基于计数时钟的两步式TDC 设计

岳 壮，刘 军，孙向明，杨 苹，裴 骅

（华中师范大学物理科学与技术学院硅像素实验室，湖北武汉 430079）

上世纪80 年代，时间数字转换器（TDC）就应用在高能物理、激光探测及核医学等领域，早期的模拟TDC 先将时间信号转换成电压信号，然后再经ADC 量化输出，其动态范围、最小精度都受ADC性能的限制，转换器的速度、功耗都受模拟电路的影响[1]。随着全数字TDC[2-3]的出现与发展，全数字电路将时间信号直接转换为数字码输出，解决了因模拟电路带来的一系列问题。当前主流TDC的实现方式有两种，一种是基于FPGA 实现的TDC[4-5]，另一种是基于ASIC 实现的TDC[6-7]。基于FPGA 实现的TDC 具有较高的灵活性、较低的成本、周期短，适用于小批量多种类的应用；2020 年戴庆达等人设计的基于FPGA的高精度时间数字转换电路实现了分辨率约为11.7 ps[8]。采用ASIC 实现全定制型TDC 能实现更高分辨率、更低功耗及较小的占用面积，这些优势也使其被广泛应用；2017 年孙迪等人设计的流水线型TDC 时间分辨率为2.4 ps、动态范围为4.9 ns[9]；2016 年Cheng Zeng等人设计的基于游标型TDC 分辨率为7.3 ps、功耗为1.2 mW[10]；在此基础上发展形成的新型时间数字转换器，比如两步式时间数字转换器[11]、局部无源插值型TDC[12-13]、门控环形TDC[14-15]、时间放大器TDC[16]等在精度、动态范围、面积以及功耗等某些性能上都有着各自的优势，但也存在电路复杂、对工艺、温度和电压变化比较敏感等问题，这些问题都对设计提出了更加严格的要求。

文中介绍的TDC 是高能物理实验的量能器上应用的，该实验是为了研究CSR 外靶上产生的高……