Les CTN à fonctionnement numérique

Le convertisseur temps-numérique ACAM est un circuit intégré CMOS monolithique basé sur un traitement du signal entièrement numérique à l'exclusion de tout élément analogique. Il doit son existence aux progrès faits ces dernières années dans les processus de fabrication CMOS. Il met à profit le temps de propagation d'un simple étage logique, généralement un inverseur, pour faire la division du temps en intervalles de quelques picosecondes. Ainsi on dispose d'un composant électronique simple, efficace, à faibles encombrement, consommation et côut. La fabrication repose sur un processus CMOS standard.

On distingue deux types de convertisseurs TN numériques:

Les CTN à délai absolu
Les CTN à délai relatif

Le CTN à délai absolu

Ce type de CTN repose directement sur le temps de propagation "absolu" à travers des étages inverseurs (voir schéma en marge). Autrement dit, il fait le comptage de cycles d'inversion ayant lieu pendant l'interval à mesurer. Un savoir-faire particulier en conception et maquette permet un fonctionnement fiable et stable. La résolution est en stricte corrélation avec le délai élémentaire de la puce, de 14 à 100 ps dans la pratique (CMOS moderne).

Le délai varie en température et avec la tension d'alimentation. En conséquence, il faut calibrer les résultats de mesures à travers une oscillation de référence. L'acquisition des valeurs de calibrage ainsi que la conversion arithmétique sont, de préférence, des fonctionnalités internes au circuit CTN.

Les avantages des CTN à délai absolu:

Le délai élémentaire est susceptible d'être régulé et stabilisé à travers une boucle à verrouillage de phase. Ainsi il devient indépendant des température et tension d'alimentation.
Le temps mort (délai minimal entre deux signaux) est réduit au maximum
Le circuit est susceptible d'acquisition de multiples signaux sur le même canal d'entrée ("multistop")

Le CTN à délai relatif

Contrairement à la méthode absolue, directement corrélée à la vitesse élémentaire du processus CMOS choisi, la méthode relative s'en affranchit, du moins partiellement. Comme le nom le suggère, la mesure repose sur le temps relatif entre les éléments de deux chaînes de propagation qui fonctionnent à des vitesses légèrement décalées.

A travers un schéma bien particulier, la résolution est de l'ordre de la différence entre les temps de propagation t1 et t2, ce qui peut être bien en dessous du temps de propagation lui-même. Théoriquement, toutes les valeurs sont possibles, mais en vérité il faut tenir compte de quelques sources d'erreur. Dans la pratique, l'on obtient un cinquième de temps de propagation. Une résolution de 10 à 15 ps est réalisable.

La linéarité différentielle est excellente, ce qui rend cette méthode particulièrement idoine à certains cas où cette caractéristique est primordiale. Dans beaucoup d'autre cas, la voie relative s'avère difficile ou impossible, notamment pour les boucles à verrouillage. De même, pour les applications multi-stop à temps mort réduit, car la méthode relative fait appel à une conversion, qui prend du temps et bloque les canaux. Dans tous ces cas, on privilégiera la méthode absolue.