Time-to-Digital Converters

depend135

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下面是table of content
1 Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Time-to-Digital Converter Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 Motivation – The Way to the Time Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Analog Time-to-Digital Converters – The First Generation . . . . . . . . 8
2.3 Fully Digital TDCs – The Second Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Basic Digital Delay-Line Based TDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.1 Inverter Based Time-to-Digital Converter . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5 Synchronous Versus Asynchronous Time Interval Measurement . . . 18
3 Theory of TDC Operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1 Basic Performance Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Quantization Error Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.1 Linear Imperfections of TDC Characteristic . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Non-Linear Imperfections of TDC Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 Dynamic Performance and Effective Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.1 Basic ENOB Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 Timing Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.6 Noise Shaping in Time-to-Digital Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.7 Process Variations in TDCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.7.1 Impact of Local Variations in Buffer Tree . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.7.2 Impact of Local Process Variations on Delay-Line . . . . . . . . . 37
3.7.3 Impact of Local Process Variations on the Comparators . . . . 39
3.7.4 Combined Impact of Local Variations on TDCs . . . . . . . . . . . 40
4 Advanced TDC Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1 Bipolar Time-to-Digital Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Looped Time-to-Digital Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
vii
viii Contents
4.3 Linearly Extended TDC Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.1 Operation and Calibration of Linearly Extended TDC. . . . . . 50
4.4 Delay-Locked-Loop Based TDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5 Hierarchical Time-to-Digital Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.6 Multi-Event Time-to-Digital Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.7 On-Chip Test and Characterization Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.8 Time Domain Quantizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.9 Summary TDC Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5 Time-to-Digital Converters with Sub-Gatedelay
Resolution – The Third Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1 Sub-Gate Delay Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2 Parallel Scaled Delay Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.1 Variability in TDC Based on Parallel Scaled
Delay Elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3 Vernier TDC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3.1 Vernier TDC in Loop Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3.2 Variability in Vernier TDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4 Pulse-Shrinking TDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4.1 Pulse-Shrinking TDC in Loop Configuration . . . . . . . . . . . . . 83
5.4.2 Variability in Pulse-Shrinking TDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5 Local Passive Interpolation TDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.5.1 LPI-TDC in Loop Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.5.2 Resistor Sizing and Interpolation Accuracy . . . . . . . . . . . . . . 89
5.5.3 Variability in LPI-TDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.5.4 Implementation Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.6 Gated Ring Oscillator TDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.7 Time-to-Digital Converter with Time Amplification . . . . . . . . . . . . . . 98
6 Applications for Time-to-Digital Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.1 Digital Phase Locked Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.2 TDC Based Analog-to-Digital Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2.1 Dual-Slope Analog-to-Digital Converter Revisited . . . . . . . . 107
6.2.2 Pulse Position Modulation Analog-to-Digital Converter . . . . 109
6.2.3 Sigma Delta Modulator with Time Domain Quantizer . . . . . . 111

risccpu

good. thanks.

yangbangbang

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ytc999

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yuanwolf2008

Thanks

s8553warrior

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hanyang

1# depend135

rainbowweather

goodbyealice

专门对TDC这个模块写的一本书

shaolongliu.pku

居然有专门讲TDC的书