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芯片设计中的时间数字转换器与高精度时间测量.docx

更新时间：2026-08-07 08:09:10 大小：39K 上传用户：他山之石可攻玉查看TA发布的资源 标签：芯片设计 下载积分：2分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

芯片设计中的时间数字转换器与高精度时间测量

时间数字转换器（TDC）将时间间隔转换为数字值，在激光测距、正电子发射断层扫描（PET）、量子计算读出和数字PLL等应用中实现高精度的时间测量。TDC的分辨率从纳秒级到皮秒级，对应的测量精度从激光测距的厘米级到量子计算的皮秒级。随着CMOS工艺的进步，TDC的时间分辨率已从数十皮秒提升到亚皮秒级，使片上高精度时间测量成为可能。本文将从TDC架构、延迟链TDC、游标TDC、流水线TDC、噪声与非线性以及应用设计等方面，系统阐述时间数字转换器与高精度时间测量的设计方法。

TDC基本架构

TDC将时间间隔转换为数字码，其架构决定了分辨率、动态范围和功耗。

1. TDC性能指标：TDC的关键性能指标包括：分辨率（最小可检测的时间差，LSB，典型值1~100 ps）、动态范围（可测量的最大时间间隔，通常为ns~μs级）、微分非线性（DNL，与理想分辨率的偏差）和积分非线性（INL，累积的非线性误差）。

2. TDC架构分类：TDC按实现方式分为：延迟链TDC（使用缓冲器链，结构简单，分辨率受限于门延迟）、游标TDC（使用两个不同延迟的链，分辨率可达亚门延迟级）和流水线TDC（使用时间放大器和子TDC，分辨率高，动态范围大）。

3. TDC的应用：TDC在以下应用中广泛使用：激光测距（LiDAR，测量光脉冲的往返时间）、PET（测量γ光子对的到达时间差）、数字PLL（测量VCO相位与参考时钟的相位差）和量子计算（测量量子比特的读出时间）。

延迟链TDC

延迟链TDC是最基本的TDC架构，由缓冲器链和触发器阵列组成。

1. 延迟链原理：延迟链TDC由一串缓冲器（或反相器）和触发器组成。输入信号（START）在延迟链中传播，每个缓冲器输出连接到触发器的数据输入端。采样信号（STOP）在到达时触发所有触发器，锁存延迟链中每个缓冲器的输出状态。输出码为"1"的缓冲器数量表示START到STOP的时间间隔。


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