Integrierte digitale Time-to-Digital Converter

Digitale Verzögerungszeit TDC's sind integrierte Schaltungen zur hochgenauen Messung von Zeitdifferenzen. Sie tun dies ohne jegliche analoge Komponenten. Ihre Realisierung wurde erst möglich durch die gewaltigen Innovationen in der Halbleitertechnologie. Sie basieren auf der Durchlaufzeit einfaher logischer Gatter (z.B. Inverter), welche sie für die Quantisierung der Zeitdifferenz heranziehen. Dank der großen Fortschritte bezüglich der Signalgeschwindigkeit, insbesondere im CMOS Bereich, wurde es möglich, solche TDC's auf Standard CMOS Prozessen zu realisieren und dabei Auflösungen im Picosekundenbereich zu erreichen. Heutzutage können wir ganze Systemlösungen auf einem einzigen Chip integrieren, die effizient, Strom sparend, Platz sparend und letzlich kostengünstig sind.

Digitale TDC's kann man in 2 Gruppen aufteilen:

Absolute Verzögerungszeit TDC's
Relative Verzögerungszeit TDC's

Absolute Verzögerungszeit TDCs

Diese Art TDC verwendet die absolute Verzögerungszeit von Signalen durch einfache logische Elemente zur Quantisierung der Zeitdifferenz.In anderen Worten: der Messkreis zählt die Anzahl der Gatter-Durchlaufzeiten, die in das zu messende Zeitintervall passen. Die Grafik zeigt den grundsätzlichen Aufbau. Ein intelligentes Schaltungsdesign, redundante Elemente und spezielle Layout Methoden erlauben die exakte Rekonstruktion der Anzahl der Basis-Zeiteinheiten. Die Auflösung hängt direkt von der Basis-Zeiteinheit des Chips ab. Auflösungen im Bereich von 14 bis 100 ps können mit solchen Messkreisen und gängigen CMOS Technologien erreicht werden. Die Durchlaufzeit selbst hängt von der Temperatur und der Versorgungsspannung ab. Daher müssen die gemessenen Werte kalibriert werden. Hierzu werden eine und zwei Perioden des Referenztaktes vermessen. Idealerweise wird diese Messung und die anschließende Berechnung vom TDC selbst ausgeführt.

Absolute Verzögerungszeit TDCs haben folgende Vorteile:

Die Durchlaufzeit der Inverter kann mit Hilfe einer Phase Locked Loop (PLL) präzise eingestellt und stabilisiert werden. Sie ist dann von der Versorgungsspannung und der Temperatur unabhängig.
Sehr gute Doppelpulsauflösung
Multihitfähigkeit

Relative Verzögerungszeit TDC

Während beim Ansatz mit absoluter Verzögerungszeit die Auflösung von der Geschwindigkeit des verwendeten Halbleiterprozesses abhängt, kann man dies bei Verwendung der relativen Verzögerungszeit umgehen. Wie im Name angedeutet, verwendet man bei diesen TDC's zwei Verzögerungsketten mit unterschiedlichen Basis-Durchlaufzeiten. Die relative Verzögerungsdifferenz dient dann als Basis für die Zeitquantisierung.

Mithilfe eines speziellen Schaltungsaufbaus wird die Auflösung identisch mit der Differenz zwischen den beiden Gatterdurchlaufzeiten. Damit ist es möglich, eine Auflösung zu erreichen die weit unter der Gatterdurchlaufzeit liegt.

Grundsätzlich sollte bei diesem Verfahren jede Auflösung möglich sein, jedoch gibt es Beschränkungen aufgrund von Quantisierungsfehler und anderer Fehlerquellen. In der Praxis erweist sich etwa 1/5 der Gatterdurchlaufzeit als realistisch. Mit moderner CMOS Technologie kommt man somit in den Bereich weniger Picosekunden.

Eine exzellente differentielle Nichtlinearität machen dieses Messverfahren für manche wissenschaftliche Aufgaben interessant; insbesondere dort wo dieser Parameter eine herausragende Rolle spielt.

In vielen Anwendungen jedoch ist der Einsatz von relativen Verzögerungszeit TDC's fraglich oder gar unmöglich. Dann, wenn eine quarzgenaue Einstellung der Auflösung oder Multi-Hit Fähigkeit gefordert sind, sollte man absolute Verzögerungszeit TDC's verwenden (relative benötigen eine Wandlugszeit und schaffen damit eine Totzeit in der Messung).