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游标型时间数字转换器的研究与设计

作　者: 田中一
导　师: 来逢昌
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 时间量化 环形游标 时间数字转换器 双DLL校正
分类号: TN432
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 24次
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内容摘要


随着科学技术发展对时间精密量化要求的不断提高，基于时钟滴答的传统量化技术已经无法满足人们的需求。与此同时，伴随微电子技术的成熟和对抽头延迟线理论的深入研究，促使了时间数字转换器（TDC）的出现。TDC由于能够达到皮秒量级的分辨率，不仅被广泛应用于高能物理、空间科学、航空航天等高科技领域，还为模拟IC领域中高速低功耗ADC、高性能频率综合器等的设计开辟了全新的思路。因而，对于高精度TDC的研究有着重要意义。论文在深入分析了不同结构的TDC的性能基础上，采用环形游标型结构设计实现了一款TDC。环形游标TDC因其转换精度高、动态范围大而备受研究者青睐。论文首先介绍了环形游标TDC的工作原理，并建立了系统级Verilog-A模型。根据模型仿真结果及对系统非理想因素校正分析之后，设计了包括双DLL自校正电路在内的整个系统。在输入端采用预处理逻辑单元，解决了时间间隔信号沿的识别和导向问题，避免了信号的错误追赶；设计了全对称、自复位的双沿时间比较器，实现了对周期信号追赶的鉴别；加入微相位差检测电路和冗余设计结构，解决了输入端信号的伪一致和计数器错误现象；采用滤除伪“01”寄存器块和“001”检测逻辑，解决了温度计码的异步效应和“气泡”效应；设计了基于双DLL结构的校正电路，实现了系统测量过程中对延迟单元延时的校正。采用SMIC0.35μm CMOS混合工艺对各个模块及整体电路进行了仿真。仿真结果表明该TDC有效分辨率在13.5ps，动态范围可达190ns，达到设计要求，完成了预期目标。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-12
  1.1 课题背景及研究目的和意义  8-9
  1.2 国内外研究现状及分析  9-11
  1.3 本文主要研究内容及论文的结构安排  11-12
第2章 时间数字转换器的基本理论  12-26
  2.1 基本原理  12-13
  2.2 TDC 基本性能指标  13-18
    2.2.1 静态参数  13-16
    2.2.2 动态参数  16-18
  2.3 时间数字转换器分类  18-25
    2.3.1 模拟时间数字转换器  18-19
    2.3.2 门延时精度时间数字转换器  19-22
    2.3.3 子门延时精度时间数字转换器  22-25
  2.4 本章小结  25-26
第3章 环形游标时间数字转换器的系统设计  26-41
  3.1 系统设计  26-34
    3.1.1 环形游标原理  26-30
    3.1.2 整体架构  30-32
    3.1.3 基于 Verilog-A 行为级系统验证  32-34
  3.2 非理想因素分析及校正方法  34-40
    3.2.1 非理性因素分析  34-37
    3.2.2 校正方法  37-40
  3.3 本章小结  40-41
第4章 电路设计与仿真  41-74
  4.1 预处理逻辑电路  41-42
    4.1.1 预处理电路的设计  41-42
    4.1.2 预处理电路的仿真  42
  4.2 时间比较器  42-47
    4.2.1 时间比较器的电路原理  42-44
    4.2.2 时间比较器电路的设计与仿真  44-47
  4.3 小相位差检测器  47-50
    4.3.1 小相位检测器的设计  47-49
    4.3.2 小相位检测器的仿真  49-50
  4.4 高速计数器  50-51
    4.4.1 高速计数器的设计  50-51
    4.4.2 高速计数器的仿真  51
  4.5 冗余电路  51-55
    4.5.1 输入端冗余设计  51-53
    4.5.2 计数器冗余设计  53-55
  4.6 相位一致检测  55-58
    4.6.1 伪 01 消除  55-56
    4.6.2 跳变沿检测  56-58
  4.7 双 DLL 自校正电路  58-69
    4.7.1 双 DLL 校正原理  58-60
    4.7.2 DLL 的设计  60-68
    4.7.3 双 DLL 电路的仿真  68-69
  4.8 TDC 整体电路的仿真  69-73
    4.8.1 静态测试  69-72
    4.8.2 动态测试  72-73
  4.9 本章小结  73-74
结论  74-75
参考文献  75-80
致谢  80

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 微电子学、集成电路（IC） > 半导体集成电路（固体电路） > 场效应型
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