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作者：高如鑫黑龙江大学

学位级别：硕士

高能物理实验是研究微观物质结构及探索新的物理模型的常用方法。为了支持高能物理实验的深入研究,大型强子对撞机(LHC)计划向高亮度升级,使之能够更有效的进行实验。高亮度升级带来更高对撞频率的同时,也会导致大量的无效事件堆积,为... 详细信息

高能物理实验是研究微观物质结构及探索新的物理模型的常用方法。为了支持高能物理实验的深入研究,大型强子对撞机(LHC)计划向高亮度升级,使之能够更有效的进行实验。高亮度升级带来更高对撞频率的同时,也会导致大量的无效事件堆积,为分辨入射粒子的时间信息与空间信息带来困难。而低增益雪崩探测器(LGAD)可以满足升级后LHC对时间精度和空间分辨率的要求,因此对LGAD信号的高时间精度读出是高能物理实验的研究热点。LGAD作为一种新型的像素探测器,可以实现很小的单元面积和很快的信号收集速度,时间精度高,同时具备高时间分辨率和高空间分辨率,可以准确辨别空间位置相近、但是时间上存在差别的不同对撞事件。由于LGAD的输出信号速度很快,因此为了确保精确的时间测量,本文采用专用集成电路设计方法设计了用于LGAD读出电路中的时间测量电路。对于时间测量,主要采用定时甄别结合时间数字转换器(TDC)的方法实现。本文基于55nm工艺,针对用于LGAD读出电路中的高分辨率时间测量TDC展开研究与设计,并完成版图设计、后仿真。整体TDC电路是由到达时间TDC(TOA TDC)和过阈时间TDC(TOT TDC)两个结构相同的单通道TDC组成的双通道结构,分别用来测量入射粒子的TOA与TOT。单通道TDC采用高频计数器与基于游标延时链的粗细两步式TDC结合的结构。其中计数器的输入频率为2.5GHz,参考频率为40MHz,后仿真结果表明本文整体TDC电路达到的分辨率为5.128ps,测量范围为25.2ns,同时具备大的测量范围和高分辨率。微分非线性与积分非线性分别为±0.2LSB与±0.3LSB。TDC的整体版图面积为931.6μm×447μm。

关键词：低增益雪崩探测器时间数字转换器游标延迟链双通道高分辨率

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高分辨率时间间隔测量技术研究与实现

高分辨率时间间隔测量技术研究与实现

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作者：刘杰西安电子科技大学

学位级别：硕士

时间间隔测量在导航定位、数字通信、原子物理、航天遥测、计量等领域有着广泛的应用，随着这些领域的快速发展，对时间间隔测量的精度提出了越来越高的要求。本文在研究各种时间间隔测量方法的基础上，主要对影响系统测量分辨率... 详细信息

时间间隔测量在导航定位、数字通信、原子物理、航天遥测、计量等领域有着广泛的应用，随着这些领域的快速发展，对时间间隔测量的精度提出了越来越高的要求。本文在研究各种时间间隔测量方法的基础上，主要对影响系统测量分辨率的因素进行了深入分析，并基于双游标延迟法设计、实现了一种短时间间隔测量系统。双游标延迟法主要利用两列由细微差别的延时单元建立的差分延迟线实现高分辨率的时间间隔测量。论文通过将每个延时单元分解为可编程延时单元和物理层传输路径，把影响系统分辨率的决定因素转换为双游标链之间的两次延时差值，进而提高了系统分辨率。为了在同一条游标延迟链内实现均匀的路径延迟，本文对时间间隔信号在FPGA内部传输过程中出现的路径延时作了详细分析。针对自动布局布线模式下FPGA内部无规律物理布线的情况，采用手动布局布线的方式，对相关信号的传输路径延时时间进行精确调整，减少因传输路径长度不一致而造成的延时不一致。论文采用可变延迟线的实验方法对系统进行了大量的测试。利用不同长度的同轴传输线对系统分辨率进行验证，时间间隔测量系统的实际测量分辨率可达到59ps，测量范围为0.35ns～4.1ns;利用固定长度的同轴传输线确定了系统稳定度、准确度，并对该测量系统的非线性指标、误差等进行了分析。实验结果表明，利用FPGA作为核心芯片对系统进行设计，达到了简化电路设计、提高系统稳定性和准确性的目的，并且随着微电子技术的发展，本文的设计方案还有进一步提升的空间。

关键词：时间间隔延迟时间游标延迟链传输路径可编程延时单元

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基于最小门延时技术的高速时间测量电路研究

基于最小门延时技术的高速时间测量电路研究

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作者：苟欣宁波大学

学位级别：硕士

在过去的几十年中,集成电路工艺技术得到很大发展,尺寸越来越低,集成度越来越高,功耗越来越小,对于集成电路设计做出很大贡献。时间数字转换器(TDC)也随着这次发展得到很大提升,TDC在集成度、芯片面积、工作速度、功耗和测量分辨率都有... 详细信息

在过去的几十年中,集成电路工艺技术得到很大发展,尺寸越来越低,集成度越来越高,功耗越来越小,对于集成电路设计做出很大贡献。时间数字转换器(TDC)也随着这次发展得到很大提升,TDC在集成度、芯片面积、工作速度、功耗和测量分辨率都有很大提高。TDC在航空航天、激光雷达和高能物理等方面有着重要的作用。因此,设计出高分辨率的TDC有着重要的现实意义。本文通过对不同TDC结构性能进行分析,最终采用游标延迟链型TDC结构,游标延迟链型TDC可以达到高分辨率和宽时间测量范围。同时对于TDC的开始和结束控制信号进行了分析,没有采用外部信号进行直接控制,因为外部信号上升沿时间比较长,影响了TDC中门翻转时间,从而增加了门延迟时间,降低了TDC的分辨率。分析了不同上升沿阶跃信号在门延迟中的延迟时间,上升沿时间越短对应的门延迟时间越短,通过内部设计的电压比较器输出信号作为TDC的控制信号。通过这种方式就可以提高传统游标延迟链型TDC分辨率。对TDC总体框架图和时序图进行了设计和分析,TDC电路主要包括电压比较器电路、振荡器电路、Arbiter电路和16进制计数器电路。电压比较器电路产生陡峭的阶跃信号控制TDC开始和结束信号;两路振荡器电路作为TDC游标延时链;Arbiter电路精确判断两路信号相位相差5ps判决跳变;16进制计数器电路扩展TDC时间测量范围。对于TDC电路中误差转移模型和反相器单元延时模型进行了分析。针对高速TDC电路输出可能出现误码或者丢码的现象,设计了输入端冗余消除电路、伪“01”消除电路和计数器防抖动电路。最后分析了TDC中误差影响,给出了直接校正和间接校正两种方法对TDC进行校准。最后,在TSMC 180nm工艺下完成TDC设计,利用Cadence Spectre工具对电路进行仿真分析,得到TDC的分辨率为5.3ps,功耗为6.5mW,版图面积为0.13mm2,动态范围为7.2ns。结果表明,TDC的性能良好,达到了预期设计目标。

关键词：时间数字转换器游标延迟链阶跃信号门延迟时间

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基于最小门延迟的时间数字转换器设计

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时间频率学报 2017年第2期40卷 105-113页

作者：苟欣杨鸣宁波大学信息科学与工程学院宁波315211

设计了一种基于最小门延时的时间数字转换器(TDC),该TDC采用游标延迟链结构。在传统的基础上,利用电压比较器产生一个上升沿陡峭的阶跃信号,作为时间测量的内部传输信号,减少了信号在门延时的翻转时间并且降低了功耗。相位判别采用Arbi... 详细信息

设计了一种基于最小门延时的时间数字转换器(TDC),该TDC采用游标延迟链结构。在传统的基础上,利用电压比较器产生一个上升沿陡峭的阶跃信号,作为时间测量的内部传输信号,减少了信号在门延时的翻转时间并且降低了功耗。相位判别采用Arbiter电路,提高了时间判断的准确性。利用半静态双边沿D触发器构成了16进制计数器,扩展了测量时间的动态范围,同时降低了功耗。在TSMC 180 nm工艺,1.8 V电源电压下完成整个设计,仿真结果表明,TDC的分辨率为5.3 ps,动态范围为7.2 ns,功耗为6.5 mW,面积为0.18 mm^2。

关键词：时间数字转换器游标延迟链阶跃信号电压比较器

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