0 引言

    高精度時間測量技術在空間探索、高能物理、遙感遙測以及流量、距離、溫度、厚度等測量領域都有極其重要的作用。通過集成電路實現高精度時間測量的方法有多種，此類電路比較常用的名稱是時間數字轉換器（Time-to-Digital Converter，TDC）^[1-3]。TDC電路有不同的原理和實現方法，目前常用的方法包括抽頭延遲線法、游標法和電容充放電法等。首先對TDC電路的原理和實現技術進行說明，在此基礎上介紹了一種基于環形振蕩器（環振）的TDC芯片設計。

1 高精度時間測量的原理

    通過集成電路實現高精度時間測量的常用原理與方法包括以下幾種。

1.1 直接計數法

    最簡單的TDC電路就是通過時鐘信號對要計量的時間范圍進行計數，根據計數值來計算時間值，這種方法就是直接計數法，其時間測量的分辨率是由用于計數的時鐘信號周期決定的。由于超高頻率時鐘信號的生成與傳輸都比較困難，所以通過這種方法通常只能達到納秒數量級的測量分辨率。這使得它無法用于高精度時間測量的應用場合。但這種方法可以與其他測量技術相結合，用于增加測量的量程。

1.2 基于抽頭延遲線法的時間測量

    抽頭延遲線法的原理是讓被測量時間段的開始信號Start通過延遲線進行傳輸，使用延遲線上的抽頭信號探測它在被測量時間段內在延遲線中傳遞到的位置，從而得到時間測量的結果。在這種測量方法中，相鄰抽頭之間的信號延遲時間就是測量的分辨率。在通過集成電路實現時，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間大約在10¹~10² ps量級，對于大多數測量來說，這樣的分辨率已經可以滿足要求了。

    抽頭延遲線法時間測量電路的基本原理如圖1所示。其中被測時間段的開始信號是Start，停止信號是Stop，在抽頭處使用Stop信號對經過延遲線傳輸的Start信號進行采樣，根據采樣結果Q₀~Q_n（溫度計型編碼）和每個單元的延遲時間τ可以計算出被測時間段的長度。抽頭延遲線法的量程由延遲線的長度(延遲單元的數量)和單位延遲時間τ決定，它的分辨率就是單位延遲時間τ。為了能使用較少的硬件資源達到較大的量程，在實際設計中抽頭延遲線通常會構造成環形振蕩器(環振)的形式^[4]。

1.3 基于游標法的時間測量

    為了獲得更高的測量分辨率，可以采用類似游標卡尺的方法^[5-6]。它使用兩條延遲線，每條延遲線中各個單元的延遲時間分別為τ₁和τ₂(τ₁>τ₂)，τ₁和τ₂之間有固定的延遲差，通過這兩條延遲線分別對開始信號Start與結束信號Stop進行傳遞(慢速延遲線傳遞Start信號，快速延遲線傳遞Stop信號)，測量時要檢測傳遞過程中Stop信號在什么時候趕上Start信號，通過這個相遇點的位置即可得到Start與Stop之間的時間差。這種測量方法的分辨率是兩條延遲線的單位延遲時間差，即(τ₁～τ₂)。其量程由延遲單元數量和(τ₁～τ₂)共同決定。對經過延遲的Start與Stop信號的相遇時間判斷可以通過觸發器采樣實現，也可以采用專門的信號重合檢測電路實現^[7]。為了保證用于測量的兩條延遲線中的電路單元有穩定的延遲，常通過PLL或DLL來實現^[8-9]。

1.4 基于模擬電路的時間測量

    基于模擬電路的TDC實現方式包括電容充電法和時間放大法等。電容充電法^[10]是利用一個電流源在被測量時間段內對一個電容充電，之后的處理方法又分成兩種：一種是利用另一個電流源對電容進行放電，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間與放電時間的比值，通過這種方法實現對被測時間段的放大。另一種方法是在被測時間段內完成電容充電后，直接使用ADC對電容上的電壓值進行轉換^[11]，即可計算出充電的時間，其測量分辨率由充電電流源和ADC的分辨率決定。

    時間放大法是通過時間間隔放大電路把一個微小的時間間隔信號放大成比較容易測量的時間段，從而可以提高測量的分辨率，實現精確時間測量^[12-13]。

    以上幾種不同的實現原理中，基于模擬電路的設計會隨著加工工藝而變化，工藝移植難度比較大。基于差分延遲線的設計要求對兩條延遲線的線性度和穩定性都有很好的控制，否則很容易使測量結果出現誤差。單一抽頭延遲線方式具有結構簡單、工藝移植性好、線性度較好的優勢，采用環振結構可以縮短延遲線的長度，減少芯片面積，同時有利于提高線性度。因此，在分析比較不同時間測量原理的基礎上，本文的TDC芯片設計選擇了基于抽頭延遲線的技術，其中的抽頭延遲線通過收尾相接構成環振。這個TDC芯片的設計在下一節中討論。

2 TDC芯片設計

    針對流量、距離等方面的測量應用，典型情況下分辨率達到90 ps可以滿足大部分情況的需求。在這些應用背景下，設計了一種TDC芯片，其中的核心測量部分采用環振實現的抽頭延遲線結構。

2.1 核心測量部分

    環振所采用的單元決定了延遲線的單位延遲τ，這也是測量的分辨率。在集成電路設計中，最簡單的邏輯單元是反相器，本設計中也采用反相器作為延遲元件。同時，環振將產生一個時鐘信號Ring_Clk作為精計數器的時鐘，用于對環振的振蕩次數進行計數，這個精計數器得到的結果和對環振中各個反相器輸出采樣得到的結果共同構成實際的測量值。為了測量多個通道設計了兩組采樣電路，也就是說一個開始信號Start可以對應兩個不同的停止信號(Stop1和Stop2)，并且每個通道中的停止信號可以進行多次采樣。根據環振采樣和精計數器的結果就可以計算被測量的時間值為：

其中，Cnt_fine是由Ring_Clk控制的精計數器值，n為環振級數，m是用Stop1/Stop2信號對環振中傳遞信號的采樣結果(溫度計碼)轉換成的數值，τ是環振單元的延遲時間。由式(1)可知，環振的測量范圍（量程）是由環振級數和環振時鐘信號驅動的精計數器位數確定的，它的最小測量分辨率就是延遲單元的延遲時間τ。

    環振的設計對測量精度和性能有很大的影響。設計中首先要保證環振單元和采樣電路的均勻一致，以減少測量結果非線性的出現，因此這部分的版圖采用了定制設計方法。其次，環振延遲單元中晶體管的大小選擇也很重要，如果太小，會使得測量分辨率較低；如果太大，會使環振功耗增加很多，而測量分辨率的提高不明顯，因此延遲單元的設計是考慮多種因素并進行折中的結果。通過分析比較和SPICE仿真，最終確定的環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間在25 ℃典型情況下的后仿真結果是51.29 ps。

    在TDC電路測量過程中，由于環振部分工作在很高頻率下，又是在外部異步信號控制下進行采樣，因此需要特別考慮采樣過程中出現的亞穩態問題。環振采樣結果是溫度計型編碼，采樣過程的亞穩態會帶來結果中的氣泡問題，因此在溫度計型編碼轉換為二進制碼時加入了氣泡消除邏輯。精計數器結果的采樣過程中也可能出現亞穩態帶來的問題，為此精計數器采用了Gray碼格式，以降低出錯概率。同時，在電路設計中采用了多種措施以盡量避免信號出現不穩定的情況。

2.2 整體功能

    TDC芯片的各項功能是由MCU通過SPI接口進行控制的，測量的結果也由MCU通過SPI進行讀取。TDC芯片的整體結構框圖如圖2所示。

    為了適應不同應用的需要，設計支持兩種測量范圍：Range1和Range2。Range1只利用環振及其產生的時鐘信號Ring_Clk控制精計數器來進行測量，量程相對較小；Range2則利用環振、精計數器和由系統時鐘控制的粗計數器來進行測量，量程比較大。在本芯片的設計中，Range1的量程為9 ns到2.9 μs，Range2的量程在采用4 MHz時鐘控制粗計數器并且不分頻時為750 ns到16 ms。各種測量模式都用到環振，整個測量結果的時間分辨率仍然是環振中延遲單元的延遲時間τ。在使用中可以根據被測時間的長短來選擇相應的測量范圍。

    除了Range1和Range2測量之外，該芯片還支持自校準、測溫等功能。自校準是以晶振產生的時鐘信號作為時間基準來進行的，通過校準可以判斷TDC芯片參數隨加工工藝、工作時的電壓、溫度等條件發生變化的情況并對結果進行修正。測溫是通過測量由熱敏電阻與參考電阻進行放電的時間差別來實現的，由此可以計算出溫度值。這些測量過程都以時間測量部分為核心。

2.3 物理設計

    該TDC芯片的設計采用了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，環振及其采樣電路部分采用了定制版圖設計方法。其他邏輯部分基于標準單元庫，采用邏輯綜合與布局布線設計工具完成。最終設計完成的芯片面積為：1.105 6×1.105 6 mm²。TDC芯片版圖如圖3所示。在整個設計過程中通過仿真驗證了設計的正確性，仿真結果表明各項功能和參數指標符合設計要求。

2.4 芯片測試

    TDC芯片通過0.18 μm 1P5M CMOS工藝進行流片。完成流片加工后，采用集成電路測試機臺進行了各項參數和性能指標的測試。實際測試結果表明，該TDC芯片各項功能正確，參數指標達到設計要求，在-40 ℃～+85 ℃的溫度區間內可以正常工作。在I/O電壓3.3 V、內核電壓1.8 V條件下的一些參數實際測試結果如表1所示。其中靜態功耗電流中的大部分是被所使用的Voltage Regulator IP消耗的，按照手冊它的25 ℃時典型條件下靜態電流約為120 μA。測試結果表明，設計實現的TDC芯片的測量分辨率滿足流量、溫度、距離、速度等多種測量領域的應用要求。

    由于TDC芯片的輸出結果是一個測量值，外部環境和芯片的差異都會導致測量結果的變化，使用通常的集成電路測試機臺進行測試時效率不高。基于這種情況開發了專門的測試電路板，如圖4所示。通過這個測試板可以進行芯片功能和基本參數的測試，顯著提高了測試效率。

3 總結

    本文討論了高精度時間測量的原理和實現技術，在此基礎上介紹了一種基于環振的TDC芯片設計，該芯片支持多種測量和校準功能，采用0.18 μm 1P5M CMOS工藝實現，測量分辨率達到52 ps，可以滿足多種應用場合的需要。

參考文獻

[1] KALISZ J.Review of methods for time interval measurements with picosecond resolution[J].Metrologia International Journal of Scientific Metrology，2004，41(1)：17-32.

[2] 張延，黃佩誠.高精度時間間隔測量技術與方法[J].天文學進展.2006，24(1)：1-15

[3] NAPOLITANO P，MOSCHITTA A，CARBONE P.A survey on time interval measurement techniques and testing methods[C].Instrumentation and Measurement Technology Conference(I2MTC).IEEE Conference Publications，2010.

[4] VOELKER M，HAUER J.A low power oscillator based TDC with in-system non-linearity correction[C].2012 IEEE International Symposium on Circuits and Systems.IEEE Conference Publications，2012.

[5] YU J，DAI F F，JAEGER R C. A 12-bit vernier ring time-to-digital converter in 0.13 μm CMOS technology[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2010，45(4)：830-842.

[6] BLUTMAN K，ANGEVARE J，ZJAJO A，et al.0.1pJ freeze vernier time-to-digital converter in 65nm CMOS[C].2014 IEEE International Symposium on Circuits and Systems(ISCAS).IEEE Conference Publications，2014.

[7] ABAS M A，RUSSELL G，KINNIMENT D J.Embedded high-resolution delay measurement system using time amplification[J].IET Computers & Digital Techniques.2007，1(2)：77-86.

[8] CHEN P，ZHENG J C，CHEN C C.A monolithic vernier-based time-to-digital converter with dual PLLs for self-calibration[C].IEEE 2005 Custom Integrated Circuits Conference.IEEE Conference Publications，2005.

[9] DUDEK P，SZCZEPANSKI S，HATFIELD J V.A high-res-olution CMOS time-to-digital converter utilizing a Vernier delay line[J].IEEE Transactions on Solid-State Circuits.2000，35(2)：240-247

[10] GARG A，DUBEY P.On chip jitter measurement through a high accuracy TDC[C].9th International Symposium on Quality Electronic Design(ISQED 2008).IEEE Conference Publications，2008.

[11] XU Z，MIYAHARA M，MATSUZAWA A.Picosecond resolution time-to-digital converter using Gm-C integrator and SAR-ADC[J].IEEE Transactions on Nuclear Science.2014，61(2)：852-859.

[12] OULMANE M，ROBERTS G W.A CMOS time amplifier for femto-second resolution timing measurement[C].Proceedings of the 2004 International Symposium on  Circuits and Systems(ISCAS 2004).IEEE Conference Publications，2004.

[13] CHUNG M H，LIU W S，CHOU H P.Time amplification using closed-loop differential amplifier[C].2012 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference(NSS/MIC).IEEE Conference Publications，2012.

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

（北京微電子技術研究所，北京100076）