孫浩瀚

（合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230601）

隨著對(duì)全數(shù)字鎖相環(huán)的深入研究，其在電路集成領(lǐng)域上的卓越性能越來(lái)越引起了人們的重視。與此同時(shí)，全數(shù)字鎖相環(huán)具有較高的可移植性以及較為卓越的魯棒性。在應(yīng)用到時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的過(guò)程中，TDC整體會(huì)產(chǎn)生能夠進(jìn)行量化的噪聲，對(duì)于噪聲的處理即提升分辨率、減小量化誤差以及增強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)的層次成為了后續(xù)相關(guān)人員的主要攻克領(lǐng)域。

本文的主要攻克難點(diǎn)為：在充分滿(mǎn)足采樣速率要求的前提下，提升測(cè)量范圍及提升測(cè)量的分辨率。當(dāng)全數(shù)字鎖相環(huán)的整體環(huán)路處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，TDC輸入端具有較高且不穩(wěn)定的信號(hào)幅度，而環(huán)路處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的信號(hào)幅度才會(huì)相對(duì)減小。但在此過(guò)程中，測(cè)量的分辨率仍處于較低的狀態(tài)。本文將設(shè)計(jì)的基于游標(biāo)門(mén)控環(huán)形振蕩器的TDC具有粗量化和細(xì)量化兩種不同模式，即使在環(huán)路處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，信號(hào)幅度及信號(hào)波動(dòng)都會(huì)相對(duì)較小，在仿真的過(guò)程中具有較為卓越的性能。

1 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器整體結(jié)構(gòu)

TDC主要由以下幾部分組成：鑒頻鑒相器、量化單元、模式判決器、多項(xiàng)計(jì)數(shù)器以及評(píng)估邏輯。

在信號(hào)進(jìn)入PFD時(shí)，PFD將會(huì)根據(jù)信號(hào)的種類(lèi)將信號(hào)分為開(kāi)始信號(hào)以及停止信號(hào)，并將信號(hào)送至一位精度選擇器中。此過(guò)程為以及量化的過(guò)程。而一位精度選擇器將會(huì)把開(kāi)始信號(hào)以及停止信號(hào)進(jìn)行整合及再分類(lèi)，進(jìn)而生成快速（Fast）門(mén)控環(huán)形振蕩器及慢速（Slow）門(mén)控環(huán)形振蕩器信號(hào)。以及信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)鐘的產(chǎn)生將由模式判決器決定，而模式判決器其自身亦是一個(gè)一位的TDC，此種迭代的過(guò)程能夠?qū)⑿盘?hào)在評(píng)估邏輯中，順利將信號(hào)專(zhuān)為易于存儲(chǔ)的二進(jìn)制碼。

2 電路實(shí)現(xiàn)

2.1 游標(biāo)門(mén)控環(huán)形振蕩器（VernierGRO）

將單位延時(shí)單元的延時(shí)時(shí)間設(shè)為128皮秒，將多項(xiàng)計(jì)數(shù)器的最大技術(shù)值設(shè)為280。游標(biāo)門(mén)控環(huán)形振蕩器在環(huán)路處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，具有較大的信號(hào)幅度，此時(shí)在模式判決器的輸出為“0”位。而當(dāng)TDC處于粗量化的工作模式中時(shí)，慢速門(mén)控環(huán)形振蕩器信號(hào)對(duì)計(jì)數(shù)時(shí)鐘進(jìn)行開(kāi)啟的處理，使RST的信號(hào)處于高電位的工作狀態(tài)，而一旦將TDC進(jìn)行復(fù)位后，一個(gè)完整的量化周期記為結(jié)束。當(dāng)環(huán)路處于關(guān)閉的狀態(tài)時(shí)，此時(shí)在模式判決器的輸出為“1”位，而快速門(mén)控環(huán)形振蕩器將開(kāi)始運(yùn)作以追趕慢速新號(hào)，其中的延遲差值歸零時(shí)，將對(duì)TDC進(jìn)行二次復(fù)位的處理，以便順利結(jié)束量化周期。

2.2 比較模塊（ComparingBlock）

比較模塊旨在描述及處理上述過(guò)程中快速信號(hào)對(duì)慢速信號(hào)的追趕過(guò)程。對(duì)輸出結(jié)果的描述常用異或門(mén)和非門(mén)。如慢速信號(hào)呈周期性變化，用SR觸發(fā)器能夠大大降低對(duì)信號(hào)處理的過(guò)程中信號(hào)的敏捷度和靈活性。以至于將第N個(gè)周期的輸出結(jié)果進(jìn)行記錄時(shí)，信號(hào)處于凍結(jié)的狀態(tài)，此時(shí)能夠?qū)ο乱粋€(gè)量化周期進(jìn)行更好的延遲差值的比較。

鑒于輸出電位對(duì)于輸入點(diǎn)位不敏感的情況，在最新的量化周期中，如果節(jié)點(diǎn)脈沖發(fā)生了“0”到“1”的偏轉(zhuǎn)，比較器在后續(xù)的信號(hào)觸發(fā)過(guò)程中亦不會(huì)報(bào)錯(cuò)。

2.3 1-bitdecision-select結(jié)構(gòu)

一位精度選擇器旨在提升TDC在環(huán)路處于鎖定狀態(tài)下的、細(xì)量化模式的測(cè)量范圍。由于信號(hào)在環(huán)路開(kāi)啟和關(guān)閉的切換過(guò)程中具有極為不穩(wěn)定的特點(diǎn)，為了防止信號(hào)跳出，一位精度選擇器將會(huì)通過(guò)延遲單元的延遲差已實(shí)現(xiàn)較為良好的工作狀態(tài)。而一位精度選擇器的測(cè)量精度較高，而不同的制作工藝將會(huì)很大程度影響延遲單元的延遲變化。影響延遲單元的條件包括輸入及輸出的時(shí)間間隔、PVT帶來(lái)的影響等。

3 鑒頻鑒相器（PFD）

鑒頻鑒相器中，CKV的頻率始終處于動(dòng)態(tài)變化的范圍內(nèi)，而TDC要求信號(hào)的輸入必須超過(guò)停止信號(hào)上升期的上升沿。而PFD能夠全程在信號(hào)轉(zhuǎn)化的過(guò)程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及信號(hào)溢出或輸入信號(hào)小于信號(hào)上升期的上升沿時(shí)的報(bào)錯(cuò)，加之兩路輸入信號(hào)頻率的比較結(jié)果。

4 多項(xiàng)計(jì)數(shù)器（Multi-PhaseCounter）

多項(xiàng)計(jì)數(shù)器具有良好的異步復(fù)位功能，其組成部分包括六個(gè)二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。每個(gè)計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)的工作均為在完成一整個(gè)量化周期后進(jìn)行復(fù)位，而存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器的寄存器將會(huì)對(duì)計(jì)數(shù)器的異步復(fù)位過(guò)程進(jìn)行感知，進(jìn)而測(cè)量出快速信號(hào)與慢速新號(hào)相互追趕的時(shí)間差。本文將使用的是帶有異步復(fù)位功能的TSPC寄存器，每一個(gè)柵極的控制均由傳遞而來(lái)的復(fù)位信號(hào)以決定。當(dāng)輸入信號(hào)為“0”時(shí)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘及其余輸入信號(hào)將與TSPC的工作流程無(wú)關(guān)，而當(dāng)RST處于較低電位時(shí)，此寄存器具有與其余寄存器相同的工作原理。