【摘要】：精密的時(shí)間測(cè)量在一些大型物理實(shí)驗(yàn)、國(guó)防和工業(yè)領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色,時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converter,TDC)作為時(shí)間測(cè)量的基本器件,其分辨率直接決定其應(yīng)用系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和性能優(yōu)劣。此外,在深亞微米工藝下,數(shù)字集成電路突顯出諸多相對(duì)于模擬集成電路的優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越多的電路系統(tǒng)采用數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn),由于TDC能夠?qū)⑦B續(xù)的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),所以在深亞微米工藝下一些數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中,TDC將作為其中的一個(gè)關(guān)鍵模塊。無(wú)論是在精密時(shí)間測(cè)量還是基于TDC的數(shù)字電路中,TDC的分辨率都是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素,因此,對(duì)高分辨率時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計(jì)具有重要意義。本文以高分辨率時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為設(shè)計(jì)目標(biāo),在深入調(diào)研并分析不同高分辨率TDC結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)之上,采用流水線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高分辨率的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。本文分析了時(shí)間存儲(chǔ)技術(shù)并進(jìn)行了電路實(shí)現(xiàn),完成了基于流水線結(jié)構(gòu)的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)了數(shù)字校正算法,減小了失調(diào)誤差對(duì)TDC測(cè)量的不利影響。本文所設(shè)計(jì)的TDC包含時(shí)鐘電路、前級(jí)處理電路、三級(jí)2.5位/級(jí)結(jié)構(gòu)、一級(jí)3位延時(shí)鏈TDC結(jié)構(gòu)和數(shù)字校正電路。在前級(jí)處理電路中,設(shè)計(jì)了脈沖發(fā)生器,將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào),方便后級(jí)電路對(duì)其進(jìn)行處理;在2.5位/級(jí)結(jié)構(gòu)中,設(shè)計(jì)了一種基于靈敏放大器結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器,該觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)時(shí)間窗口非常小,可以避免子TDC輸出的溫度計(jì)碼中出現(xiàn)“氣泡”,從而影響TDC的整體測(cè)量結(jié)果,同時(shí)采用了一種新型的時(shí)間放大器,解決了傳統(tǒng)時(shí)間放大器放大倍數(shù)不精確且不易控制的缺點(diǎn),對(duì)量化余量進(jìn)行了精確放大,實(shí)現(xiàn)了后級(jí)電路輸入信號(hào)的正確產(chǎn)生;最后利用數(shù)字校正電路對(duì)各級(jí)輸出的二進(jìn)制碼進(jìn)行處理,產(chǎn)生9位的數(shù)字量輸出。采用SMIC 0.18μm CMOS工藝完成了流水線型時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電路和版圖設(shè)計(jì),核心電路版圖面積為415μm×217μm,仿真結(jié)果表明,該TDC的采樣率為50MS/s,分辨率為4.62ps,動(dòng)態(tài)范圍為0~2348ps。
【圖文】：

a) 電路結(jié)構(gòu)圖 b) 非線性測(cè)試結(jié)果圖 1-1 coarse-fine TDC 電路結(jié)構(gòu)和測(cè)試結(jié)果[39]2009 年，芬蘭奧盧大學(xué)的 Antti M ntyniemi 和 Timo Rahkonen 等人間內(nèi)的連續(xù)近似方法對(duì)延時(shí)單元進(jìn)行插值，提高了 TDC 的精度。該35μm CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)，，其分辨率為 1.2ps，單輸入精度可達(dá) 3.2ps，動(dòng)

a) 芯片結(jié)構(gòu)圖 b) 標(biāo)準(zhǔn)偏差測(cè)試結(jié)果圖 1-2 內(nèi)插值型 TDC 芯片結(jié)構(gòu)和測(cè)試結(jié)果[34] 年美國(guó)麻省理工大學(xué)的 MatthewZ.Straayer 和 MichaelH.Perrott 等路環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)的 TDC(GatedRingOscillatorTDC,GRO-TDC)，于 ADPLL 中，該 TDC 基于 0.13μmCMOS 工藝實(shí)現(xiàn)，其分辨率可達(dá)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TN702

【參考文獻(xiàn)】

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1 王巍;董永孟;李捷;熊拼搏;周浩;楊正琳;王冠宇;袁軍;周玉濤;;基于FPGA的高精度多通道時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)[J];微電子學(xué);2015年06期

2 江晨;黃煜梅;洪志良;;A multi-path gated ring oscillator based time-to-digital converter in 65 nm CMOS technology[J];Journal of Semiconductors;2013年03期

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1 劉曉露;全數(shù)字鎖相環(huán)中的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器研究與設(shè)計(jì)[D];復(fù)旦大學(xué);2013年

2 紀(jì)偉偉;應(yīng)用于全數(shù)字鎖相環(huán)中的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)器的研究與設(shè)計(jì)[D];復(fù)旦大學(xué);2013年

3 宗士新;高分辨率數(shù)字時(shí)間轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2526299