Field-Programmable Gate Array-based Time-to-Digital Converter using Pulse-train Input Method for Large Dynamic Range

A delay-line type time-to-digital converter (TDC) implemented in a field-programmable gate array (FPGA) is most widely owing due to its simple structure and high conversion rate. However, the delay-line type TDC suffers from nonlinearity error caused by the long delay-line because its time interval measurement range is determined by the length of the used delay line. In this study, a new TDC structure with a shorter delay line by taking a pulse train as an input is proposed for improved time accuracy and efficient use of resources. The proposed TDC utilizes a pulse-train with four transitions and a transition state detector that identifies the used transition among four transitions and prevents the meta-stable state without a synchronizer. With 72 delay cells, the measured resolution and maximum non-linearity were 20.53 ps, and 1.46 LSB, respectively, and the time interval measurement range was 5070 ps which was enhanced by approximately 343 % compared to the conventional delay-line type TDC.

시간 측정범위 향상을 위한 펄스 트레인 입력 방식의 field-programmable gate array 기반 시간-디지털 변환기

Field-programmable gate array (FPGA) 기반 시간-디지털 변환기 (time-to-digital converter: TDC)는 구조가 단순하고, 빠른 변환속도를 갖는 딜레이 라인 (delay-line) 방식을 주로 사용한다. 하지만 딜레이 라인 방식 TDC의 시간 측정범위를 늘리기 위해서는 딜레이 라인의 길이가 길어지므로 사용되는 소자가 많아지고, 비선형성으로 인한 오차가 증가하는 단점이 있다. 따라서 본 논문은 동일한 길이의 딜레이 라인에 펄스 트레인 (pulse-train)을 입력하여 시간 측정범위를 향상시키고, 리소스를 효율적으로 사용하는 방식을 제안한다. 펄스 트레인 입력 방식의 TDC는 긴 시간을 측정하기 위하여 시작신호의 입력과 동시에 4-천이 (transition) 펄스 트레인이 딜레이 라인에 입력된다. 그리고 동기회로 (synchronizer) 대신 천이 상태 검출부를 설계하여 중지신호 입력 시 사용된 천이를 판별하고, 준안정 상태 (meta-stable state)를 피하면서 딜레이 라인의 길이를 줄이는 구조를 갖는다. 제안한 TDC는 72개의 딜레이 셀 (delay cell)을 사용하였고, 파인부 (fine interpolator)의 성능 측정 결과, 시간 측정범위는 5070 ps, 평균 분해능은 20.53 ps, 최대 비선형성은 1.46 LSB였으며, 시간 측정범위는 계단 (step) 파형을 입력신호로 사용하는 기존 방식 대비 약 343 % 향상되었다.