延时模块、时间数字转换器、系统及方法与流程

本申请涉及集成电路涉及领域，特别地涉及一种延时模块、时间数字转换器、系统及方法。

背景技术：

1、高精度时间数字转换器作为一种精密的时间间隔测量技术，在高能物理实验、医学成像、激光雷达及地形测绘等领域有着广泛应用。时间数字转换器能够将时间间隔转换成二进制的数字信号，通过对数字信号进行处理进一步得到具体的时间间隔长度。时间数字转换器的测量精度往往决定着该测量系统的数据准确性，因而为了提高时间数字转换器的测量精度，近些年对时间间隔测量领域的研究愈加热门。

2、时间数字转换器的设计一般采用专用集成电路（asic）设计实现，能够实现更高精度以及低功耗的设计，但是设计周期长，成本相对较高。除此之外，由于系统中的固有误差及失配误差会使得所设计的延时模块的延迟时间与理想延迟相比会偏大或者偏小，从而导致时间数字转换器的线性度降低、测量精度下降，因而需要采用校准来提升时间数字转换器的测量准确性。

3、时间数字转换器的常用校准方法主要分为平均校准和逐位校准。平均校准可以对时间数字转换器进行快速校准，但是，得到的只是所有延时模块抽头的平均延迟时间，无法对时间数字转换器中每个延时模块抽头进行逐位校准，会导致较大的测量误差。逐位校准则是对级联延迟链中的每一个延时模块抽头进行校准，一般通过码密度方法实现，通过输入随机信号来统计延时模块抽头的跳变个数可以精确标定每个延单元抽头的延迟时间。

4、因此，亟需一种成本较低、高精度的时间数字转换器。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了通过可编程调整延时模块的延迟时间，提升了时间数据转换器的线性度与精度。

2、本申请一方面提出了一种延时模块，其包括：输入单元，配置为获取待测量信号；延时调整单元，其耦合至所述输入单元，配置为对所述待测量信号进行第一延时调整，其中，所述延时调整单元包括电容器阵列，在第一控制信号的影响下，所述电容器阵列提供与所述第一控制信号相对应的电容值；以及输出单元，其耦合至所述延时调整单元，配置为基于经延时调整后的所述待测量信号来提供输出信号。

3、在一个实施例中，所述电容器阵列包括并联的多个电容器支路，在所述第一控制信号的影响下，所述多个电容器支路选择性地耦合至所述输出单元，其中，所述电容器支路包括电容器。

4、在一个实施例中，所述延时模块还包括：译码单元，配置为基于所述第一控制信号生成开关信号，响应于所述开关信号，所述多个电容器支路中的至少一个电容器支路被选中并电连接至所述输出单元的输入端，其中，所述第一控制信号的比特数小于等于所述开关信号的比特数。

5、在一个实施例中，所述多个电容器支路中的电容器的电容值相等。

6、在一个实施例中，所述电容器支路还包括与所述电容器串联的开关，所述电容器通过晶体管实现，其中，所述晶体管的栅极经由所述开关耦合至所述输出单元的输入端，所述晶体管的源极与漏极相连并耦合至低电位，所述开关根据所述开关信号而闭合或断开。

7、在一个实施例中，所述延时模块还包括：压控电流源，其耦合至所述输入单元，以在第二控制信号的影响下，以对所述待测量信号进行第二延时调整，其中，所述第二延时调整的范围大于所述第一延时调整的范围，并且所述第二延时调整的精度低于所述第一延时调整的精度。

8、在一个实施例中，所述压控电流源包括控制晶体管，所述控制晶体管的栅极接收所述第二控制信号，所述控制晶体管的源极耦合至低电位，并且所述控制晶体管的漏极耦合至所述输入单元。

9、本申请另一方面提出了一种时间数字转换器，包括：多个级联的如前述的延时模块；多个触发器，其数据输入端分别耦合至每个所述延时模块的输出端，配置为接收所述延时模块的输出信号，所述触发器的置位端接收采样控制信号，配置为响应于所述采样控制信号对所述延时模块的输出信号进行采样；以及编码器，其耦合至所述多个触发器的输出端，配置为生成与所述多个延时模块的输出信号相对应的编码信号。

10、本申请另一方面提出了一种时间数字转换系统，包括：如前述的时间数字转换器；发射器，配置为向待测物发射检测信号，并触发所述时间数字转换器开始计时；接收器，配置为接收来自所述待测物的反射信号，并触发所述时间数字转换器停止计时；以及校准器，配置为向所述时间数字转换器提供随机信号，以确定所述时间数字转换器中每个延时模块的延迟时间，并基于所述延迟时间调整每个所述延时模块中的电容器阵列的电容值。

11、本申请另一方面提出了一种用于时间数字转换器的校准方法，包括：提供随机信号；对所述多个延时模块的输出信号进行跳变采样，以生成码密度信息，并确定每个所述延时模块的延迟时间；以及基于所述延迟时间，分别调整每个所述延时模块中的电容器阵列所提供的电容值，以调整每个所述延时模块的延迟时间。

12、通过调整延时模块中开关电容个数来对各个延时模块的延迟时间进行修正，减少了各模块之间的失配误差，从而提升了tdc系统的线性度和测量精度。另外，采用本申请中的延时模块后，无需再生成查找表，降低了设计难度及成本，并且可采用后台校准测量来对其进行校准，在抽头延迟链tdc和游标型tdc中具有良好的普适性。

技术特征：

1.一种延时模块，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的延时模块，其特征在于，所述电容器阵列包括并联的多个电容器支路，在所述第一控制信号的影响下，所述多个电容器支路选择性地耦合至所述输出单元，其中，所述电容器支路包括电容器。

3.根据权利要求2所述的延时模块，其特征在于，还包括：

4.根据权利要求3所述的延时模块，其特征在于，所述多个电容器支路中的电容器的电容值相等。

5.根据权利要求3所述的延时模块，其特征在于，所述电容器支路还包括与所述电容器串联的开关，所述开关在所述开关信号的影响下闭合或断开，所述电容器包括电容晶体管，

6.根据权利要求1所述的延时模块，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求6所述的延时模块，其特征在于，所述压控电流源包括控制晶体管，所述控制晶体管的栅极接收所述第二控制信号，所述控制晶体管的源极耦合至低电位，并且所述控制晶体管的漏极耦合至所述输入单元。

8.一种时间数字转换器，其特征在于，包括：

9.一种时间数字转换系统，其特征在于，包括：

10.一种用于如权利要求8中所述的时间数字转换器的校准方法，其特征在于，包括：

技术总结本申请涉及一种延时模块、时间数字转换器、系统及方法，其中，该延时模块包括：输入单元，配置为获取待测量信号；延时调整单元，其耦合至输入单元，配置为对待测量信号进行第一延时调整，其中，延时调整单元包括电容器阵列，在第一控制信号的影响下，电容器阵列提供与第一控制信号相对应的电容值；以及输出单元，其耦合至延时调整单元，配置为基于经延时调整后的待测量信号来提供输出信号。本申请中的延时模块可以减少失配误差，从而提升了TDC系统的线性度和测量精度。技术研发人员：龚号受保护的技术使用者：深圳市山海半导体科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/2/19