JP2019092073A - Time-to-digital conversion circuit - Google Patents

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Abstract

To realize a time-to-digital conversion circuit with reduced accuracy degradation.SOLUTION: The time-to-digital conversion circuit (1a) includes: an oscillation circuit (2); a phase sampling circuit (3); a clock generation circuit (4a); a counter circuit (5); and a decoding circuit (6a) for outputting a digital signal indicating a time from a start signal input to a stop signal input.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、時間デジタル変換回路に関する。   The present invention relates to a time digital conversion circuit.

従来、電圧・電流信号がアナログデジタル信号処理に一般的に用いられる。また、AD変換回路、DA変換回路、又はアナログフィルタ等が信号処理回路として挙げられる。一方、超微細CMOSプロセスでは、低電源電圧のため電圧・電流信号のダイナミックレンジを確保することが難しく、高性能なAD変換回路、DA変換回路、アナログフィルタを実現することが難しい。しかしながら、デジタル回路は微細化の恩恵をうけるため低電源電圧下でも高速動作可能となり、デジタル回路の時間分解能は向上する。時間信号を信号処理に用いることで、超微細CMOSプロセスで高精度な信号処理を行うことが可能であるが、時間信号をアナログデジタル信号処理に用いる場合、時間デジタル変換回路が必要である。また、ダイナミックレンジを確保するためには、時間デジタル変換回路の高精度化が必須である。   Conventionally, voltage and current signals are generally used for analog digital signal processing. Further, an AD converter circuit, a DA converter circuit, an analog filter, or the like can be given as the signal processing circuit. On the other hand, in the ultra-fine CMOS process, it is difficult to secure the dynamic range of voltage and current signals because of the low power supply voltage, and it is difficult to realize a high-performance AD converter circuit, DA converter circuit, and analog filter. However, the digital circuit can operate at high speed even under a low power supply voltage because of the benefit of miniaturization, and the time resolution of the digital circuit is improved. By using a time signal for signal processing, it is possible to perform highly accurate signal processing in an ultra-fine CMOS process, but when using a time signal for analog-digital signal processing, a time-to-digital conversion circuit is required. Also, in order to secure the dynamic range, it is essential to improve the accuracy of the time digital conversion circuit.

時間デジタル変換回路には様々な回路方式があるが、発振回路を用いる時間デジタル変換回路は、高いダイナミックレンジを簡単な構成で実現できる回路方式である。   There are various circuit systems in the time digital conversion circuit, but the time digital conversion circuit using the oscillation circuit is a circuit system which can realize a high dynamic range with a simple configuration.

以下の特許文献1及び非特許文献1においては、準安定性(metastability)の問題を回避する為の時間デジタル変換回路が提案されている。非特許文献2及び3においては、発振回路を用いる時間デジタル変換回路において、発振回路の位相出力信号を0,1の2値デジタル信号として扱うのではなく、細分化した電圧レベルを有するアナログ信号として扱い、位相をより緻密に解釈することにより高精度化を可能とする技術が提示されている。   Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 below propose a time-to-digital converter circuit for avoiding the problem of metastability. In Non-Patent Documents 2 and 3, in a time digital conversion circuit using an oscillation circuit, the phase output signal of the oscillation circuit is not treated as a binary digital signal of 0, 1 but as an analog signal having subdivided voltage levels Techniques have been presented that enable high precision by handling and interpreting the phase more precisely.

米国特許2015/0077279A1号明細書(2015年3月19日公開)US Patent 2015/0077279 A1 specification (released on March 19, 2015)

Matthias Fugger, Attila Kinali, Christoph Lenzen, and Thomas Polzer, “Metastability-Aware Memory-Efficient Time-to-Digital Converters”, In IEEE International Symposium on Asynchronous Circuits and Systems (ASYNC), 2017Matthias Fugger, Attila Kinali, Christoph Lenzen, and Thomas Polzer, “Metastability-Aware Memory-Efficient Time-to-Digital Converters,” In IEEE International Symposium on Asynchronous Circuits and Systems (ASYNC), 2017 Shingo Mandai, “A 780x800 um2 Multichannel Digital Silicon Photomultiplier With Column-Parallel Time-to-Digital Converter and Basic Characterization”, IEEE Trans. on Nuclear Science vol. 61, Browse Journals & Magazines, no. 1, Feb., 2014, page 44-52Shingo Mandai, "A Multi-channel Digital Silicon Photomultiplier with Column-Parallel Time-to-Digital Converter and Basic Characterization", IEEE Trans. On Nuclear Science vol. 61, Browse Journals & Magazines, no. 1, Feb. 2014, page 44-52 Singo Mandai, “Multichannel Digital Silicon Photomultipliers for Time-of-Flight PET”, TU Delft Library, the Netherlands, 1, July, 2014, page 74-80, 87-92Singo Mandai, “Multichannel Digital Silicon Photomultipliers for Time-of-Flight PET”, TU Delft Library, the Netherlands, 1, July, 2014, page 74-80, 87-92

しかしながら、上述のような非特許文献2および非特許文献3に記載の高精度化技術では、
・セットアップ時間違反によるラッチ回路の準安定性
・ホールド時間違反によるラッチ回路の準安定性
・クロックスキュー
・素子間の個体差によるデジタル回路のタイミングのずれ
などに由来する精度劣化に関して課題がある。
However, in the high precision technology described in Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 as described above,
-Metastability of the latch circuit due to setup time violation-Metastability of the latch circuit due to hold time violation-Clock skew-There is a problem regarding accuracy deterioration due to the timing deviation of the digital circuit due to individual differences among elements.

非特許文献2及び3に記載に記載された時間デジタル変換回路においては、上述の精度劣化を回避するための方法は提案されていない。   In the time-to-digital converter circuits described in Non-Patent Documents 2 and 3, no method has been proposed for avoiding the above-mentioned accuracy deterioration.

本発明の一態様は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、精度劣化を抑制した時間デジタル変換回路を実現することを目的とする。   One aspect of the present invention is made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a time-to-digital conversion circuit in which accuracy deterioration is suppressed.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る時間デジタル変換回路は、複数の位相信号を出力する発振回路と、上記複数の位相信号が入力され、スタート信号入力後に入力されるストップ信号の入力に起因して、複数の位相信号の各々をサンプリングし、サンプリングした結果に応じた出力信号を出力する位相サンプリング回路と、上記複数の位相信号の1つが入力され、上記ストップ信号の入力に起因して、当該1つの位相信号をラッチして出力するクロック生成回路と、上記クロック生成回路の出力をカウントして、上記発振回路の周期をカウントするカウンタ回路と、上記位相サンプリング回路の出力信号と、上記カウンタ回路のカウンタ値と、上記クロック生成回路の出力又は内部状態とを参照して、上記スタート信号入力から上記ストップ信号入力までの時間を示すデジタル信号を出力するデコード回路とを備える。   In order to solve the above problems, the time-to-digital converter according to one aspect of the present invention includes an oscillation circuit that outputs a plurality of phase signals and a stop that receives the plurality of phase signals and is input after the start signal is input. A phase sampling circuit that samples each of a plurality of phase signals and outputs an output signal according to the sampling result due to the input of the signal, and one of the plurality of phase signals is input, and the input of the stop signal A clock generation circuit that latches and outputs the one phase signal, a counter circuit that counts the output of the clock generation circuit and counts the period of the oscillation circuit, and an output of the phase sampling circuit The start signal input with reference to the signal, the counter value of the counter circuit, and the output or internal state of the clock generation circuit And a decode circuit for outputting a digital signal indicating the time of Luo to the stop signal input.

本発明の一態様によれば、精度劣化を抑制した時間デジタル変換回路を実現できる。   According to one aspect of the present invention, it is possible to realize a time-to-digital conversion circuit in which accuracy degradation is suppressed.

従来の時間デジタル変換回路の一例である。It is an example of the conventional time digital conversion circuit. 位相サンプリング回路のデジタル出力から、時間デジタル変換回路の出力信号の計算に係る値を求める為のルックアップテーブルを示す従来の図である。It is a conventional figure which shows the look-up table for calculating | requiring the value which concerns on calculation of the output signal of a time digital-conversion circuit from the digital output of a phase sampling circuit. 各素子又は回路における出力信号の一例を示すタイミング図である。It is a timing diagram which shows an example of the output signal in each element or circuit. 準安定性の問題またはタイミングのずれが発生した場合の一例を示すタイミング図である。It is a timing diagram which shows an example when a metastability problem or timing gap occurs. 時間デジタル変換回路を示す概略図である。It is the schematic which shows a time digital conversion circuit. ルックアップテーブルを示す図である。It is a figure which shows a look-up table. 各素子又は回路における出力信号の一例を示すタイミング図である。It is a timing diagram which shows an example of the output signal in each element or circuit. 準安定性の問題またはタイミングのずれが発生した場合の一例を示すタイミング図である。It is a timing diagram which shows an example when a metastability problem or timing gap occurs. 第1から第4の位相サンプリング回路の構成例である。It is an example of composition of the 1st to 4th phase sampling circuit.

〔実施形態1〕
まず、図1を参照しながら、本発明の前提構成である時間デジタル変換回路について説明する。
Embodiment 1
First, with reference to FIG. 1, a time-to-digital converter which is a premise of the present invention will be described.

図1は、本発明の前提構成である時間デジタル変換回路1を示す概略図である。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a time digital conversion circuit 1 which is a premise of the present invention.

図1に示す通り、時間デジタル変換回路1は、発振回路2、位相サンプリング回路3a〜3d、クロック生成回路4、カウンタ回路5、及びデコード回路6を備える。   As shown in FIG. 1, the time digital conversion circuit 1 includes an oscillation circuit 2, phase sampling circuits 3 a to 3 d, a clock generation circuit 4, a counter circuit 5, and a decoding circuit 6.

時間デジタル変換回路1には、START端子8からのSTART信号と、STOP端子9からのSTOP信号とが入力され、START信号がLow(0)からHigh(1)へ変化した時点から、STOP信号がLowからHighへ変化した時点間の時間を計測する。   The START signal from the START terminal 8 and the STOP signal from the STOP terminal 9 are input to the time digital conversion circuit 1, and the STOP signal is inputted from the time when the START signal changes from Low (0) to High (1). Measure the time between when it changes from Low to High.

発振回路2は、非反転型の遅延素子21〜24と、遅延素子24の出力PHI3を反転して遅延素子21にフィードバックする反転素子25とを備えるリング型発振回路である。   The oscillation circuit 2 is a ring oscillation circuit including non-inverted delay elements 21 to 24 and an inverting element 25 that inverts the output PHI 3 of the delay element 24 and feeds it back to the delay element 21.

遅延素子21〜24はデジタル信号入力端子、デジタル信号出力端子、及びenable制御端子を有し、上記デジタル信号入力端子に入力されるデジタル信号を上記デジタル信号出力端子から所定の一定時間遅延させ、位相出力信号(PHI0〜3)として出力する。遅延素子21〜24は、START信号の入力に起因して発振を開始し、enable制御端子からの入力がLowである場合、遅延動作せず、予め設定された所定のデジタル値を出力し、enable制御端子からの入力がHighの場合、遅延動作をする。上記enable制御端子は時間デジタル変換回路1の時間計測開始信号であるSTART端子に接続される。   Each of the delay elements 21 to 24 has a digital signal input terminal, a digital signal output terminal, and an enable control terminal, and delays the digital signal input to the digital signal input terminal from the digital signal output terminal for a predetermined fixed time. It outputs as an output signal (PHI0-3). The delay elements 21 to 24 start oscillation due to the input of the START signal, and when the input from the enable control terminal is low, do not perform delay operation and output a predetermined digital value set in advance, enable When the input from the control terminal is high, the delay operation is performed. The enable control terminal is connected to a START terminal which is a time measurement start signal of the time digital conversion circuit 1.

なお、時間デジタル変換回路1が備える発振回路は、リング型ではない発振回路であって、同様の機能又は相当する機能が実現できる発振回路であってもよい。   The oscillation circuit included in the time digital conversion circuit 1 may be an oscillation circuit that is not of a ring type and that can realize the same function or a corresponding function.

位相サンプリング回路(群)3は、第1の位相サンプリング回路3a、第2の位相サンプリング回路3b、第3の位相サンプリング回路3c、及び第4の位相サンプリング回路3dを備える。   The phase sampling circuit (group) 3 includes a first phase sampling circuit 3a, a second phase sampling circuit 3b, a third phase sampling circuit 3c, and a fourth phase sampling circuit 3d.

第1から第4の位相サンプリング回路3a〜3dは、発振回路2からの位相出力信号(PHI0〜3)をアナログ信号としてサンプリングし、所定の電圧レベルと比較しデジタル値(DPHI0〜3)を出力する。   The first to fourth phase sampling circuits 3a to 3d sample the phase output signals (PHI 0 to 3) from the oscillation circuit 2 as analog signals, compare them with predetermined voltage levels, and output digital values (DPHI 0 to 3). Do.

位相サンプリング回路3aは、発振回路2の出力信号を増幅するバッファ回路31aと、上記出力信号をサンプリングするためのキャパシタ(コンデンサ)32aと、サンプリングされた出力信号をある基準電圧レベルと比較し、その比較結果をデジタル信号として出力するコンパレータ回路33aと、サンプリング直後から一定時間経過後にコンパレータ回路33aを動作させるための遅延回路34aとを備える。なお、位相信号とは、周期的に同じ波形を有する信号を意味する。   The phase sampling circuit 3a compares a buffer circuit 31a for amplifying an output signal of the oscillation circuit 2, a capacitor 32a for sampling the output signal, and the sampled output signal with a certain reference voltage level, and The comparator circuit 33a outputs the comparison result as a digital signal, and the delay circuit 34a for operating the comparator circuit 33a after a predetermined time has elapsed immediately after sampling. The phase signal means a signal having the same waveform periodically.

また、図1に示すように、第2から第4の位相サンプリング回路3b〜3dについても、位相サンプリング回路3aが備える部材とそれぞれ対応する部材を備える。   Further, as shown in FIG. 1, the second to fourth phase sampling circuits 3b to 3d also have members corresponding to the members provided in the phase sampling circuit 3a.

第1から第4の位相サンプリング回路3a〜3dは、時間計測停止信号であるSTOP信号がLowからHighになった時点における位相信号(PHI0〜3)の電圧レベルをサンプリングする。   The first to fourth phase sampling circuits 3a to 3d sample the voltage levels of the phase signals (PHI0 to 3) when the STOP signal, which is a time measurement stop signal, changes from low to high.

クロック生成回路4は、ラッチ回路41とシュミットトリガ回路42とを備える。   The clock generation circuit 4 includes a latch circuit 41 and a Schmitt trigger circuit 42.

ラッチ回路41は、HighまたはLowの1bitに相当する値を保持できる回路である。ラッチ回路41には、発振回路2の位相出力信号PHI3と、STOP信号とが入力され、STOP信号がLowの間、位相出力信号PHI3の値をそのままシュミットトリガ回路42へ出力するが、STOP信号がHighの間、STOP信号がLowからHighへ変化した時点での出力信号の値を保持する。   The latch circuit 41 is a circuit that can hold a value corresponding to 1 bit of High or Low. The latch circuit 41 receives the phase output signal PHI3 of the oscillation circuit 2 and the STOP signal, and outputs the value of the phase output signal PHI3 as it is to the Schmitt trigger circuit 42 while the STOP signal is low. While High, the value of the output signal at the time when the STOP signal changes from Low to High is held.

シュミットトリガ回路42は、入力信号のノイズを除去できる回路である。シュミットトリガ回路42は、大小2つの閾値を有し、入力信号が大きい方の閾値よりも大きい値であった場合、Highである信号を出力し、入力信号が小さい方の閾値よりも小さい値であった場合、Lowである信号を出力する。入力信号が小さい方の閾値以上且つ大きい方の閾値以下である場合は、直前の出力を引き続き出力する。   The Schmitt trigger circuit 42 is a circuit that can remove noise of an input signal. The Schmitt trigger circuit 42 has two large and small thresholds, and when the input signal has a value larger than the larger threshold, outputs a signal that is High, and the input signal has a smaller value than the smaller threshold. If there is, it outputs a signal that is Low. If the input signal is greater than or equal to the smaller threshold and less than or equal to the larger threshold, the immediately preceding output is continuously output.

シュミットトリガ回路42は、ラッチ回路41のセットアップ/ホールド時間違反による準安定性の問題を回避するために、ラッチ回路41の後段に配置するのが好ましい。   The Schmitt trigger circuit 42 is preferably disposed downstream of the latch circuit 41 in order to avoid the problem of metastability due to the setup / hold time violation of the latch circuit 41.

即ち、クロック生成回路4は、シュミットトリガ回路42を含み、カウンタ回路5には、シュミットトリガ回路42により整形されたクロック信号が入力される。   That is, the clock generation circuit 4 includes the Schmitt trigger circuit 42, and the clock signal shaped by the Schmitt trigger circuit 42 is input to the counter circuit 5.

クロック生成回路4の動作により、START信号がHighに設定され、STOP信号がHighとなるまでの期間の、発振回路2の発振周期をカウンタ回路5にて計数することができる。   By the operation of the clock generation circuit 4, the counter circuit 5 can count the oscillation cycle of the oscillation circuit 2 during the period until the START signal is set to High and the STOP signal becomes High.

カウンタ回路5は、複数のフリップフロップから構成されるリップルカウンタ方式のカウンタであり、入力信号のHighからLowへの立下りをカウントする。   The counter circuit 5 is a ripple counter type counter composed of a plurality of flip flops, and counts falling of the input signal from high to low.

デコード回路6は、位相サンプリング回路3a〜3dの出力DPHI0〜3と、カウンタ回路5のデジタル出力MSB_CNTとからデコードを行う。   The decoding circuit 6 decodes from the outputs DPHI 0 to 3 of the phase sampling circuits 3 a to 3 d and the digital output MSB_CNT of the counter circuit 5.

図2は、位相サンプリング回路3a〜3dのデジタル出力DPI0〜DPI3から、時間デジタル変換回路1の出力信号DOUTの計算に係る値であるLSB_DECを求める為のルックアップテーブルを示す図である。例えば、DPHI0=1、DPHI1=1、DPHI2=1、DPHI3=0である場合、図2よりLSB_DECの値は3となる。   FIG. 2 is a diagram showing a look-up table for obtaining LSB_DEC which is a value related to the calculation of the output signal DOUT of the time digital conversion circuit 1 from the digital outputs DPI0 to DPI3 of the phase sampling circuits 3a to 3d. For example, when DPHI0 = 1, DPHI1 = 1, DPHI2 = 1, and DPHI3 = 0, the value of LSB_DEC is 3 from FIG.

LSB_DECとカウンタ回路5の出力MSB_CNTとより、デコード回路6の出力DOUTを次式にしたがって計算し、時間デジタル変換回路1の出力信号とする。
DOUT=LSB_DEC+MSB_CNT・8
上記のようなデコードを行うことで、カウンタ回路5からのカウント値(MSB_CNT)と位相サンプリング回路3の出力信号(DPHI0〜3)とに基づいた値を出力する高分解能の時間デジタル変換回路1を実現することができるという効果を奏する。
From the LSB_DEC and the output MSB_CNT of the counter circuit 5, the output DOUT of the decoding circuit 6 is calculated according to the following equation, and is used as the output signal of the time digital conversion circuit 1.
DOUT = LSB_DEC + MSB_CNT · 8
The high resolution time digital conversion circuit 1 which outputs a value based on the count value (MSB_CNT) from the counter circuit 5 and the output signal (DPHI 0 to 3) of the phase sampling circuit 3 by performing the above-described decoding The effect of being able to be realized is achieved.

しかしながら、時間デジタル変換回路1はpico-secondオーダーの信号を扱うため、予期しないタイミングのずれや準安定性の問題が発生するという副次的な問題がある。   However, since the time-to-digital converter 1 handles signals of pico-second order, there is a secondary problem that unexpected timing deviation and metastability problems occur.

以下、準安定性の問題について、図3と図4とに基づいて説明する。   Hereinafter, the problem of metastability will be described based on FIGS. 3 and 4.

図3は、各素子又は回路における出力信号の一例を示すタイミング図である。   FIG. 3 is a timing chart showing an example of an output signal in each element or circuit.

図3は、図示しないタイミングT0でSTART信号がHighに設定され、TnにおいてPHI3(クロック生成回路4の入力信号)のHighからLowへの立下りをN回カウントした後、次にPHI3が立ち下がるカウントの直前であって、ほぼ同一のタイミングTS2において、STOP信号がLowからHighになった場合を示している。   In FIG. 3, the START signal is set to High at timing T0 (not shown), and after PHI3 (input signal of clock generation circuit 4) has counted High to Low falling N times at Tn, then PHI3 falls. The figure shows the case where the STOP signal changes from low to high immediately before counting and at substantially the same timing TS2.

TS2の時点でのPHI0=0, PHI1=0, PHI2=0, PHI3=1がサンプリングされるため、DPHI0=0,DPHI1=0,DPHI2=0,DPHI3=1が位相サンプリング回路から出力される。また、図2からLSB_DEC=7である。そしてリップルカウンタの値はNで、MSB_CNT=Nであるので、DOUT=7+8Nとなる。図3はタイミングのずれや準安定性の問題が無い理想的な場合である。   Since PHI0 = 0, PHI1 = 0, PHI2 = 0, and PHI3 = 1 at the time of TS2 are sampled, DPHI0 = 0, DPHI1 = 0, DPHI2 = 0, and DPHI3 = 1 are output from the phase sampling circuit. Further, from FIG. 2, LSB_DEC = 7. Since the value of the ripple counter is N and MSB_CNT = N, DOUT = 7 + 8N. FIG. 3 is an ideal case where there is no problem of timing deviation or metastability.

図4は、準安定性の問題またはタイミングのずれが発生した場合の一例を示すタイミング図である。   FIG. 4 is a timing diagram illustrating an example where a metastability problem or timing deviation occurs.

図4は、図3において示す場合と同様、図示しないタイミングT0でSTART信号がHighに設定され、TnにおいてPHI3の立下りをN回カウントした後、次のPHI3が立下がるカウントの直前であって、ほぼ同一のタイミングTS2においてSTOP信号がLowからHighになった場合を示している。   Similarly to the case shown in FIG. 3, after the START signal is set to High at timing T0 (not shown) and N falling edges of PHI 3 are counted N times at T n, the timing is immediately before the next falling edge of PHI 3 It shows the case where the STOP signal changes from low to high at substantially the same timing TS2.

しかしながら図3において示した場合とは異なり、クロック生成回路4内のラッチ回路41の準安定性の問題またはタイミングのずれの発生により、TS2よりも前にPHI3の立下りがカウンタ回路5によりカウントされている。   However, unlike the case shown in FIG. 3, due to the problem of metastability of latch circuit 41 in clock generation circuit 4 or the occurrence of timing deviation, falling of PHI 3 is counted by counter circuit 5 prior to TS 2. ing.

上記の場合、DPHI0=0,DPHI1=0,DPHI2=0,DPHI3=1であるので図2からLSB_DEC=7であるが、カウンタ回路のカウント値がN+1になるため、MSB_CNT=N+1になり、DOUT=7+8・(N+1)となる。   In the above case, since DPHI0 = 0, DPHI1 = 0, DPHI2 = 0, and DPHI3 = 1, although LSB_DEC = 7 in FIG. 2 because the count value of the counter circuit is N + 1, MSB_CNT = N + 1. , DOUT = 7 + 8 · (N + 1).

上記の様に、準安定性の問題またはタイミングのずれの発生により、測定結果(DOUT)が異なる値となる場合が発生する。このような事が発生すると測定の精度が劣化してしまう。   As described above, the occurrence of metastability problems or timing deviation may cause the measurement results (DOUT) to have different values. If such a thing occurs, the accuracy of measurement will deteriorate.

次に、図5〜図9を参照しながら、本願発明の実施形態1に係る時間デジタル変換回路1aについて説明する。時間デジタル変換回路1aは、ラッチ回路の準安定性の問題やデジタル回路のタイミングのずれによる精度劣化を回避するものである。   Next, the time-to-digital converter circuit 1a according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The time digital conversion circuit 1a is to avoid the accuracy deterioration due to the metastability problem of the latch circuit or the timing deviation of the digital circuit.

なお便宜上、上述の時間デジタル変換回路1を用いた説明における部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、説明を省略する。   For the sake of convenience, the same reference numerals are appended to members having the same functions as the members in the description using the above time digital conversion circuit 1, and the description will be omitted.

図5は、時間デジタル変換回路1aを示す概略図である。図5に示すように、時間デジタル変換回路1aは、発振回路2、位相サンプリング回路(群)3、クロック生成回路4a、カウンタ回路5、及びデコード回路6aを含む。
発振回路2は、遅延素子をリング状に配置したリング型発振回路であり、また、説明を簡単化するため1入力1出力の遅延素子からなるシングルエンド型である。2入力2出力の遅延素子をリング状に形成した差動型かつリング型発振回路も構成可能である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the time digital conversion circuit 1a. As shown in FIG. 5, the time digital conversion circuit 1a includes an oscillation circuit 2, a phase sampling circuit (group) 3, a clock generation circuit 4a, a counter circuit 5, and a decode circuit 6a.
The oscillation circuit 2 is a ring type oscillation circuit in which delay elements are arranged in a ring shape, and is a single end type composed of a 1 input 1 output delay element to simplify the description. It is also possible to configure a differential and ring oscillation circuit in which two-input and two-output delay elements are formed in a ring shape.

差動型発振回路を用いることにより、電源、グランドノイズの影響を受けにくい時間デジタル変換回路を実現できる。   By using a differential oscillation circuit, it is possible to realize a time-to-digital conversion circuit that is less susceptible to the effects of power supply and ground noise.

位相サンプリング回路3が備える第1から第4の位相サンプリング回路3a〜3dは、発振回路2からの位相出力信号(PHI0〜3)をアナログ信号としてサンプリングし、所定の電圧レベルと比較しデジタル値(DPHI0〜3)を出力する。   The first to fourth phase sampling circuits 3a to 3d included in the phase sampling circuit 3 sample the phase output signals (PHI 0 to 3) from the oscillation circuit 2 as analog signals and compare them with predetermined voltage levels to obtain digital values Output DPHI 0 to 3).

クロック生成回路4aは、シュミットトリガ回路42を含み、カウンタ回路5には、シュミットトリガ回路42により整形されたクロック信号が入力される。   The clock generation circuit 4 a includes a Schmitt trigger circuit 42, and the clock signal shaped by the Schmitt trigger circuit 42 is input to the counter circuit 5.

準安定性の問題によりラッチ回路41から極短い寄生パルスが生じる可能性がある。このとき、本発明に示す補正方法を用いる場合であっても、準安定性の問題を回避できない。シュミットトリガ回路42を設けることで該準安定性の問題をより確実に回避することができる。   Due to metastability problems, it is possible for the latch circuit 41 to generate very short parasitic pulses. At this time, even when the correction method shown in the present invention is used, the problem of metastability can not be avoided. By providing the Schmitt trigger circuit 42, the metastability problem can be avoided more reliably.

デコード回路6aには、位相サンプリング回路3a〜3dのデジタル出力DPHI0、DPHI1、DPHI2、及びDPHI3と、カウンタ回路5のデジタル出力MSB_CNTとに加え、クロック生成回路4aが備えるラッチ回路41の出力信号CLK3が入力される点において、図1に示す時間デジタル変換回路1とは構成が異なる。   In addition to the digital outputs DPHI0, DPHI1, DPHI2, and DPHI3 of the phase sampling circuits 3a to 3d and the digital output MSB_CNT of the counter circuit 5, the decode circuit 6a receives the output signal CLK3 of the latch circuit 41 included in the clock generation circuit 4a. The configuration is different from that of the time digital conversion circuit 1 shown in FIG. 1 in that it is input.

なお、上記の構成は一例であって、本発明を実施する場合に、必ずしも時間デジタル変換回路1aと同一の構成でなければならないことを意味しない。   The above configuration is an example, and does not necessarily mean that the configuration must be the same as that of the time digital conversion circuit 1 a when the present invention is implemented.

図6は、ルックアップテーブルを示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing a look-up table.

図6に示すルックアップテーブルにより、位相サンプリング回路3a〜3dのデジタル出力DPI0〜DPI3と、クロック生成回路4aの出力信号とから、時間デジタル変換回路1aの出力信号DOUTの計算に係る値であるLSB_DECとMSB_CALとを求めることができる。例えば、DPHI0=1、DPHI1=1、DPHI2=0、DPHI3=0、CLK3=0である場合、図6よりLSB_DEC=2、MSB_CAL=0となる。   According to the look-up table shown in FIG. 6, LSB_DEC which is a value related to the calculation of the output signal DOUT of the time digital conversion circuit 1a from the digital outputs DPI0 to DPI3 of the phase sampling circuits 3a to 3d and the output signal of the clock generation circuit 4a. And MSB_CAL can be determined. For example, when DPHI0 = 1, DPHI1 = 1, DPHI2 = 0, DPHI3 = 0, and CLK3 = 0, as shown in FIG. 6, LSB_DEC = 2 and MSB_CAL = 0.

LSB_DEC、MSB_CAL、及びカウンタ回路5の出力信号MSB_CNTより、デコード回路6aの出力DOUT’を次式にしたがって計算し、時間デジタル変換回路1aの出力信号とする。
DOUT’=LSB_DEC+(MSB_CAL+MSB_CNT)・8
上述の記載は、デコード回路6aは、位相サンプリング回路3a〜3dのデジタル出力DPI0〜DPI3と、クロック生成回路4aの出力CLK3とからLSB_DEC及び、新たな参照信号であるMSB_CALを生成し、上記参照信号と、カウンタ回路5のカウンタ値MSB_CNTとに応じたデジタル信号DOUT’を出力すると言い換えることもできる。また、参照信号LSB_DECに併せてMSB_CALの値をデコード回路6aの出力DOUT’の計算に用いることで、後述するように、準安定性の問題又はタイミングのずれに由来する不整合を補正することができる。
From the LSB_DEC, MSB_CAL, and the output signal MSB_CNT of the counter circuit 5, the output DOUT 'of the decode circuit 6a is calculated according to the following equation, and is used as the output signal of the time digital conversion circuit 1a.
DOUT '= LSB_DEC + (MSB_CAL + MSB_CNT) · 8
In the above description, the decode circuit 6a generates the LSB_DEC and the new reference signal MSB_CAL from the digital outputs DPI0 to DPI3 of the phase sampling circuits 3a to 3d, the output CLK3 of the clock generation circuit 4a, and the reference signal And the digital signal DOUT 'corresponding to the counter value MSB_CNT of the counter circuit 5 can be reworded. Further, by using the value of MSB_CAL together with the reference signal LSB_DEC for calculating the output DOUT ′ of the decoding circuit 6a, as will be described later, it is possible to correct a mismatch derived from the metastability problem or timing deviation. it can.

MSB_CALの値を確認することで、準安定性・クロックスキュー・タイミングずれによる不整合が発生したかどうかを確認することができる。具体的には、MSB_CALの値が0であれば、上記不整合は発生していないが、MSB_CALの値が1又は-1であれば、上記不整合が発生している。   By checking the value of MSB_CAL, it can be checked whether a mismatch due to metastability, clock skew or timing deviation has occurred. Specifically, when the value of MSB_CAL is 0, the above mismatch does not occur, but when the value of MSB_CAL is 1 or -1, the above mismatch occurs.

図7は、各素子又は回路における出力信号の一例を示すタイミング図である。   FIG. 7 is a timing chart showing an example of an output signal in each element or circuit.

図7は、準安定性の問題やタイミングのずれが発生しない理想的な場合を示すタイミング図であって、START信号が既にHighレベル(1)となっている場合において、STOP信号がLowからHighへ切り替わる時点でのタイミング図である。   FIG. 7 is a timing chart showing an ideal case where no metastability problem or timing deviation occurs, and the STOP signal is from Low to High when the START signal is already at High level (1). It is a timing diagram at the time of switching to.

START信号がHighである期間、発振回路2が発振動作を行い、遅延素子21〜24の出力波形はPHI0〜3に示す波形となる。   During a period in which the START signal is High, the oscillation circuit 2 performs an oscillation operation, and the output waveforms of the delay elements 21 to 24 become waveforms shown by PHI 0 to 3.

カウンタ回路5はSTART信号がHighとなってからのクロック生成回路4aの出力信号のHighからLowへの立下りをカウントし、0,1,…,N-1, Nと出力が更新される。位相サンプリング回路3a〜3dはSTOP信号が1に変化した時点での遅延素子出力をサンプリングし、遅延素子のHighレベルとLowレベルの中間値と比較して0または1を出力する。各コンパレータ回路は、STOP信号が1となった瞬間に、サンプリングされたPHI0〜3の値に応じて、0または1の値を出力する(一例として本実施形態においては(DPHI0, DPHI1, DPHI2, DPHI3) = (0, 0, 0, 1))。また、クロック生成回路4aにおいて、発振回路2の出力信号PHI3からの入力値がラッチされる(一例として本実施形態においては、CLK3=1の状態が保持される)。上記のサンプリングまたはラッチされた値 DPHI0〜3およびCLK3より、図6に従い、LSB_DEC=7, MSB_CAL=0となり、DOUT’は、理想的な値である7+8Nとなる。   The counter circuit 5 counts the falling from high to low of the output signal of the clock generation circuit 4a after the START signal becomes high, and the output is updated as 0, 1,..., N−1, N. The phase sampling circuits 3a to 3d sample the output of the delay element when the STOP signal changes to 1, and output 0 or 1 by comparing the intermediate value between the high level and the low level of the delay element. Each comparator circuit outputs a value of 0 or 1 according to the value of PHI 0 to 3 sampled at the moment when the STOP signal becomes 1 (in the present embodiment, as an example, (DPHI0, DPHI1, DPHI2, DPHI3) = (0, 0, 0, 1)). Further, in the clock generation circuit 4a, the input value from the output signal PHI3 of the oscillation circuit 2 is latched (in the present embodiment, for example, the state of CLK3 = 1 is held). From the above sampled or latched values DPHI0 to 3 and CLK3, according to FIG. 6, LSB_DEC = 7, MSB_CAL = 0, and DOUT 'becomes 7 + 8 N which is an ideal value.

本発明の時間デジタル変換回路1aにおいて、ラッチ回路41の準安定性の問題やデジタル回路のタイミングのずれが発生してもカウンタ回路5の出力と位相サンプリング回路3a〜3dの出力に不整合が発生せず、準安定性の問題やタイミングのずれに由来する問題を回避できることを説明する。   In the time-to-digital converter 1a of the present invention, even if metastability problems of the latch circuit 41 or timing deviation of the digital circuit occur, a mismatch occurs between the output of the counter circuit 5 and the outputs of the phase sampling circuits 3a to 3d. It will be explained that it is possible to avoid the problem of metastability and the problem derived from the timing deviation, without doing it.

図8は、ラッチ回路41において不整合が発生した場合の一例を示すタイミング図である。   FIG. 8 is a timing chart showing an example when a mismatch occurs in the latch circuit 41. As shown in FIG.

図7と同じ位相の信号については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。   The description of signals having the same phase as in FIG. 7 will be omitted, and only differences will be described.

図8は、準安定性の問題またはタイミングのずれが発生した場合の一例を示すタイミング図である。   FIG. 8 is a timing chart showing an example when a metastability problem or timing deviation occurs.

図8に示すように、ラッチ回路41の出力信号CLK3の位相が、回路バラツキ等により発振回路2の出力信号PHI3の位相よりも少し進んでいる為、STOP信号が1となる時点において、PHI3とCLK3とにタイミングのズレが生じ、ラッチ回路41はHigh(1)ではなく、Low(0)を保持するため、CLK3はLow(0)となる。   As shown in FIG. 8, since the phase of the output signal CLK3 of the latch circuit 41 slightly leads the phase of the output signal PHI3 of the oscillation circuit 2 due to circuit variation or the like, when the STOP signal becomes 1, PHI3 and Since a timing shift occurs between CLK3 and CLK3 and the latch circuit 41 holds Low (0) instead of High (1), CLK3 becomes Low (0).

上記の場合に、図2にしたがって、時間デジタル変換回路1aの出力を計算すると、DOUT(補正なし)=15+8Nとなり、該タイミングのずれにより、DOUT(理想)と異なる値に落ち着く。一方、図6にしたがって算出すると、DOUT’(補正あり)=7+8Nとなり、DOUT(理想)と同じ値となる。このことから、該補正方法に従うとタイミングのずれが発生しても時間デジタル変換回路1aの性能劣化とはならない。   In the above case, when the output of the time-to-digital converter 1a is calculated according to FIG. 2, DOUT (no correction) = 15 + 8N, and due to the timing shift, the value is settled different from DOUT (ideal). On the other hand, when calculated according to FIG. 6, DOUT '(with correction) = 7 + 8N, which is the same value as DOUT (ideal). From this, according to the correction method, even if the timing deviation occurs, the performance of the time digital conversion circuit 1a is not degraded.

なお、デコード回路6aは、ラッチ回路41からの出力信号CLK3、換言するとクロック生成回路4aの内部状態が得られる構成であれば、ラッチ回路41とデコード回路6aとが直接的に接続される構成に限定されない。   Decode circuit 6a has a configuration in which latch circuit 41 and decode circuit 6a are directly connected if output signal CLK3 from latch circuit 41, in other words, the internal state of clock generation circuit 4a can be obtained. It is not limited.

即ち、デコード回路6aは、クロック生成回路4aの出力信号CLK3又は内部状態と、位相サンプリング回路3a〜3dの出力信号DPHI0〜DPHI3とに応じたLSB_DEC及び参照信号であるMSB_CALを生成し、タイミングエラーが発生したことを検出する。   That is, the decode circuit 6a generates the LSB_DEC and the reference signal MSB_CAL according to the output signal CLK3 or the internal state of the clock generation circuit 4a and the output signals DPHI0 to DPHI3 of the phase sampling circuits 3a to 3d, and the timing error Detect what happened.

このように、LSB_DECに併せて参照信号MSB_CALの値をデコード回路6aの出力DOUT’の計算に用いることで、換言すると、位相サンプリング回路3a〜3dの出力信号DPHI0〜DPHI3に併せてクロック生成回路4aの出力信号CLK3又は内部状態をデコード回路6aの出力DOUT’の計算に用いることで、準安定性の問題又はタイミングのずれに由来する不整合を補正することができる。   Thus, by using the value of the reference signal MSB_CAL together with LSB_DEC for the calculation of the output DOUT ′ of the decode circuit 6a, in other words, the clock generation circuit 4a together with the output signals DPHI0 to DPHI3 of the phase sampling circuits 3a to 3d. Can be used to calculate the output signal CLK3 or the internal state of the decoder 6a to calculate the output DOUT 'of the decoding circuit 6a, it is possible to correct the mismatch due to the metastability problem or the timing deviation.

上述したように、時間デジタル変換回路1aは、複数の位相信号を出力する発振回路2と、上記複数の位相信号が入力され、上記スタート信号入力後に入力されるストップ信号の入力に起因して、複数の位相信号の各々をサンプリングし、サンプリングした結果に応じた出力信号を出力する位相サンプリング回路3a〜3dと、上記複数の位相信号の1つが入力され、上記ストップ信号の入力に起因して、当該1つの位相信号をラッチして出力するクロック生成回路4aと、クロック生成回路4aの出力をカウントして、発振回路2の周期をカウントする、カウンタ回路5と、位相サンプリング回路3a〜3dの出力信号と、カウンタ回路5のカウンタ値と、クロック生成回路4aの出力又は内部状態とを参照して、上記スタート信号入力から上記ストップ信号入力までの時間を示すデジタル信号を出力するデコード回路6aとを備える。   As described above, the time digital conversion circuit 1a receives the oscillation circuit 2 that outputs a plurality of phase signals, and the input of the stop signal that is input after the input of the start signal after the input of the plurality of phase signals. The phase sampling circuits 3a to 3d which sample each of the plurality of phase signals and output an output signal according to the sampled result, and one of the plurality of phase signals are input, and due to the input of the stop signal, The clock generation circuit 4a which latches and outputs the one phase signal, the counter circuit 5 which counts the output of the clock generation circuit 4a and counts the period of the oscillation circuit 2, and the outputs of the phase sampling circuits 3a to 3d With reference to the signal, the counter value of the counter circuit 5, and the output or internal state of the clock generation circuit 4a, And a decoding circuit 6a which outputs a digital signal indicating the time to the stop signal input.

上記の構成によれば、精度劣化を抑制した時間デジタル変換回路1aを実現できる。   According to the above configuration, it is possible to realize the time digital conversion circuit 1a in which the accuracy deterioration is suppressed.

以下、位相サンプリング回路3の構成例について説明する。   Hereinafter, a configuration example of the phase sampling circuit 3 will be described.

図9は、第1から第4の位相サンプリング回路3a〜3dの構成例である。   FIG. 9 is a configuration example of the first to fourth phase sampling circuits 3a to 3d.

位相サンプリング回路3a〜3dは、入力信号をキャパシタ32とコンパレータ入力端子とに伝えるために配置されたスイッチング素子MN1及びMP2から構成されるインバータ回路と、該インバータ回路の出力端子とキャパシタ32間に配置されたサンプリング用スイッチSW1と、サンプリングされた電圧信号を保持するためのキャパシタ32と、電源電圧VDDとグランドレベルの中間電圧を生成するための抵抗R1及びR2と、該中間電圧レベルとサンプリングされた電圧信号を比較してロジックレベルとしてHigh又はLowである信号を出力するコンパレータ回路33とを備える。   The phase sampling circuits 3a to 3d are disposed between the output terminal of the inverter circuit and the capacitor 32. The inverter circuit includes switching elements MN1 and MP2 arranged to transmit the input signal to the capacitor 32 and the comparator input terminal. Sampling switch SW1, a capacitor 32 for holding the sampled voltage signal, resistors R1 and R2 for generating an intermediate voltage between the power supply voltage VDD and the ground level, and the intermediate voltage level sampled And a comparator circuit 33 that compares voltage signals and outputs a signal that is High or Low as a logic level.

スイッチング素子MN1及びMP2は、FET(Field effect transistor、電界効果トランジスタ)であって、第1から第4の位相サンプリング回路3a〜3dにおけるバッファ回路31a〜31dの構成要素に相当する。   The switching elements MN1 and MP2 are FETs (Field Effect Transistors), and correspond to components of the buffer circuits 31a to 31d in the first to fourth phase sampling circuits 3a to 3d.

STOP信号がLowである場合、キャパシタ32はインバータ回路の出力端子に接続され、発振回路2の出力電圧の反転信号がキャパシタ32に伝わる。STOP信号がLowからHighへ変化した瞬間に、サンプリング用スイッチSW1は遮断され、その瞬間の電圧値がキャパシタ32に保持される。キャパシタ32に保持された電圧が安定化するのを待って、STOP信号がコンパレータ回路33に伝わり、キャパシタ32に保持された電圧と該中間電圧レベルとが比較され、コンパレータ回路33は、ロジックレベルとしてHigh又はLowである信号を出力する。   When the STOP signal is low, the capacitor 32 is connected to the output terminal of the inverter circuit, and the inverted signal of the output voltage of the oscillation circuit 2 is transmitted to the capacitor 32. At the moment when the STOP signal changes from low to high, the sampling switch SW1 is turned off, and the voltage value at that moment is held in the capacitor 32. After the voltage held in the capacitor 32 is stabilized, the STOP signal is transmitted to the comparator circuit 33, the voltage held in the capacitor 32 is compared with the intermediate voltage level, and the comparator circuit 33 takes a logic level. Output a signal that is High or Low.

このように、位相サンプリング回路3a〜3dは、キャパシタ32とスイッチSW1とから構成されるアナログ信号サンプリング回路を備え、上記各サンプリング回路は、位相信号をアナログ電圧信号としてサンプリングする。   As described above, the phase sampling circuits 3a to 3d include an analog signal sampling circuit including the capacitor 32 and the switch SW1, and each of the sampling circuits samples the phase signal as an analog voltage signal.

発振回路2の各位相信号をアナログ信号として扱い、キャパシタ32に保持された電圧を該1つの中間電圧レベルだけではなく、複数の基準電圧レベルと比較したり、各位相信号を組み合わせて比較することで、位相サンプリング回路の時間分解能を向上することができる。   Treating each phase signal of the oscillation circuit 2 as an analog signal, comparing the voltage held in the capacitor 32 with not only one intermediate voltage level but with a plurality of reference voltage levels, or combining and comparing each phase signal Thus, the time resolution of the phase sampling circuit can be improved.

本実施形態のようなデコードを行うことで、カウンタ回路5におけるカウント値(MSB_CNT)、発振回路2の位相信号(DPHI0〜3)、及びSTOP信号によりラッチされたラッチ回路41からの出力信号 (CLK3)とに基づいた値を出力する、高分解能の時間デジタル変換回路1aを実現することができる。   By performing the decoding as in this embodiment, the count value (MSB_CNT) in the counter circuit 5, the phase signals (DPHI0 to 3) of the oscillation circuit 2, and the output signal from the latch circuit 41 latched by the STOP signal (CLK3 And a high resolution time digital conversion circuit 1a that outputs a value based on the above.

本実施形態においては、説明を簡単化するため、位相サンプリング回路3a〜3dの入力信号は、発振回路2の対応する出力信号1入力とし、コンパレータ回路33a〜33dにおいて比較される所定の電圧レベルを各入力信号(PHI0〜3)のHighレベルとLowレベルの中間値としたが、非特許文献2、3に記載のような構成にしても本発明は成り立つ。また、ここでは説明を簡略化するため、発振回路2はシングルエンド方式としたが、フル差動の発振回路を用いる方がより性能向上しやすい。   In the present embodiment, to simplify the description, the input signals of phase sampling circuits 3a to 3d are the corresponding output signal 1 inputs of oscillation circuit 2, and the predetermined voltage levels to be compared in comparator circuits 33a to 33d are Although it is an intermediate value between the high level and the low level of each input signal (PHI0 to 3), the present invention is also applicable to the configurations as described in Non-Patent Documents 2 and 3. In addition, although the oscillation circuit 2 is a single-ended system in order to simplify the description here, it is easier to improve the performance by using a fully differential oscillation circuit.

〔まとめ〕
本発明の態様1に係る時間デジタル変換回路1aは、複数の位相信号を出力する発振回路2と、上記複数の位相信号が入力され、スタート信号入力後に入力されるストップ信号の入力に起因して、複数の位相信号の各々をサンプリングし、サンプリングした結果に応じた出力信号を出力する位相サンプリング回路3a〜3dと、上記複数の位相信号の1つが入力され、上記ストップ信号の入力に起因して、当該1つの位相信号をラッチして出力するクロック生成回路4aと、上記クロック生成回路4aの出力をカウントして、上記発振回路の周期をカウントする、カウンタ回路5と、上記位相サンプリング回路3a〜3dの出力信号と、上記カウンタ回路5のカウンタ値と、上記クロック生成回路4aの出力又は内部状態とを参照して、上記スタート信号入力から上記ストップ信号入力までの時間を示すデジタル信号を出力するデコード回路6aとを備える構成である。
[Summary]
The time-to-digital converter circuit 1a according to aspect 1 of the present invention includes the oscillation circuit 2 that outputs a plurality of phase signals, and the input of the stop signal that is input after the start of the start signal. , Phase sampling circuits 3a to 3d which sample each of the plurality of phase signals and output an output signal according to the sampled result, and one of the plurality of phase signals is input, resulting from the input of the stop signal A clock generation circuit 4a which latches and outputs the one phase signal, a counter circuit 5 which counts the output of the clock generation circuit 4a and counts the period of the oscillation circuit, and the phase sampling circuit 3a to With reference to the 3d output signal, the counter value of the counter circuit 5, and the output or internal state of the clock generation circuit 4a, From start signal input is configured to include a decoding circuit 6a which outputs a digital signal indicating the time to the stop signal input.

上記の構成によれば、精度劣化を抑制した時間デジタル変換回路1aを実現できる。   According to the above configuration, it is possible to realize the time digital conversion circuit 1a in which the accuracy deterioration is suppressed.

本発明の態様2に係る時間デジタル変換回路1aは、上記の態様1において、上記デコード回路6aは、上記クロック生成回路4aの出力又は内部状態と、上記位相サンプリング回路3a〜3dの出力信号とに応じた参照信号を生成し、タイミングエラーが発生したことを検出する構成としてもよい。   In the time digital conversion circuit 1a according to aspect 2 of the present invention, in the above aspect 1, the decoding circuit 6a outputs the output or the internal state of the clock generation circuit 4a and the output signals of the phase sampling circuits 3a to 3d. A configuration may be adopted in which a corresponding reference signal is generated to detect that a timing error has occurred.

上記の構成によれば、クロック生成回路4aの出力CLK3又は内部状態と、上記位相サンプリング回路3a〜3dの出力信号DPHI0〜DPHI3とに応じた参照信号をデコード回路6aの出力DOUT’の計算に用いることで、準安定性の問題又はタイミングのずれに由来する不整合を補正することができる。   According to the above configuration, reference signals corresponding to the output CLK3 or the internal state of the clock generation circuit 4a and the output signals DPHI0 to DPHI3 of the phase sampling circuits 3a to 3d are used to calculate the output DOUT 'of the decode circuit 6a. In this way, it is possible to correct for inconsistencies due to metastability problems or timing deviations.

本発明の態様3に係る時間デジタル変換回路1aは、上記の態様1又は2において、上記位相サンプリング回路3a〜3dは、キャパシタ32とスイッチSW1とから構成されるアナログ信号サンプリング回路を備え、上記各サンプリング回路は、位相信号をアナログ電圧信号としてサンプリングする構成としてもよい。   In the time digital conversion circuit 1a according to aspect 3 of the present invention, in the above aspect 1 or 2, each of the phase sampling circuits 3a to 3d includes an analog signal sampling circuit composed of a capacitor 32 and a switch SW1. The sampling circuit may be configured to sample the phase signal as an analog voltage signal.

上記の構成によれば、発振回路2の各位相信号をアナログ信号として扱い、キャパシタ32に保持された電圧を該1つの中間電圧レベルだけではなく、複数の基準電圧レベルと比較したり、各位相信号を組み合わせて比較することで、位相サンプリング回路の時間分解能を向上することができる。   According to the above configuration, each phase signal of oscillation circuit 2 is treated as an analog signal, and the voltage held by capacitor 32 is compared not only with the one intermediate voltage level but with a plurality of reference voltage levels, or each phase By combining and comparing the signals, it is possible to improve the time resolution of the phase sampling circuit.

本発明の態様4に係る時間デジタル変換回路1aは、上記の態様1から3までの何れかにおいて、上記クロック生成回路4aは、シュミットトリガ回路42を含み、上記カウンタ回路5には、上記シュミットトリガ回路42により整形されたクロック信号が入力される構成としてもよい。   In the time-to-digital converter 1a according to aspect 4 of the present invention, in any of the above-mentioned aspects 1 to 3, the clock generation circuit 4a includes a Schmitt trigger circuit 42, and the counter circuit 5 includes the Schmitt trigger The clock signal shaped by the circuit 42 may be input.

上記の構成によれば、シュミットトリガ回路42を設けることで準安定性の問題をより確実に回避することができる。   According to the above configuration, by providing the Schmitt trigger circuit 42, the problem of metastability can be avoided more reliably.

上記の構成によれば、カウンタ回路5における誤検知を防止できる効果を奏する。   According to the above configuration, there is an effect that false detection in the counter circuit 5 can be prevented.

本発明の態様5に係る時間デジタル変換回路1aは、上記の態様1から4までの何れかにおいて、上記発振回路2は、リング型発振回路であり、差動型遅延素子により構成される差動発振回路である構成としてもよい。   In the time-to-digital converter circuit 1a according to aspect 5 of the present invention, in any of the above-mentioned aspects 1 to 4, the oscillation circuit 2 is a ring type oscillation circuit, and a differential is constituted by differential type delay elements. The configuration may be an oscillator circuit.

上記の構成によれば、差動型発振回路を用いることにより、電源、グランドノイズの影響を受けにくい時間デジタル変換回路を実現できる。   According to the above configuration, by using the differential oscillation circuit, it is possible to realize a time-to-digital conversion circuit that is not easily affected by the power supply and the ground noise.

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。   The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible within the scope of the claims.

1、1a 時間デジタル変換回路
2 発振回路
3、3a〜3d 位相サンプリング回路
4、4a クロック生成回路
5 カウンタ回路
6、6a デコード回路
8 START端子
9 STOP端子
21〜24 遅延素子
25 反転素子
31a〜31d バッファ回路
32a〜32d キャパシタ(コンデンサ)
33a〜33d コンパレータ回路
34a〜34d 遅延回路
41 ラッチ回路
42 シュミットトリガ回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a time digital conversion circuit 2 oscillation circuit 3, 3a-3d phase sampling circuit 4, 4a clock generation circuit 5 counter circuit 6, 6a decoding circuit 8 START terminal 9 STOP terminal 21-24 delay element 25 inversion element 31a-31d buffer Circuits 32a-32d Capacitors
33a to 33d comparator circuit 34a to 34d delay circuit 41 latch circuit 42 Schmitt trigger circuit

Claims (5)

複数の位相信号を出力する発振回路と、
上記複数の位相信号が入力され、スタート信号入力後に入力されるストップ信号の入力に起因して、複数の位相信号の各々をサンプリングし、サンプリングした結果に応じた出力信号を出力する位相サンプリング回路と、
上記複数の位相信号の1つが入力され、上記ストップ信号の入力に起因して、当該1つの位相信号をラッチして出力するクロック生成回路と、
上記クロック生成回路の出力をカウントして、上記発振回路の周期をカウントする、カウンタ回路と、
上記位相サンプリング回路の出力信号と、上記カウンタ回路のカウンタ値と、上記クロック生成回路の出力又は内部状態とを参照して、上記スタート信号入力から上記ストップ信号入力までの時間を示すデジタル信号を出力するデコード回路と
を備えることを特徴とする時間デジタル変換回路。
An oscillator circuit that outputs a plurality of phase signals;
A phase sampling circuit that receives the plurality of phase signals and samples each of the plurality of phase signals due to the input of the stop signal input after the start signal is input, and outputs an output signal according to the sampled result ,
A clock generation circuit which receives one of the plurality of phase signals and latches and outputs the one phase signal due to the input of the stop signal;
A counter circuit that counts the output of the clock generation circuit and counts the period of the oscillation circuit;
Referring to the output signal of the phase sampling circuit, the counter value of the counter circuit, and the output or internal state of the clock generation circuit, a digital signal indicating the time from the start signal input to the stop signal input is output. A time-to-digital converter circuit comprising:
上記デコード回路は、
上記クロック生成回路の出力又は内部状態と、
上記位相サンプリング回路の出力信号と
に応じた参照信号を生成し、
タイミングエラーが発生したことを検出する
ことを特徴とする請求項1に記載の時間デジタル変換回路。
The above decode circuit
The output or internal state of the clock generation circuit;
Generates a reference signal according to the output signal of the phase sampling circuit,
The time-to-digital converter circuit according to claim 1, which detects that a timing error has occurred.
上記位相サンプリング回路は、キャパシタとスイッチとから構成されるアナログ信号サンプリング回路を備え、
上記各サンプリング回路は、位相信号をアナログ電圧信号としてサンプリングする
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の時間デジタル変換回路。
The phase sampling circuit comprises an analog signal sampling circuit composed of a capacitor and a switch,
The time-to-digital converter according to claim 1 or 2, wherein each of the sampling circuits samples a phase signal as an analog voltage signal.
上記クロック生成回路は、シュミットトリガ回路を含み、
上記カウンタ回路には、
上記シュミットトリガ回路により整形されたクロック信号が入力される
ことを特徴とする請求項1から3までの何れか1項に記載の時間デジタル変換回路。
The clock generation circuit includes a Schmitt trigger circuit,
The above counter circuit
The time-to-digital converter circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein a clock signal shaped by the Schmitt trigger circuit is input.
上記発振回路は、リング型発振回路であり、
差動型遅延素子により構成される差動発振回路であることを特徴とする請求項1から4までの何れか1項に記載の時間デジタル変換回路。
The above oscillation circuit is a ring oscillation circuit,
The time-to-digital converter circuit according to any one of claims 1 to 4, which is a differential oscillation circuit constituted by differential delay elements.
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