Интегрированные время-цифровые преобразователи (ВЦП)
Базирующиеся на задержке по времени ВЦП являются интегрированными схемами для сверхточного измерения интервалов времени и производят эти измерения без участия аналоговых компонентов. Их реализация стала возможной только благодаря значительным инновациям в области полупроводниковых технологий. ВЦП базируются на задержке времени прохода простых логических элементов гейтов (например, инверторов) для точного квантования интервалов времени. Благодаря огромным достижениям в области повышения скорости распространения сигнала, особенно в секторе КМОП, стала возможной реализация подобных ВЦП в стандартных технологиях КМОП с разрешением порядка пикосекунд. Поэтому в настоящее время мы можем интегрировать на одном чипе эффективные, компактные и недорогие комплексные системные решения с низким потреблением тока.
Цифровые ВЦП можно разделить на две групы:
- ВЦП с абсолютным временем задержки
- ВЦП с относительным временем задержки
ВЦП с абсолютным временем задержки
Этот тип ВЦП использует для точного квантования интервалов времени абсолютное время распространения сигналов по простым логическим элементам (вентилям/гейтам). (См. схему)
Иными словами, он определяет, сколько циклов прохода инвертора сигналом помещается в измеряемом интервале времени. График показывает принцип этого процесса. Умная конструкция схемы, резервные элементы и специальные методы компоновки на чипе позволяют точно воспроизвести число основных временных интервалов. Разрешение напрямую зависит от базового времени задержки на чипе. Разрешение в диапазоне от 14 до 100 пс достигается специальными настройками измерительной цепи и использованием некоторых особенностей технологий КМОП. Задержка распространения сигнала зависит от температуры и напряжения питания. Поэтому необходимо произвести калибрацию результатов измерения. Для этого измеряются 1 и 2 периода опорной частоты. В идеале эти измерения и следующие за ними вычисления ВЦП производит сам.
ВЦП с абсолютным временем задержки обладают следующими преимуществами:
- Время прохода инвертора может быть точно установлено и стабилизировано при помощи фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Тогда оно не зависит ни от напряжения питания, ни от температуры.
- Высокое разрешение импульсов в паре
- Способность приёма нескольких событий hit (multihit)
ВЦП с относительным временем задержки
В то время как при использовании метода абсолютного времени задержки разрешение зависит от скорости сигнала в применяемом полупроводниковом процессе, при использовании относительного времени задержки этого можно избежать. Как следует из названия, этот тип ВЦП измеряет отношение между двумя элементами задержки с различным транзитным временем и осуществляет точное квантование на её базе.
Путём специального построения схемы разрешение будет идентично разности между двумя показателями времени прохода t1 и t2, что даёт возможность таким образом получить разрешение существенно более хорошее, чем время задержки прохода через вентиль/гейт.
В принципе любое разрешение возможно получить этим методом, однако здесь существуют ограничения за счёт ошибок при квантовании и из прочих источников. На практике реальным является разрешение примерно в 1/5 задержки времени прохода гейта. С использованием современной технологии КМОП достигается диапазон от 10 до 15 пс.
Применение этого ВЦП особенно интересно при решении специальных измерительных задач, где важна очень хорошая дифференциальная нелинейность.
Тем не менее, в большинстве случаев применение ВЦП с относительным временем задержки проблематично или почти невозможно. Если требуются кварцевая точность установки разрешения или способность принятия нескольких событий (multihit), то здесь лучше использовать ВЦП с абсолютным временем задержки (ВЦП с относительным временем задержки имеют ограниченное разрешение двойного импульса и им необходимо время для преобразования, что ведёт к возникновению запаздывания получения результата).