0 引言

    高精度時(shí)間測(cè)量技術(shù)在空間探索、高能物理、遙感遙測(cè)以及流量、距離、溫度、厚度等測(cè)量領(lǐng)域都有極其重要的作用。通過(guò)集成電路實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量的方法有多種，此類(lèi)電路比較常用的名稱(chēng)是時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Time-to-Digital Converter，TDC）^[1-3]。TDC電路有不同的原理和實(shí)現(xiàn)方法，目前常用的方法包括抽頭延遲線法、游標(biāo)法和電容充放電法等。首先對(duì)TDC電路的原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明，在此基礎(chǔ)上介紹了一種基于環(huán)形振蕩器（環(huán)振）的TDC芯片設(shè)計(jì)。

1 高精度時(shí)間測(cè)量的原理

    通過(guò)集成電路實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量的常用原理與方法包括以下幾種。

1.1 直接計(jì)數(shù)法

    最簡(jiǎn)單的TDC電路就是通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)對(duì)要計(jì)量的時(shí)間范圍進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)值來(lái)計(jì)算時(shí)間值，這種方法就是直接計(jì)數(shù)法，其時(shí)間測(cè)量的分辨率是由用于計(jì)數(shù)的時(shí)鐘信號(hào)周期決定的。由于超高頻率時(shí)鐘信號(hào)的生成與傳輸都比較困難，所以通過(guò)這種方法通常只能達(dá)到納秒數(shù)量級(jí)的測(cè)量分辨率。這使得它無(wú)法用于高精度時(shí)間測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合。但這種方法可以與其他測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，用于增加測(cè)量的量程。

1.2 基于抽頭延遲線法的時(shí)間測(cè)量

    抽頭延遲線法的原理是讓被測(cè)量時(shí)間段的開(kāi)始信號(hào)Start通過(guò)延遲線進(jìn)行傳輸，使用延遲線上的抽頭信號(hào)探測(cè)它在被測(cè)量時(shí)間段內(nèi)在延遲線中傳遞到的位置，從而得到時(shí)間測(cè)量的結(jié)果。在這種測(cè)量方法中，相鄰抽頭之間的信號(hào)延遲時(shí)間就是測(cè)量的分辨率。在通過(guò)集成電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常使用的延遲單元是反相器或緩沖器，在目前常用的工藝條件下這些單元的延遲時(shí)間大約在10¹~10² ps量級(jí)，對(duì)于大多數(shù)測(cè)量來(lái)說(shuō)，這樣的分辨率已經(jīng)可以滿(mǎn)足要求了。

    抽頭延遲線法時(shí)間測(cè)量電路的基本原理如圖1所示。其中被測(cè)時(shí)間段的開(kāi)始信號(hào)是Start，停止信號(hào)是Stop，在抽頭處使用Stop信號(hào)對(duì)經(jīng)過(guò)延遲線傳輸?shù)腟tart信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣結(jié)果Q₀~Q_n（溫度計(jì)型編碼）和每個(gè)單元的延遲時(shí)間τ可以計(jì)算出被測(cè)時(shí)間段的長(zhǎng)度。抽頭延遲線法的量程由延遲線的長(zhǎng)度(延遲單元的數(shù)量)和單位延遲時(shí)間τ決定，它的分辨率就是單位延遲時(shí)間τ。為了能使用較少的硬件資源達(dá)到較大的量程，在實(shí)際設(shè)計(jì)中抽頭延遲線通常會(huì)構(gòu)造成環(huán)形振蕩器(環(huán)振)的形式^[4]。

1.3 基于游標(biāo)法的時(shí)間測(cè)量

    為了獲得更高的測(cè)量分辨率，可以采用類(lèi)似游標(biāo)卡尺的方法^[5-6]。它使用兩條延遲線，每條延遲線中各個(gè)單元的延遲時(shí)間分別為τ₁和τ₂(τ₁>τ₂)，τ₁和τ₂之間有固定的延遲差，通過(guò)這兩條延遲線分別對(duì)開(kāi)始信號(hào)Start與結(jié)束信號(hào)Stop進(jìn)行傳遞(慢速延遲線傳遞Start信號(hào)，快速延遲線傳遞Stop信號(hào))，測(cè)量時(shí)要檢測(cè)傳遞過(guò)程中Stop信號(hào)在什么時(shí)候趕上Start信號(hào)，通過(guò)這個(gè)相遇點(diǎn)的位置即可得到Start與Stop之間的時(shí)間差。這種測(cè)量方法的分辨率是兩條延遲線的單位延遲時(shí)間差，即(τ₁～τ₂)。其量程由延遲單元數(shù)量和(τ₁～τ₂)共同決定。對(duì)經(jīng)過(guò)延遲的Start與Stop信號(hào)的相遇時(shí)間判斷可以通過(guò)觸發(fā)器采樣實(shí)現(xiàn)，也可以采用專(zhuān)門(mén)的信號(hào)重合檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)^[7]。為了保證用于測(cè)量的兩條延遲線中的電路單元有穩(wěn)定的延遲，常通過(guò)PLL或DLL來(lái)實(shí)現(xiàn)^[8-9]。

1.4 基于模擬電路的時(shí)間測(cè)量

    基于模擬電路的TDC實(shí)現(xiàn)方式包括電容充電法和時(shí)間放大法等。電容充電法^[10]是利用一個(gè)電流源在被測(cè)量時(shí)間段內(nèi)對(duì)一個(gè)電容充電，之后的處理方法又分成兩種：一種是利用另一個(gè)電流源對(duì)電容進(jìn)行放電，但是放電電流比充電電流小很多。充電電流I_charge和放電電流I_discharge的比值決定了充電時(shí)間與放電時(shí)間的比值，通過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)時(shí)間段的放大。另一種方法是在被測(cè)時(shí)間段內(nèi)完成電容充電后，直接使用ADC對(duì)電容上的電壓值進(jìn)行轉(zhuǎn)換^[11]，即可計(jì)算出充電的時(shí)間，其測(cè)量分辨率由充電電流源和ADC的分辨率決定。

    時(shí)間放大法是通過(guò)時(shí)間間隔放大電路把一個(gè)微小的時(shí)間間隔信號(hào)放大成比較容易測(cè)量的時(shí)間段，從而可以提高測(cè)量的分辨率，實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間測(cè)量^[12-13]。

    以上幾種不同的實(shí)現(xiàn)原理中，基于模擬電路的設(shè)計(jì)會(huì)隨著加工工藝而變化，工藝移植難度比較大?；诓罘盅舆t線的設(shè)計(jì)要求對(duì)兩條延遲線的線性度和穩(wěn)定性都有很好的控制，否則很容易使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。單一抽頭延遲線方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝移植性好、線性度較好的優(yōu)勢(shì)，采用環(huán)振結(jié)構(gòu)可以縮短延遲線的長(zhǎng)度，減少芯片面積，同時(shí)有利于提高線性度。因此，在分析比較不同時(shí)間測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，本文的TDC芯片設(shè)計(jì)選擇了基于抽頭延遲線的技術(shù)，其中的抽頭延遲線通過(guò)收尾相接構(gòu)成環(huán)振。這個(gè)TDC芯片的設(shè)計(jì)在下一節(jié)中討論。

2 TDC芯片設(shè)計(jì)

    針對(duì)流量、距離等方面的測(cè)量應(yīng)用，典型情況下分辨率達(dá)到90 ps可以滿(mǎn)足大部分情況的需求。在這些應(yīng)用背景下，設(shè)計(jì)了一種TDC芯片，其中的核心測(cè)量部分采用環(huán)振實(shí)現(xiàn)的抽頭延遲線結(jié)構(gòu)。

2.1 核心測(cè)量部分

    環(huán)振所采用的單元決定了延遲線的單位延遲τ，這也是測(cè)量的分辨率。在集成電路設(shè)計(jì)中，最簡(jiǎn)單的邏輯單元是反相器，本設(shè)計(jì)中也采用反相器作為延遲元件。同時(shí)，環(huán)振將產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)Ring_Clk作為精計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘，用于對(duì)環(huán)振的振蕩次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，這個(gè)精計(jì)數(shù)器得到的結(jié)果和對(duì)環(huán)振中各個(gè)反相器輸出采樣得到的結(jié)果共同構(gòu)成實(shí)際的測(cè)量值。為了測(cè)量多個(gè)通道設(shè)計(jì)了兩組采樣電路，也就是說(shuō)一個(gè)開(kāi)始信號(hào)Start可以對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的停止信號(hào)(Stop1和Stop2)，并且每個(gè)通道中的停止信號(hào)可以進(jìn)行多次采樣。根據(jù)環(huán)振采樣和精計(jì)數(shù)器的結(jié)果就可以計(jì)算被測(cè)量的時(shí)間值為：

其中，Cnt_fine是由Ring_Clk控制的精計(jì)數(shù)器值，n為環(huán)振級(jí)數(shù)，m是用Stop1/Stop2信號(hào)對(duì)環(huán)振中傳遞信號(hào)的采樣結(jié)果(溫度計(jì)碼)轉(zhuǎn)換成的數(shù)值，τ是環(huán)振單元的延遲時(shí)間。由式(1)可知，環(huán)振的測(cè)量范圍（量程）是由環(huán)振級(jí)數(shù)和環(huán)振時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)的精計(jì)數(shù)器位數(shù)確定的，它的最小測(cè)量分辨率就是延遲單元的延遲時(shí)間τ。

    環(huán)振的設(shè)計(jì)對(duì)測(cè)量精度和性能有很大的影響。設(shè)計(jì)中首先要保證環(huán)振單元和采樣電路的均勻一致，以減少測(cè)量結(jié)果非線性的出現(xiàn)，因此這部分的版圖采用了定制設(shè)計(jì)方法。其次，環(huán)振延遲單元中晶體管的大小選擇也很重要，如果太小，會(huì)使得測(cè)量分辨率較低；如果太大，會(huì)使環(huán)振功耗增加很多，而測(cè)量分辨率的提高不明顯，因此延遲單元的設(shè)計(jì)是考慮多種因素并進(jìn)行折中的結(jié)果。通過(guò)分析比較和SPICE仿真，最終確定的環(huán)振單元晶體管尺寸為：

    PMOS管： W_p=2.18 μm，L_p=0.18 μm

　　NMOS管： W_n=0.84 μm，L_n=0.18 μm

按這樣的尺寸其延遲時(shí)間在25 ℃典型情況下的后仿真結(jié)果是51.29 ps。

    在TDC電路測(cè)量過(guò)程中，由于環(huán)振部分工作在很高頻率下，又是在外部異步信號(hào)控制下進(jìn)行采樣，因此需要特別考慮采樣過(guò)程中出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。環(huán)振采樣結(jié)果是溫度計(jì)型編碼，采樣過(guò)程的亞穩(wěn)態(tài)會(huì)帶來(lái)結(jié)果中的氣泡問(wèn)題，因此在溫度計(jì)型編碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼時(shí)加入了氣泡消除邏輯。精計(jì)數(shù)器結(jié)果的采樣過(guò)程中也可能出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)帶來(lái)的問(wèn)題，為此精計(jì)數(shù)器采用了Gray碼格式，以降低出錯(cuò)概率。同時(shí)，在電路設(shè)計(jì)中采用了多種措施以盡量避免信號(hào)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。

2.2 整體功能

    TDC芯片的各項(xiàng)功能是由MCU通過(guò)SPI接口進(jìn)行控制的，測(cè)量的結(jié)果也由MCU通過(guò)SPI進(jìn)行讀取。TDC芯片的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    為了適應(yīng)不同應(yīng)用的需要，設(shè)計(jì)支持兩種測(cè)量范圍：Range1和Range2。Range1只利用環(huán)振及其產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)Ring_Clk控制精計(jì)數(shù)器來(lái)進(jìn)行測(cè)量，量程相對(duì)較??；Range2則利用環(huán)振、精計(jì)數(shù)器和由系統(tǒng)時(shí)鐘控制的粗計(jì)數(shù)器來(lái)進(jìn)行測(cè)量，量程比較大。在本芯片的設(shè)計(jì)中，Range1的量程為9 ns到2.9 μs，Range2的量程在采用4 MHz時(shí)鐘控制粗計(jì)數(shù)器并且不分頻時(shí)為750 ns到16 ms。各種測(cè)量模式都用到環(huán)振，整個(gè)測(cè)量結(jié)果的時(shí)間分辨率仍然是環(huán)振中延遲單元的延遲時(shí)間τ。在使用中可以根據(jù)被測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)選擇相應(yīng)的測(cè)量范圍。

    除了Range1和Range2測(cè)量之外，該芯片還支持自校準(zhǔn)、測(cè)溫等功能。自校準(zhǔn)是以晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行的，通過(guò)校準(zhǔn)可以判斷TDC芯片參數(shù)隨加工工藝、工作時(shí)的電壓、溫度等條件發(fā)生變化的情況并對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。測(cè)溫是通過(guò)測(cè)量由熱敏電阻與參考電阻進(jìn)行放電的時(shí)間差別來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由此可以計(jì)算出溫度值。這些測(cè)量過(guò)程都以時(shí)間測(cè)量部分為核心。

2.3 物理設(shè)計(jì)

    該TDC芯片的設(shè)計(jì)采用了0.18 ?滋m 1P5M 1.8 V Core/3.3 V IO CMOS工藝。為了保證芯片的性能指標(biāo)，環(huán)振及其采樣電路部分采用了定制版圖設(shè)計(jì)方法。其他邏輯部分基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)，采用邏輯綜合與布局布線設(shè)計(jì)工具完成。最終設(shè)計(jì)完成的芯片面積為：1.105 6×1.105 6 mm²。TDC芯片版圖如圖3所示。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，仿真結(jié)果表明各項(xiàng)功能和參數(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 芯片測(cè)試

    TDC芯片通過(guò)0.18 μm 1P5M CMOS工藝進(jìn)行流片。完成流片加工后，采用集成電路測(cè)試機(jī)臺(tái)進(jìn)行了各項(xiàng)參數(shù)和性能指標(biāo)的測(cè)試。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該TDC芯片各項(xiàng)功能正確，參數(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在-40 ℃～+85 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)可以正常工作。在I/O電壓3.3 V、內(nèi)核電壓1.8 V條件下的一些參數(shù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表1所示。其中靜態(tài)功耗電流中的大部分是被所使用的Voltage Regulator IP消耗的，按照手冊(cè)它的25 ℃時(shí)典型條件下靜態(tài)電流約為120 μA。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的TDC芯片的測(cè)量分辨率滿(mǎn)足流量、溫度、距離、速度等多種測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

    由于TDC芯片的輸出結(jié)果是一個(gè)測(cè)量值，外部環(huán)境和芯片的差異都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的變化，使用通常的集成電路測(cè)試機(jī)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試時(shí)效率不高。基于這種情況開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的測(cè)試電路板，如圖4所示。通過(guò)這個(gè)測(cè)試板可以進(jìn)行芯片功能和基本參數(shù)的測(cè)試，顯著提高了測(cè)試效率。

3 總結(jié)

    本文討論了高精度時(shí)間測(cè)量的原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上介紹了一種基于環(huán)振的TDC芯片設(shè)計(jì)，該芯片支持多種測(cè)量和校準(zhǔn)功能，采用0.18 μm 1P5M CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，測(cè)量分辨率達(dá)到52 ps，可以滿(mǎn)足多種應(yīng)用場(chǎng)合的需要。

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作者信息:

蔣安平，牛硯波，胡文瑞，胡貴才，吳曉靜，劉立全，劉麗麗，何  宇

（北京微電子技術(shù)研究所，北京100076）