基于0.18umcmos工藝的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與實現(xiàn)

1、D e s i g na n d I m p l e m e n t a t i o n o fT i m e ··t o —- D i g i t a lC o n v e r t e ri n0 ·1 8 l J L mC M O S T e c h n o l o g yA T h e s i sS u b m i t t e d t oS o u t h e a s t U n i v e r s

2、i t yF o r t h eD e g r e e o f M a s t e r o f E n g i n e e r i n gB YL i Q i a n f e n gS u p e r v i s e d S u p e r v i s e d ‘b yP r o f ．H u Q i n g s h e n g a n dW a n g X i a o y a nS c h o o lo f I n f o r m a

3、 t i o n S c i e n c ea n d E n g i n e e r i n gS o u t h e a s t 踅J n i v e r s i t yM a r c h 2 0 1 5摘要摘要隨著集成電路的不斷發(fā)展，越來越多的混合信號電路和模擬集成電路采用數(shù)字輔助單元來完成電路的設(shè)計，如在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中采用數(shù)字校準模塊，更有些將電路的大部分功能數(shù)字化，如全數(shù)字鎖相環(huán)。數(shù)字集成電路對時間域的信號具有良好的處理能力，時

4、間數(shù)字轉(zhuǎn)換器( T D C ) 作為模擬連續(xù)時間信號與數(shù)字離散信號之間的橋梁，也開始被用來構(gòu)建一些模擬集成電路。此外，在高能物理和粒子物理領(lǐng)域中，T D C 是高精度時間間隔測量系統(tǒng)的核心單元。因此，T D C 的研究對于集成電路設(shè)計和高精度測量都有重要意義。本論文主要研究高速高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，基于T S M C 0 ．1 8 1 x m C M O S 工藝，采用全定制和半定制相結(jié)合的方法，完成電路的設(shè)計與實現(xiàn)。為了實現(xiàn)低于門延時

5、的精度，在比較各種高精度T D C結(jié)構(gòu)以及它們的優(yōu)缺點之后，選擇以游標型T D C 為原型，整個電路由三部分構(gòu)成：雙通道游標延時線電路以及讀出電路和編碼電路。其中，游標延時線電路采用全定制方法設(shè)計，主要實現(xiàn)延時單元延時值的精確控制；讀出電路和編碼電路采用半定制方法設(shè)計，前者主要完成溫度計碼的暫存和對齊，后者則采用流水線結(jié)構(gòu)以保證5 0 0 M H z 的轉(zhuǎn)換速度。這種數(shù)模混合設(shè)計方法在保證電路性能的同時，也降低了電路的設(shè)計難度。為了方便

6、芯片測試，在芯片中還設(shè)計了內(nèi)嵌激勵信號模塊，該模塊通過全定制方法設(shè)計，能夠產(chǎn)生若干組均勻分布在整個動態(tài)范圍之中的時間間隔。所設(shè)計的T D C 芯片已完成了后仿真、流片和測試，整體版圖面積為1 ．2 5 ×0 ．6 7 5 m m 2 。測試結(jié)果表明，該T D C 芯片能夠滿足設(shè)計指標，在5 0 0 M H z方波信號和1 ．8 V 電源電壓下總的電流為6 6 ．2 m A ?；跍y試結(jié)果，論文還進一步研究分析了提高游標型T D

7、 C 性能的方法，并采用減小單級延時線長度的方法設(shè)計了基于層次結(jié)構(gòu)的高性能T D C ，該T D C 由第一級延時單元和第二級高精度T D C 構(gòu)成，其中高精度T D C 包含四路1 6 級游標延遲線電路。該T D C 整體版圖面積為0 ．7 3 5 ×0 ．9 2 m m 2 ，后仿真結(jié)果表明，高性能T D C 性能達到指標要求，且面積和功耗有一定程度的改進。關(guān)鍵字：時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，雙通道游標延時線，讀出和編碼電路，內(nèi)嵌激勵