TDC学习--Time-to-Digital Converter Basics（一）_tdc时间数字转换器

正文内容均来自于Henzler于2010年发表的《Time-to-Digital Converters》。

最近在学习TDC，新的东西太多了，看了一遍忘得很快，碰巧前两天看到了有关费曼学习法，打算通过写博客来总结每个阶段的所学（其实就是疫情在家闲得慌/狗头），希望自己能够坚持。文中所有内容都是我个人对上述文献的一些总结，我还很菜，如有错误，敬请指正。

一、为什么会有TDC（时间数字转换器）？

到目前为止，芯片设计的总体1方向是，越来越小的面积，越来越低的功耗。以我目前正在学习的CMOS工艺为例，要使面积缩小，晶体管的尺寸也要随之减小，要使功耗降低，使电源电压降低，从而带来了设计上的一系列问题，如：晶体管的增益降低。尽管可以通过cascode结构、增加输出阻抗、使用有源负载等传统方法来改善增益。但由于电源电压的限制，即使提高了增益，电路的响应速度和电压摆幅也有可能因此而受到影响。尤其是电压摆幅降低，会使信噪比降低，降低输出信号水平。而在此基础上，数字辅助或增强技术（ Digital assist or enhancement techniques）可以用更小的代价来更好的实现这些功能。举个简单的例子：

在电压域中，电源电压变低，而噪声没变时，噪声对信号的影响就会愈发明显。而若将电压值转换成是与之对应的时间值（就类似于ADC将模拟电压值，转换成二进制码），则即使电源电压变小，要保证与原来相同的信息量，只需要增加时间长度即可。噪声存在于边沿跳变时刻，随着工艺的进步，边沿跳变时长会越来越短，并不会像电压域那样产生巨大的影响。这样就解决了上面所述的电源电压降低带来的一系列问题，将信号处理从电压域转到了时域，一系列新的技术应运而生。

二、第一代TDC（模拟TDC）

        第一代TDC设计的目的似乎只是为了将时间值测量出来。结构图所示：

     

 框图和时序图如上所示。先通过脉冲信号发生器，将Start（时间起始信号）和Stop（时间结束信号）之间的时间间隔装化成脉冲信号（如波形Vp），再通过积分器，将脉冲信号转化成电压信号传递给ADC，最后输出数字信号。假设ADC位数为N，则该TDC的动态范围

 

由上式可见，当TDC测量的范围越大，由于ADC的位数固定，所以TDC的分辨率也就越低。 

长时间的测量需要分两个阶段来进行：长时间间隔的粗量化（由时钟周期数得出），以及粗量化之后剩余部分的细量化（由上述结构得出）。

有几个问题会降低TDC得性能：脉冲发生器、积分器和ADC必须满足整个TDC的线性要求。

普通的积分器是通过一个电流源连接到一个积分电容来实现的，由于实际电流源的输出电阻是有有限的，所以线性度也很弱。可以用有源RC积分器（运放结构）来解决线性度的问题，但是运放有限的带宽限制了积分电路的速度和最小时间间隔。导致分辨率不会很高。

上述测量方法都是要在已知电阻电容具体值的情况下进行的，属于绝对时间测量方法。而由于工艺原因，电阻与电容的值不可能十分精准，故需要校准。而相对测量方法可以有效的避免这个问题。

 

可以通过双斜率积分来实现相对测量。主要分为两个测量阶段：

第一阶段，up支路有效， 将Start信号与Stop信号的时间间隔转换为脉冲信号，再通过积分器转化为电压信号，将电压信号输入到电压比较器的正输入端，作为参考信号。

第二阶段，down支路有效，进行为第一阶段1/p倍速度的积分，知道积分出的电压值与第一阶段的输出相等，比较器翻转，计数器输出计数值。

如此，就有了第二阶段的积分时间 t2 ，是第一段积分时间 t1 的 p 倍，而计数器在第一和第二阶段都是计数的，所以计数器的输出应为（1+p）t1，再通过 t1 与输入的关系，只要已知 p 即可得到输入。p与电容和电流的比值有关，为（C2*I1） / （C1*I2）。

基于双斜率方法的TDC，前一段时间还读到过一篇：

  A Low-Cost Low-Power CMOS Time-to-Digital Converter Based on Pulse Stretching (2006)

该文章是用pulse stretcher（脉冲展宽）电路来粗量化之后的剩余部分进行展宽，再进行细量化。优点是在保证了分辨率的同时，还有低功耗的特点。