应用于红外传感读出电路中的多段式时间数字转换器设计

摘要

时间测量在科学研究中有着举足轻重的地位。时间数字转换器作为一种专用化的时间测量电路，以其高精度的时间测量标准在近几十年来得到了科学界越来越多的关注，并成为了十分热门的研究对象。近年来，随着红外测距成像系统的深入研究，时间数字转换器被广泛应用于该系统的关键模块红外传感读出电路中。
　　为了满足红外传感读出电路的应用需求，本文提出了一种多段式时间数字转换器，通过三种不同结构的时间数字转换器电路分段配合，在较低的转换位数和面积消耗下，满足了兼顾时间分辨率与测量范围的双重需求。同时，通过DLL压控延迟单元的自适应调节，稳定了延迟单元的延迟时间与环振频率。除此之外，为了提高时间数字转换器中存储单元的数据可靠性，深入研究了与D触发器建立保持时间相关的理论，通过对已有两种D触发器的优化设计，降低了电路的建立保持时间，提高了数据存储的可靠性。本文设计的多段式时间数字转换器，可兼顾时间分辨率与测量范围的共同需求，并有效降低了像素面积，提高了数据存储的可靠性，能够满足单像素结构与阵列型结构ROIC红传感读出电路时间高精度检测的应用要求。
　　本设计中采用CSMC0.5μm COMS工艺，通过Cadence EDA工具验证，完成了整个电路版图设计、前仿与后仿。后仿结果表明:在5V电源电压下，多段式时间数字转换器的测量结果通过13位数据转换存储，其分辨率达到500ps，测量范围为1μs左右。实际芯片测试结果表明，测量范围超过0.8μs，最大绝对误差约为30ns，最大相对误差约为2ns，论文对影响TDC性能的主要非理想因素进行了分析总结，给出了进一步改进设计的思路和策略。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 发展趋势

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文组织

第二章 TDC基础

2．1 TDC的测量原理

2．2 TDC的非理想误差

2．2．1 微分／积分非线性

2．2．2 失调误差

2．3 TDC的常见结构

2．3．1 计数器型TDC

2．3．2 延迟线型TDC

2．3．3 延迟锁相环型TDC

2．3．4 游标卡尺型TDC

2．3．5 时间放大器型TDC

2．4 本章小结

第三章 多段式TDC系统设计

3．1 多段式TDC系统结构的选取

3．1．1 基本延迟环型的三段式TDC结构

3．1．2 基于DLL压控型三段式TDC系统设计

3．2 中段子TDC设计

3．3 高段子TDC设计

3．3．1 LFSR基本原理

3．3．2 双模式LFSR结构设计

3．4 低段子TDC设计

3．4．1 剩余时间检测模块设计

3．4．2 低段延迟线型TDC设计

3．5 本章小结

第四章 多段式TDC电路设计

4．1 单位延迟单元设计

4．2 高可靠性D触发器设计

4．2．1 D触发器建立保持时间的理论分析

4．2．2 D触发器建立保持时间对存储单元误码的影响

4．2．3 D触发器的优化设计

4．2．4 D触发器的前仿验证

4．3 存储单元设计

4．3．1 单像素结构

4．3．2 阵列型像素结构

4．4 多段式TDC整体电路设计

4．4．1 整体电路结构

4．4．2 基于DLL控制的环振稳定性前仿验证

4．4．3 多段式TDC整体功能前仿验证

4．5 本章小结

第五章 版图设计与后仿真及测试结果分析

5．1 版图设计

5．1．1 版图设计中的注意事项

5．1．2 D触发器版图设计

5．1．3 整体电路版图设计

5．2 模块及系统前后仿对比分析

5．2．1 D触发器前后仿对比分析

5．2．2 环振稳定性前后仿对比分析

5．2．3 多段式TDC时间测量前后仿对比分析

5．3 芯片测试

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文