并与另外两个设计方案拼在一起进行MPW流片验证，总电路面积1951.91μm×992.88μm，其中TDC电路面积877.51μm×992.88μm。芯片测试结果表明:在125MHz输入参考时钟、1.8V电源电压、27℃条件下，三段式TDC可实现250ps分辨率，测量范围可达4.08μs，DNL控制在-0.26LSB～0.30LSB之间，INL为-0.42LSB～0.46LSB，单射精度为0.91LSB，且在整个温度检测范围-20℃～100℃之间测试结果均满足设计指标要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状与发展趋势

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 发展趋势

1．3 主要研究内容与技术指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文组织结构

第二章 分段式TDC的基本原理与结构

2．1 分段式TDC时间量化原理

2．2 TDC主要性能指标

2．2．2 动态参数

2．3 分段式TDC典型结构

2．3．1 时钟周期分辨率TDC

2．3．2 门级延迟分辨型TDC

2．3．3 子门级延分辨型TDC

2．3．4 各类分段式TDC结构比较

2．4 本章小结

第三章 基于滑尺法的三段式TDC电路设计

3．1．1 基于滑尺法的三段式TDC计数原理

3．1．2 多段式TDC的误码分析

3．1．3 三段式TDC系统架构

3．2 高段位时钟周期整数计数型TDC电路设计

3．3 中段位时钟周期分辨型DLL-TDC电路设计

3．3．1 DLL多相时钟设计

3．3．2 中段位TDC前仿验证

3．3．3 DLL-TDC段间误码解决方案

3．4 低段位子门延迟线型TDC电路设计

3．4．1 剩余时间提取电路

3．4．2 子门延迟线电路设计

3．5 本章小结

第四章 TDC系统版图设计及仿真验证

4．1 三段式TDC系统前仿真

4．2 TDC系统版图设计

4．2．1 版图设计约束

4．2．2 TDC版图整体布局

4．2．3 关键模块及整体版图设计

4．3 后仿真结果验证

4．3．1 关键模块后仿真验证

4．3．2 三段式TDC系统后仿真

4．4 本章小结

第五章 TDC芯片测试验证与结果分析

5．1 测试平台搭建

5．2 TDC功能测试验证

5．2．2 DLL功能测试

5．2．3 TDC计数功能测试

5．3 TDC性能测试及验证

5．3．1 分辨率及量程测试

5．3．2 线性特性测试

5．3．3 TDC单射精度测试

5．4 性能对比与结果分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文