JP2023133093A - time digital converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、時間デジタル変換器に係り、特に、半導体検査装置(半導体テスタ)に用いて好適な時間デジタル変換器に関する。 The present invention relates to a time-to-digital converter, and particularly to a time-to-digital converter suitable for use in semiconductor inspection equipment (semiconductor tester).
従来、被検査対象、例えばIC、LSI等を検査する半導体検査装置において、信号の時間測定を行うものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a semiconductor testing apparatus for testing an object to be tested, such as an IC or an LSI, which measures the time of a signal (for example, see Patent Document 1).
ところで、時間や周波数の測定方法としてはこれまで様々な手法が提案されており、代表的なものとしては、ユニバーサルカウント方式、タイム・エキスパンション方式、時間電圧変換方式、タイム・バーニア方式などが挙げられる。 By the way, various methods have been proposed to measure time and frequency, and representative ones include the universal count method, time expansion method, time-voltage conversion method, and time vernier method. .
このうち例えば、ユニバーサルカウント方式では内蔵する基準クロック入力信号を指定された時間計測することで時間測定を行うものである。また、タイム・エキスパンション方式は時間を電圧に変換して測定する方式であり、端数時間のパルス幅を積分回路によって充放電を行い、パルス幅伸張を行うものである。 For example, in the universal count method, time is measured by measuring a built-in reference clock input signal for a specified time. In addition, the time expansion method is a method of measuring time by converting it into voltage, and expands the pulse width by charging and discharging the pulse width of a fractional time using an integrating circuit.
しかしながら、半導体検査装置における一機能として時間測定を行う場合、従来の手法では限界があった。 However, when measuring time as a function of a semiconductor inspection device, conventional methods have limitations.
すなわち、半導体検査装置においては、時間デジタル変換器を備えることにより時間測定が可能となるが、この場合、ASIC(application specific integrated circuit)やアナログ回路設計を必要としない汎用的な技術としてFPGA(field-programmable gate array)を用いた時間デジタル変換器の採用が一般的となっている。ここで、通常のFPGAでは、クロック周波数が数100MHzとなっており、測定可能な最小量がnsecオーダーに制限されている。 In other words, semiconductor inspection equipment can measure time by being equipped with a time-to-digital converter, but in this case, FPGA (field field The adoption of time-to-digital converters using -programmable gate arrays has become common. Here, in a normal FPGA, the clock frequency is several 100 MHz, and the minimum measurable amount is limited to the nanosecond order.
一方、半導体検査装置に採用される時間デジタル変換器にあっては、測定(計測)の分解能の高さ、測定ダイナミックレンジの広さ、そして測定の高速性が重要となり、現状では例えば、100ps程度の分解能での測定が望まれる。この場合、基準クロックとしては10GHzが必要になり、高精度、高分解能、ハイスピードを実現するためには結局、ASICを作成するか、アナログ回路を別途設計する必要が生じ、時間デジタル変換器のコストが高くなる問題がある。これはユニバーサルカウント方式に限らず、従来既知の他の方式を採用する時間デジタル変換器においても同様である。 On the other hand, for time-to-digital converters used in semiconductor inspection equipment, high measurement resolution, wide measurement dynamic range, and high measurement speed are important, and currently, for example, about 100 ps It is desirable to measure with a resolution of . In this case, 10 GHz is required as the reference clock, and in order to achieve high precision, high resolution, and high speed, it becomes necessary to create an ASIC or separately design an analog circuit, and the time-to-digital converter is required. There is a problem of high cost. This applies not only to the universal count method but also to time-to-digital converters employing other conventionally known methods.
また、オシロスコープとPC(パソコン)を使用して高精度、高分解能の測定をすることはできるが、この場合、高速処理には限界がある。 Further, although it is possible to perform high-precision, high-resolution measurements using an oscilloscope and a PC (personal computer), there is a limit to high-speed processing in this case.
本発明は、斯かる実情に鑑み、ASICやアナログ回路設計を必要とすることなく、高精度、高分解能、ハイスピードを実現可能な時間デジタル変換器を提供しようとするものである。 In view of these circumstances, the present invention aims to provide a time-to-digital converter that can achieve high precision, high resolution, and high speed without requiring ASIC or analog circuit design.
本発明は、入力波形における第1時点と第2時点の間の時間間隔を計測する時間デジタル変換器であって、基準クロックの周期の整数倍として前記時間間隔に対する主時間間隔を計数する基準計数手段と、前記時間間隔に対する前記主時間間隔の過不足分として端数時間間隔を計数する端数計数手段と、前記第1時点の契機となる第1信号を発生させる第1信号発生手段と、前記第2時点の契機となる第2信号を発生させる第2信号発生手段と、を備え、前記端数計数手段は、前記第1信号発生手段および前記第2信号発生手段と接続する逓倍手段群と、位相シフト手段と、を有し、前記逓倍手段群は、前記端数時間間隔に対応する信号を前記基準クロックのm逓倍(mは2以上の整数)でサンプリングするための信号を生成するn個(nは2以上の整数)の逓倍手段からなり、前記位相シフト手段は、前記n個の逓倍手段が生成した前記信号のそれぞれの位相を360°/nずつシフトさせるものである、ことを特徴とする時間デジタル変換器に係るものである。 The present invention is a time-to-digital converter that measures a time interval between a first time point and a second time point in an input waveform, the reference counting device counting the main time interval relative to the time interval as an integer multiple of the period of a reference clock. means, fraction counting means for counting a fractional time interval as an excess or deficiency of the main time interval with respect to the time interval; a first signal generating means for generating a first signal that triggers the first time point; a second signal generating means for generating a second signal that triggers two points in time; the fraction counting means includes a multiplier group connected to the first signal generating means and the second signal generating means; Shifting means, and the multiplication means group includes n (n is an integer of 2 or more), and the phase shift means shifts the phase of each of the signals generated by the n multiplication means by 360°/n. This relates to a time-to-digital converter.
本発明によれば、ASICやアナログ回路設計を必要とすることなく、高精度、高分解能、ハイスピードを実現可能な時間デジタル変換器を提供できる、という優れた効果を奏し得る。 According to the present invention, an excellent effect can be achieved in that a time-to-digital converter that can realize high precision, high resolution, and high speed can be provided without requiring ASIC or analog circuit design.
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本実施形態の各図面において同一の符号を付した部分は同一物を表わす。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the drawings of this embodiment, parts denoted by the same reference numerals represent the same parts.
図1は、本実施形態の時間デジタル変換器10の概要を示す図であり、同図(A)が時間デジタル変換器10の回路構成の一例を示す概要ブロック図であり、同図(B)が本実施形態の時間デジタル変換器10における時間測定の概要図である。また、図2は、図1(C)の一部拡大図である。 FIG. 1 is a diagram showing an outline of a time-to-digital converter 10 of this embodiment, and FIG. 1(A) is a schematic block diagram showing an example of the circuit configuration of the time-to-digital converter 10, and FIG. is a schematic diagram of time measurement in the time-to-digital converter 10 of this embodiment. Moreover, FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG. 1(C).
図1(A)を参照して、本実施形態の時間デジタル変換器10は、例えば、減衰器11と、フィルター回路(例えば、ローパスフィルタ)12と、第1信号発生手段13と、第2信号発生手段14と、演算手段20を有する。演算手段20は、計数手段15(基準計数手段16および端数計数手段17)と、計数・変換手段19などを有する。 Referring to FIG. 1A, the time-to-digital converter 10 of the present embodiment includes, for example, an attenuator 11, a filter circuit (for example, a low-pass filter) 12, a first signal generating means 13, and a second signal generating means 13. It has a generating means 14 and a calculating means 20. The calculation means 20 includes a counting means 15 (a reference counting means 16 and a fraction counting means 17), a counting/conversion means 19, and the like.
同図(B)を参照して、時間デジタル変換器10は、減衰器11およびフィルター回路12を介して入力される入力波形における、第1時点t1と第2時点t2の間の時間間隔Tを計測するものである。本実施形態の時間デジタル変換器10は例えば、減衰器11の上流において不図示のDUT(被測定対象、例えば半導体素子)と(必要に応じてバッファ回路を介して)接続する。つまり入力波形とは、この例では被測定対象である半導体素子が出力する例えば、電圧波形である。この場合の時間測定の一例としては、DUTが出力する電圧(波形)のva%(例えば、20%)に達する第1時点t1とvb%(例えば、80%)に達する第2時点t2の間の時間間隔Tの測定、などである。時間デジタル変換器10は、例えば他の情報処理装置(例えば、PCなど)とともに半導体検査装置を構成する。 Referring to FIG. 3B, the time-to-digital converter 10 calculates the time interval T between the first time point t1 and the second time point t2 in the input waveform input via the attenuator 11 and the filter circuit 12. It is something to be measured. The time-to-digital converter 10 of this embodiment is connected, for example, to a not-shown DUT (object to be measured, such as a semiconductor device) upstream of the attenuator 11 (via a buffer circuit as necessary). In other words, in this example, the input waveform is, for example, a voltage waveform output from a semiconductor element to be measured. An example of time measurement in this case is between a first time t1 when the voltage (waveform) output by the DUT reaches va% (e.g. 20%) and a second time t2 when the voltage (waveform) output by the DUT reaches vb% (e.g. 80%). measurement of the time interval T, and so on. The time-to-digital converter 10 constitutes a semiconductor inspection device together with, for example, another information processing device (such as a PC).
第1時点t1および第2時点t2は、それぞれ、所定の信号(タイミング信号、トリガー信号)の発生を契機とする時点である。時間デジタル変換器10は、一例として、第1信号発生手段13と、第2信号発生手段14を有し、所定の信号は、2つの信号発生手段13,14により発生する信号である。すなわち、第1信号発生手段13は、第1時点t1の契機となる第1信号(タイミング信号、トリガー信号)を発生する手段であり、第2信号発生手段14は、第2時点t2の契機となる第2信号(タイミング信号、トリガー信号)を発生する手段である。第1信号発生手段13および第2信号発生手段14はそれぞれ、例えば比較器(コンパレータ)A,比較器(コンパレータ)Bである。 The first time point t1 and the second time point t2 are each time points triggered by the generation of a predetermined signal (timing signal, trigger signal). The time-to-digital converter 10 includes, for example, a first signal generating means 13 and a second signal generating means 14, and the predetermined signal is a signal generated by the two signal generating means 13 and 14. That is, the first signal generating means 13 is a means for generating a first signal (timing signal, trigger signal) that is a trigger for the first time t1, and the second signal generating means 14 is a means for generating a first signal (timing signal, trigger signal) that is a trigger for the second time t2. This is means for generating a second signal (timing signal, trigger signal). The first signal generating means 13 and the second signal generating means 14 are, for example, a comparator A and a comparator B, respectively.
一例として、第1信号発生手段13は、第1参照電圧Vref1と入力波形の電圧Vinを比較し、入力波形の電圧Vinが第1参照電圧Vref1より低い場合に「L」を出力し(オフとなり)、入力波形の電圧Vinが第1参照電圧Vref1より高くなると第1信号である「H」を出力する(オンとなる)。第2信号発生手段14は、第2参照電圧Vref2と入力波形の電圧Vinを比較し、入力波形の電圧Vinが第2参照電圧Vref2より低い場合に「L」を出力し(オフとなり)、入力波形の電圧Vinが第2参照電圧Vref2より高くなると第2信号である「H」を出力する(オンとなる)。つまり、第1信号(「H」)の出力タイミングが第1時点t1であり、第2信号(「H」)の出力タイミングが第2時点t2である。 As an example, the first signal generating means 13 compares the first reference voltage Vref1 and the voltage Vin of the input waveform, and outputs "L" (turns off) when the voltage Vin of the input waveform is lower than the first reference voltage Vref1. ), when the voltage Vin of the input waveform becomes higher than the first reference voltage Vref1, the first signal "H" is output (turned on). The second signal generating means 14 compares the second reference voltage Vref2 and the voltage Vin of the input waveform, and outputs "L" (turns off) when the voltage Vin of the input waveform is lower than the second reference voltage Vref2, and inputs When the waveform voltage Vin becomes higher than the second reference voltage Vref2, the second signal "H" is output (turned on). That is, the output timing of the first signal ("H") is the first time t1, and the output timing of the second signal ("H") is the second time t2.
同図(C)の例では、第1信号発生手段が「H」となるタイミング(第1時点t1)が測定開始のタイミングであり、第2信号発生手段が「H」となるタイミング(第2時点t2)が測定終了のタイミングであって、第1時点t1から第2時点t2までが測定対象の時間間隔Tである。 In the example shown in FIG. 3C, the timing at which the first signal generation means becomes "H" (first time point t1) is the timing to start measurement, and the timing at which the second signal generation means becomes "H" (second time point t1). Time t2) is the timing at which the measurement ends, and the time interval T from the first time t1 to the second time t2 is the measurement target.
計数手段15は、基準クロックに基づき時間間隔Tを計数する手段であり、基準計数手段16と端数計数手段17を有する。ここでは基準クロックは、例えば、水晶発振器などから入力される外部クロックに基づき、例えば位相同期回路(PLL:phase locked loop:PLL回路)などによって生成される内部クロックである。基準計数手段16は、生成された基準クロックを、主となるサンプリングクロックMain CLKとして、その1周期の整数倍として時間間隔Tを計数する手段である。具体的に、図2を参照して、基準計数手段16は、例えば、周波数125MHz(1周期8ns)の基準クロック(内部クロック)をサンプリングクロックMain CLKとして、時間間隔Tに含まれるクロック数(整数)を計数する。ここで任意の時間間隔Tは、サンプリングクロックMain CLK(基準クロック)の1周期の整数倍の時間になるとは限らない。 The counting means 15 is a means for counting the time interval T based on a reference clock, and has a reference counting means 16 and a fraction counting means 17. Here, the reference clock is an internal clock generated by, for example, a phase locked loop (PLL) circuit based on an external clock input from, for example, a crystal oscillator. The reference counting means 16 is a means for counting the time interval T as an integral multiple of one cycle of the generated reference clock as the main sampling clock Main CLK. Specifically, referring to FIG. 2, the reference counting means 16 uses, for example, a reference clock (internal clock) with a frequency of 125 MHz (one period of 8 ns) as the sampling clock Main CLK, and calculates the number of clocks (integer number) included in the time interval T. ) is counted. Here, the arbitrary time interval T is not necessarily a time that is an integral multiple of one period of the sampling clock Main CLK (reference clock).
基準計数手段16は、例えば、時間間隔Tの開始時点とサンプリングクロックMain CLKが同期している場合には当該サンプリングクロックMain CLKを開始クロック(1番目のクロック)とし、時間間隔Tの開始時点とサンプリングクロックMain CLKが非同期の場合は、開始時点以後に最初に到来するサンプリングクロックMain CLKを開始クロック(1番目のクロック)とする。また、時間間隔Tの終了時点とサンプリングクロックMain CLKが同期している場合には当該サンプリングクロックMain CLKを終了クロック(N番目のクロック、Nは整数)とし、時間間隔Tの終了時点とサンプリングクロックMain CLKが非同期の場合は、終了時点以後に最初に到来するサンプリングクロックMain CLKを終了クロック(N番目のクロック、Nは整数)とする。そして、時間間隔Tに含まれるクロック数(N-1クロック)を計数し、当該クロック数に対応する時間を主時間間隔TMとして計測する。 For example, when the starting point of the time interval T and the sampling clock Main CLK are synchronized, the reference counting means 16 uses the sampling clock Main CLK as the starting clock (first clock), and sets the sampling clock Main CLK as the starting point of the time interval T. If the sampling clock Main CLK is asynchronous, the first sampling clock Main CLK that arrives after the start time is set as the start clock (first clock). In addition, if the end point of the time interval T and the sampling clock Main CLK are synchronized, the main sampling clock CLK is set as the end clock (Nth clock, N is an integer), and the end point of the time interval T and the sampling clock If Main CLK is asynchronous, the first sampling clock Main CLK that arrives after the end point is set as the end clock (Nth clock, N is an integer). Then, the number of clocks (N-1 clocks) included in the time interval T is counted, and the time corresponding to the number of clocks is measured as the main time interval TM.
図2に示す例では、第1時点t1、および第2時点t2のいずれも、サンプリングクロックMain CLKの1周期の途中にあり、すなわち、時間間隔Tの開始時点(t1)と終了時点(t2)のいずれも、サンプリングクロックMain CLKと非同期である。この場合、基準計数手段16は、開始クロック(開始時点以後に最初に到来するサンプリングクロックMain CLK(「1」番目のクロック)から終了クロック(終了時点以後に最初に到来するサンプリングクロックMain CLK(「12」番目のクロック)までに含まれるクロック数(11=12-1)を、時間間隔Tに含まれる(主時間間隔TMに対応する)サンプリングクロックMain CLKとしてカウントする。 In the example shown in FIG. 2, both the first time point t1 and the second time point t2 are in the middle of one cycle of the sampling clock Main CLK, that is, the start time (t1) and the end time (t2) of the time interval T. Both are asynchronous with the sampling clock Main CLK. In this case, the reference counting means 16 converts the start clock (sampling clock Main CLK (“1” clock) which arrives first after the start point) to the end clock (sampling clock Main CLK (“1”) which arrives first after the end point). The number of clocks included up to the 12th clock (11=12-1) is counted as the sampling clock Main CLK included in the time interval T (corresponding to the main time interval TM).
また、端数計数手段17は、時間間隔Tに対する主時間間隔TMの過不足分として端数時間間隔TFを計数する手段である。すなわち、サンプリングクロックMain CLKの1周期に満たない時間(同図(C)においてハッチングで示す端数時間間隔TF)について、サンプリングクロックMain CLKの1周期よりも短い周期(高分解能)で計数する。 Further, the fractional counting means 17 is means for counting the fractional time interval TF as the excess or deficiency of the main time interval TM with respect to the time interval T. That is, the time period less than one period of the sampling clock Main CLK (fractional time interval TF shown by hatching in FIG. 4(C)) is counted at a period shorter than one period of the sampling clock Main CLK (high resolution).
同図(C)に示す例では、測定対象の時間間隔Tと主時間間隔TMを比較すると、第1時点t1から開始クロック(1番目のサンプリングクロックMain CLK)の立ち上がりまでの時間間隔(測定開始側の端数時間間隔)TF1と、第2時点t2から終了クロック(12番目のサンプリングクロックMain CLK)の立ち上がりのタイミングまでの時間間隔(測定終了側の端数時間間隔)TF2が存在している。端数計数手段17は、端数時間間隔TF1と端数時間間隔TF2に対応するクロック数をカウントするが、この場合のクロックの1周期は、サンプリングクロックMain CLKの1周期よりも短い周期であり、これについては後述する。 In the example shown in FIG. 5C, when the time interval T of the measurement target and the main time interval TM are compared, the time interval from the first time t1 to the rise of the start clock (first sampling clock Main CLK) (measurement start There is a time interval (fractional time interval on the measurement end side) TF1 from the second time point t2 to the rising timing of the end clock (12th sampling clock Main CLK) (fractional time interval on the measurement end side) TF2. The fraction counting means 17 counts the number of clocks corresponding to the fractional time interval TF1 and the fractional time interval TF2, but one cycle of the clock in this case is shorter than one cycle of the sampling clock Main CLK. will be described later.
計数・変換手段19は、基準計数手段の計数結果と端数計数手段の計数結果に基づき、時間間隔を算出し、デジタル値に変換する。具体的に、時間間隔Tは、主時間間隔TMに、端数時間間隔TF1を加算または減算し、端数時間間隔TF2を減算または加算(基本的には減算)して算出される。この例では、時間間隔T=主時間間隔TM+端数時間間隔TF1-端数時間間隔TF2である。また計数・変換手段19は、算出した時間間隔Tをデジタル変換して出力する。 The counting/converting means 19 calculates a time interval based on the counting result of the reference counting means and the counting result of the fractional counting means, and converts it into a digital value. Specifically, the time interval T is calculated by adding or subtracting the fractional time interval TF1 to the main time interval TM, and subtracting or adding (basically, subtracting) the fractional time interval TF2. In this example, time interval T = main time interval TM + fractional time interval TF1 - fractional time interval TF2. Further, the counting/converting means 19 digitally converts the calculated time interval T and outputs it.
図3から図6を参照して、端数計数手段17について説明する。図3は、演算手段20の一例を概略で示す回路ブロック図であり、図4は、端数計数手段17の一例を概略で示す回路ブロック図であり、図5は、端数計数回路170の一例を概略で示す回路ブロック図であり、図6は、端数計数手段17におけるサンプリングクロックMain CLKの一例である。 The fraction counting means 17 will be explained with reference to FIGS. 3 to 6. 3 is a circuit block diagram schematically showing an example of the calculation means 20, FIG. 4 is a circuit block diagram schematically showing an example of the fraction counting means 17, and FIG. 5 is a circuit block diagram schematically showing an example of the fraction counting circuit 170. FIG. 6 is a circuit block diagram schematically showing an example of the sampling clock Main CLK in the fraction counting means 17.
図3に示すように、本実施形態の演算手段20は、基準計数手段16と端数計数手段17と計数・変換手段19を含み、一例として、FPGA(field-programmable gate array)アプリケーションにより構成される。端数計数手段17には、第1信号発生手段13および第2信号発生手段14からのデータが入力される。端数計数手段17は、例えば、FPGAアプリケーションの一要素であり、クロックの分周、逓倍、位相シフトなどの処理を実行可能である。なお、これらの処理はデジタルクロックマネージャー(DCM)によって構成してもよい。 As shown in FIG. 3, the calculation means 20 of this embodiment includes a reference counting means 16, a fraction counting means 17, and a counting/conversion means 19, and is configured by an FPGA (field-programmable gate array) application as an example. . The fraction counting means 17 receives data from the first signal generating means 13 and the second signal generating means 14 . The fraction counting means 17 is, for example, an element of an FPGA application, and is capable of executing processes such as frequency division, multiplication, and phase shift of a clock. Note that these processes may be configured by a digital clock manager (DCM).
本実施形態では端数計数手段17は、n個(nは2以上の整数)の逓倍手段171からなる逓倍手段群と、位相シフト手段172を有する。また、本実施形態では、第1信号発生手段13と、第2信号発生手段14はそれぞれ、逓倍手段群と接続する。逓倍手段群の構成は同様であるので、以下一例として、第1信号発生手段13に接続する逓倍手段群(逓倍手段171A~171H)について説明するが、第2信号発生手段14に接続する逓倍手段群(逓倍手段171I~171P)についても同様である。 In this embodiment, the fraction counting means 17 includes a multiplier group consisting of n multipliers 171 (n is an integer of 2 or more) and a phase shift means 172. Further, in this embodiment, the first signal generating means 13 and the second signal generating means 14 are each connected to a group of multiplying means. Since the structure of the multiplier group is the same, the multiplier group (multiplier means 171A to 171H) connected to the first signal generation means 13 will be explained below as an example, but the multiplier group connected to the second signal generation means 14 will be explained below. The same applies to the groups (multipliers 171I to 171P).
逓倍手段群は、複数の逓倍手段171(例えば、逓倍手段171A~171H)により構成され、逓倍手段171はそれぞれに、例えば、SERDES回路(SERializer/DESerializer:シリアルパラレル相互変換回路)により構成される。逓倍手段171は第1信号発生手段13(第2信号発生手段14)から入力される信号(端数時間間隔TF1、TF2に対応するデータ)を、基準クロック(サンプリングクロックMain CLK)のm逓倍(mは2以上の整数)でサンプリングする信号を生成する。 The multiplication means group is composed of a plurality of multiplication means 171 (for example, multiplication means 171A to 171H), and each of the multiplication means 171 is composed of, for example, a SERDES circuit (SERializer/DESerializer: serial-parallel mutual conversion circuit). The multiplier 171 multiplies the signal (data corresponding to fractional time intervals TF1, TF2) input from the first signal generating means 13 (second signal generating means 14) by m (m) the reference clock (sampling clock Main CLK). is an integer greater than or equal to 2).
また、n個の位相シフト手段172は、n個の逓倍手段171がそれぞれ生成する逓倍サンプリングクロックMCLKの位相をそれぞれ360°/n(逓倍手段171の数)ずつシフトさせるものであり、例えば位相同期回路(PLL回路)を含む手段である。 Further, the n phase shift means 172 shift the phase of the multiplied sampling clock MCLK generated by the n multipliers 171 by 360°/n (the number of multipliers 171), for example, phase synchronization. This means includes a circuit (PLL circuit).
ここでは一例としてnは8であり、mも8である(なお、nとmは同数でなくてもよい)。つまり図3に示す例では、端数計数手段17は、8個の逓倍手段(SERDES回路)171A~171Hから構成される逓倍手段群と、8個の逓倍手段(SERDES回路)171I~171Pから構成される逓倍手段群とを有する。それぞれの逓倍手段171A~171Pは、端数時間間隔TF1、TF2に対応するデータを、基準クロック(サンプリングクロックMain CLK)の8逓倍でサンプリングする信号(逓倍サンプリングクロックMCLK(図2参照))を生成する。 Here, as an example, n is 8 and m is also 8 (note that n and m may not be the same number). In other words, in the example shown in FIG. 3, the fraction counting means 17 is composed of a multiplication means group consisting of eight multiplication means (SERDES circuits) 171A to 171H and eight multiplication means (SERDES circuits) 171I to 171P. and a multiplier group. Each of the multipliers 171A to 171P generates a signal (multiplyed sampling clock MCLK (see FIG. 2)) that samples data corresponding to fractional time intervals TF1 and TF2 at 8 times the reference clock (sampling clock Main CLK). .
位相シフト手段172は、一の逓倍手段群(逓倍手段171A~171H)がそれぞれ生成する逓倍サンプリングクロックMCLKの位相を45°(=360/8°)ずつシフトする。位相シフト手段172は、逓倍手段171A~171Hに対応して設けられるが、本実施形態では一例として、4個の位相シフト手段(PLL回路)172(172A~172D)のそれぞれに反転回路(不図示)を設けて位相反転回路(位相シフト手段)172E~172Hとすることにより、逓倍手段171A~171Hが生成する逓倍サンプリングクロックMCLKの位相をシフトする手段としている。なお、位相反転回路を用いず、逓倍手段171A~171H対応する8個の位相シフト手段(PLL回路)172A~172Hを設けてもよい。 The phase shift means 172 shifts the phase of each multiplied sampling clock MCLK generated by one multiplier group (multipliers 171A to 171H) by 45° (=360/8°). The phase shift means 172 is provided corresponding to the multiplier means 171A to 171H, but in this embodiment, as an example, an inversion circuit (not shown) is provided for each of the four phase shift means (PLL circuits) 172 (172A to 172D). ) are provided as phase inversion circuits (phase shift means) 172E to 172H, thereby providing means for shifting the phase of the multiplied sampling clock MCLK generated by the multipliers 171A to 171H. Note that eight phase shift means (PLL circuits) 172A to 172H corresponding to the multipliers 171A to 171H may be provided without using the phase inversion circuit.
また、図3に示す回路図では、一例として、第1信号発生手段13に接続する逓倍手段群(逓倍手段171A~171H)と、第2信号発生手段14に接続する逓倍手段群(逓倍手段171I~171P)とで、位相シフト手段172A~172H、基準計数手段16および計数・変換手段19が共用されている。しかしこの構成に限らず、逓倍手段群に対応してそれぞれ、位相シフト手段172、基準計数手段16および計数・変換手段19が設けられてもよい。 Further, in the circuit diagram shown in FIG. 3, as an example, a group of multiplying means (multiplying means 171A to 171H) connected to the first signal generating means 13 and a group of multiplying means (multiplying means 171I) connected to the second signal generating means 14 are shown. 171P), phase shift means 172A to 172H, reference counting means 16, and counting/conversion means 19 are shared. However, the structure is not limited to this, and the phase shift means 172, the reference counting means 16, and the counting/converting means 19 may be provided corresponding to each group of multiplier means.
図4を参照して具体的に説明する。同図は、図3の端数計数手段17(第1信号発生手段13に接続する逓倍手段群)を抜き出して示す回路ブロック図である。 This will be explained in detail with reference to FIG. 4. This figure is a circuit block diagram showing an extracted fraction counting means 17 (a group of multiplier means connected to the first signal generating means 13) of FIG. 3.
位相シフト手段172Aは、逓倍手段171Aが生成する逓倍サンプリングクロックMCLKを、基準クロック(サンプリングクロックMain CLK)の或る1周期の立ち上がりのタイミング(以下、基準タイミング)と同位相(位相0°)に維持し、逓倍サンプリングクロックMCLK1を発生(生成、出力)させる。 The phase shift means 172A shifts the multiplied sampling clock MCLK generated by the multiplication means 171A to the same phase (phase 0°) as the rising timing (hereinafter referred to as reference timing) of one cycle of the reference clock (sampling clock Main CLK). and generates (generates, outputs) the multiplied sampling clock MCLK1.
位相シフト手段172Cは、逓倍手段171Cが生成する逓倍サンプリングクロックMCLKの位相を、上記基準タイミングから45°シフトさせ、逓倍サンプリングクロックMCLK3を発生させる。 The phase shifter 172C shifts the phase of the multiplied sampling clock MCLK generated by the multiplier 171C by 45 degrees from the reference timing to generate the multiplied sampling clock MCLK3.
位相シフト手段172Eは、逓倍手段171Eが生成する逓倍サンプリングクロックMCLKの位相を、基準タイミングから90°シフトさせ、逓倍サンプリングクロックMCLK5を発生させる。 The phase shifter 172E shifts the phase of the multiplied sampling clock MCLK generated by the multiplier 171E by 90 degrees from the reference timing, and generates the multiplied sampling clock MCLK5.
位相シフト手段172Gは、逓倍手段171Gが生成する逓倍サンプリングクロックMCLKの位相を、基準タイミングから135°シフトさせ、逓倍サンプリングクロックMCLK7を発生させる。 The phase shifter 172G shifts the phase of the multiplied sampling clock MCLK generated by the multiplier 171G by 135 degrees from the reference timing, and generates the multiplied sampling clock MCLK7.
位相シフト手段172Bは、逓倍手段171Bが生成する逓倍サンプリングクロックMCLKの位相をシフトする。この例では、位相シフト手段172Bは、反転回路(不図示)により位相シフト手段172Aの出力を180°反転させるものであり、これにより基準タイミングから180°位相がシフトした逓倍サンプリングクロックMCLK2が発生する。 The phase shift means 172B shifts the phase of the multiplied sampling clock MCLK generated by the multiplier 171B. In this example, the phase shift means 172B inverts the output of the phase shift means 172A by 180 degrees using an inversion circuit (not shown), thereby generating a multiplied sampling clock MCLK2 whose phase is shifted by 180 degrees from the reference timing. .
位相シフト手段172Dは、逓倍手段171Dが生成する逓倍サンプリングクロックMCLKの位相をシフトする。この例では、位相シフト手段172Dは、反転回路(不図示)により位相シフト手段172Cの出力を180°反転させるものであり、これにより基準タイミングから225°位相がシフトした逓倍サンプリングクロックMCLK4が発生する。 The phase shift means 172D shifts the phase of the multiplied sampling clock MCLK generated by the multiplier 171D. In this example, the phase shift means 172D inverts the output of the phase shift means 172C by 180 degrees using an inversion circuit (not shown), thereby generating a multiplied sampling clock MCLK4 whose phase is shifted by 225 degrees from the reference timing. .
位相シフト手段172Fは、逓倍手段171Fが生成する逓倍サンプリングクロックMCLKの位相をシフトする。この例では、位相シフト手段172Fは、反転回路(不図示)により位相シフト手段172Eの出力を180°反転させるものであり、これにより基準タイミングから270°位相がシフトした逓倍サンプリングクロックMCLK6が発生する。 The phase shift means 172F shifts the phase of the multiplied sampling clock MCLK generated by the multiplier 171F. In this example, the phase shift means 172F inverts the output of the phase shift means 172E by 180 degrees using an inversion circuit (not shown), thereby generating a multiplied sampling clock MCLK6 whose phase is shifted by 270 degrees from the reference timing. .
位相シフト手段172Hは、逓倍手段171Hが生成する逓倍サンプリングクロックMCLKの位相をシフトする。この例では、位相シフト手段172Hは、反転回路(不図示)により位相シフト手段172Gの出力を180°反転させるものであり、これにより基準タイミングから315°位相がシフトした逓倍サンプリングクロックMCLK8が発生する。 The phase shift means 172H shifts the phase of the multiplied sampling clock MCLK generated by the multiplier 171H. In this example, the phase shift means 172H uses an inversion circuit (not shown) to invert the output of the phase shift means 172G by 180 degrees, thereby generating a multiplied sampling clock MCLK8 whose phase is shifted by 315 degrees from the reference timing. .
このように、一組の逓倍手段171と位相シフト手段172はサンプリング回路170を構成し、端数計数手段17は複数(ここでは8個)のサンプリング回路170A~170Hを有している。 In this way, a set of multiplication means 171 and phase shift means 172 constitute a sampling circuit 170, and fraction counting means 17 has a plurality of (eight here) sampling circuits 170A to 170H.
図5は、サンプリング回路170(例えば、逓倍手段171Aと位相シフト手段172Aからなるサンプリング回路170A)の構成の一例を示す概略ブロック図である。 FIG. 5 is a schematic block diagram showing an example of the configuration of the sampling circuit 170 (for example, a sampling circuit 170A consisting of a multiplier 171A and a phase shifter 172A).
逓倍手段171(例えば、逓倍手段171A)は、受信回路(例えば、フリップフロップ回路)201と、1/m分周器202と、1:mデマルチプレクサ(Demux)203と、を有する。mは上記のとおり逓倍数(逓倍率、ここでは一例としてm=8)である。また位相シフト手段172(例えば、位相シフト手段172A)は、入力信号を逓倍するPLL回路204と、位相調整器15を有する。 The multiplier 171 (for example, the multiplier 171A) includes a receiving circuit (for example, a flip-flop circuit) 201, a 1/m frequency divider 202, and a 1:m demultiplexer (Demux) 203. As described above, m is a multiplication number (multiplying rate; here, as an example, m=8). Further, the phase shift means 172 (for example, the phase shift means 172A) includes a PLL circuit 204 that multiplies the input signal and a phase adjuster 15.
位相シフト手段172では、外部クロックCLK(ここでは例えば50MHzの水晶発振器のクロック)の入力を受けて、これをPLL経路204において例えば20倍に逓倍し、1GHzのクロックRCLKを発生させる。また位相調整器205は、クロックRCLKの位相を、基準タイミングから360°/n(ここではn=8)ずつシフト(遅延)させた逓倍サンプリングクロックMCLKを生成し、逓倍手段171の受信回路201に出力する。 The phase shift means 172 receives an input of an external clock CLK (here, for example, a 50 MHz crystal oscillator clock) and multiplies it by a factor of 20, for example, in the PLL path 204 to generate a 1 GHz clock RCLK. Further, the phase adjuster 205 generates a multiplication sampling clock MCLK by shifting (delaying) the phase of the clock RCLK by 360°/n (in this case, n=8) from the reference timing, and transmits the multiplication sampling clock MCLK to the reception circuit 201 of the multiplier 171. Output.
ここで、位相シフト手段172Aは、基準タイミングからの位相のシフト量を0°とし、他の位相シフト手段172B~172Hは、基準タイミングから45°(=360°/8)ずつシフトさせる。 Here, the phase shift means 172A sets the phase shift amount from the reference timing to 0°, and the other phase shift means 172B to 172H shift the phase by 45° (=360°/8) from the reference timing.
逓倍手段171の受信回路201は、比較器(比較器Aまたは比較器B)からの入力データDin(第1信号または第2信号に基づく端数時間間隔TFに対応するデータ)を受信し、1GHzの逓倍サンプリングクロックMCLKに同期させて1ビットずつ、逓倍率(ここでは8)に応じたビット数(ここでは8ビット)のシリアルデータ信号をDemux203に送信する。つまり、この場合、入力データDinは1GHzの周期でサンプリングされる。 The receiving circuit 201 of the multiplier 171 receives input data Din (data corresponding to the fractional time interval TF based on the first signal or the second signal) from the comparator (comparator A or comparator B), and A serial data signal having the number of bits (here, 8 bits) corresponding to the multiplication rate (here, 8) is transmitted bit by bit to the Demux 203 in synchronization with the multiplication sampling clock MCLK. That is, in this case, the input data Din is sampled at a cycle of 1 GHz.
1/n(以下、1/8)分周器202は、位相調整器205が生成した逓倍サンプリングクロックMCLK(1GHz)を逓倍率の逆数(1/8)で分周して分周クロック(125MHz)を生成する。またこの周波数(125MHz)が内部クロック(サンプリングクロックMain CLK)となる。 The 1/n (hereinafter referred to as 1/8) frequency divider 202 divides the multiplied sampling clock MCLK (1 GHz) generated by the phase adjuster 205 by the reciprocal of the multiplication rate (1/8) to generate a divided clock (125 MHz). ) is generated. Moreover, this frequency (125 MHz) becomes an internal clock (sampling clock Main CLK).
Demux203では、受信回路201が出力したシリアルデータ信号および、分周クロック(125MHz)に基づいて、シリアルデータ信号を8ビットのパラレルデータ信号に変換し、分周クロックに同期して8ビットのパラレルデータ信号Doutとして出力する。つまりDemux203からの出力は、Dinの1入力に対して逓倍(8倍)のデータ数となる。 The Demux 203 converts the serial data signal into an 8-bit parallel data signal based on the serial data signal output by the receiving circuit 201 and the frequency-divided clock (125MHz), and converts the serial data signal into an 8-bit parallel data signal in synchronization with the frequency-divided clock. It is output as a signal Dout. In other words, the output from the Demux 203 has the number of data multiplied (eight times) for one input of Din.
それぞれのサンプリング回路170において、位相調整器205によって位相がシフトした逓倍サンプリングクロックMCLK、Demux203の出力であるパラレルデータ信号Dout、1/8分周された125MHzの分周クロック(サンプリングクロックMain CLK)のいずれも、1GHzのクロックRCLKから生成されたものであり、いずれも同じ位相となる。 In each sampling circuit 170, the multiplied sampling clock MCLK whose phase is shifted by the phase adjuster 205, the parallel data signal Dout which is the output of the Demux 203, and the 125 MHz frequency divided clock (sampling clock Main CLK) whose frequency is divided by 1/8 are input. Both are generated from the 1 GHz clock RCLK and have the same phase.
また、それぞれのサンプリング回路170(170A~170H)において、位相調整器205による位相シフト量(位相変化率)は360°/nであり、この場合のnは、受信回路201への入力数である。位相調整器205は、この入力数またはこの入力数/2(反転回路を使用する場合)に相当する数が必要である。 Further, in each sampling circuit 170 (170A to 170H), the phase shift amount (phase change rate) by the phase adjuster 205 is 360°/n, and n in this case is the number of inputs to the receiving circuit 201. . The number of phase adjusters 205 required is equivalent to this number of inputs or this number of inputs/2 (if an inverting circuit is used).
このような構成により、本実施形態の端数計数手段17では、以下の式1で示されるサンプリング数(分解能)が得られる。 With such a configuration, the fraction counting means 17 of this embodiment can obtain the sampling number (resolution) expressed by the following equation 1.
サンプリング数(分解能)=
基準クロック(サンプリングクロックMain CLK)の逆数/(逓倍手段171の数(入力数)×逓倍数) (式1)
Number of sampling (resolution) =
Reciprocal of reference clock (sampling clock Main CLK)/(number of multipliers 171 (number of inputs) x multiplication number) (Formula 1)
具体的に、本実施形態の例では、分解能=(1/125MHz)/(8×8)=125psである。 Specifically, in the example of this embodiment, resolution=(1/125 MHz)/(8×8)=125 ps.
この結果、図6に示すように、端数計数手段17においては、サンプリングクロックMain CLK(125MHz、分解能1周期8ns)を疑似的に(見かけ上)64逓倍した(1GHz、分解能1周期125ps)の逓倍サンプリングクロックMCLK1~MCLK8によって入力される端数時間間隔TF(第1信号および第2信号に基づく信号)を測定でき、高分解能のサンプリングが可能となる。 As a result, as shown in FIG. 6, the fraction counting means 17 artificially (apparently) multiplies the sampling clock Main CLK (125 MHz, resolution 1 cycle 8 ns) by 64 (1 GHz, resolution 1 cycle 125 ps). Fractional time intervals TF (signals based on the first signal and second signal) inputted by the sampling clocks MCLK1 to MCLK8 can be measured, and high-resolution sampling becomes possible.
つまり、図2に示した第1信号の発生に基づく端数時間間隔TF1(に相当するクロック数)は、この逓倍サンプリングクロックMCLK1~MCLK8により計数され、第2信号の発生に基づく端数時間間隔TF2(に相当するクロック数)は、同様に端数計数手段17の逓倍サンプリングクロックMCLK1~MCLK8により計数される。 In other words, the fractional time interval TF1 (the number of clocks corresponding to) based on the generation of the first signal shown in FIG. The number of clocks corresponding to 1) is similarly counted by the multiplied sampling clocks MCLK1 to MCLK8 of the fraction counting means 17.
計数・変換手段19では、主時間間隔TMに相当するクロック数と、端数時間間隔TF1,TF2に相当するクロック数を演算して時間間隔Tを算出する。この例では、時間間隔T=主時間間隔TM+端数時間間隔TF1-端数時間間隔TF2である(図2参照)。また計数・変換手段19は、算出した時間間隔Tをデジタル変換して出力する。 The counting/conversion means 19 calculates the time interval T by calculating the number of clocks corresponding to the main time interval TM and the number of clocks corresponding to the fractional time intervals TF1 and TF2. In this example, time interval T=main time interval TM+fractional time interval TF1-fractional time interval TF2 (see FIG. 2). Further, the counting/converting means 19 digitally converts the calculated time interval T and outputs it.
なお、詳細な図示は省略しているが、例えば、位相をシフトさせてサンプリングされたデータ(位相45°~315°の逓倍サンプリングクロックMCLK1~MCLK8で取得されたデータ)は例えば、計数・変換手段19においてサンプリングクロックMain CLK(125MHz)に基づき全て同位相(位相0°)に整えられ(復元され)、整列された(順番の並び替えがなされた)上で演算される。 Although detailed illustrations are omitted, for example, data sampled by shifting the phase (data acquired with multiplied sampling clocks MCLK1 to MCLK8 with phases of 45° to 315°) is processed by, for example, a counting/converting means. In step 19, all the signals are arranged (restored) to have the same phase (phase 0°) based on the sampling clock Main CLK (125 MHz), and are arranged (rearranged in order) before calculation is performed.
このように、本実施形態では、基準クロック(サンプリングクロックMain CLK)をm逓倍(例えば8逓倍)する逓倍サンプリングクロックを発生することが可能な逓倍手段171をn個(この例では8個)設けることにより、例えば、125MHz(1周期8ns)のサンプリングクロックMain CLKを、見かけ64逓倍し、125psの逓倍サンプリングクロックにすることができる。これにより、端数時間間隔TF1,TF2を高分解能で(高精度に)計数することができ、DUTの時間計測を行う半導体検査装置に用いて好適な、時間デジタル変換器10を提供できる。 As described above, in this embodiment, n (eight in this example) multipliers 171 are provided that can generate a multiplier sampling clock that multiplies the reference clock (sampling clock Main CLK) by m (for example, by 8). As a result, for example, the sampling clock Main CLK of 125 MHz (one period of 8 ns) can be multiplied by 64 to obtain a multiplied sampling clock of 125 ps. Thereby, it is possible to count the fractional time intervals TF1 and TF2 with high resolution (high precision), and it is possible to provide a time-to-digital converter 10 suitable for use in a semiconductor inspection device that measures time of a DUT.
また、演算手段20(逓倍手段171、位相シフト手段172、計数・変換手段19など)は、FPGAで構成可能であるので、ASICアナログ回路設計を必要とすることなく、コストを抑えて高分解能(高精度)化が実現可能となる。また、従来、オシロスコープとPC(パソコン)を使用することで、高精度、高分解能の測定は可能であったが、高速処理には限界があった。本実施形態によれば、演算手段20をFPGAで構成可能であるので、高分解能(高精度)化に加えて高速処理も可能となる。 In addition, since the calculation means 20 (multiplication means 171, phase shift means 172, counting/conversion means 19, etc.) can be configured with FPGA, there is no need for ASIC analog circuit design, and high resolution ( high accuracy) can be achieved. Furthermore, conventionally, it has been possible to perform high-precision, high-resolution measurements by using an oscilloscope and a PC (personal computer), but there has been a limit to high-speed processing. According to this embodiment, since the calculation means 20 can be configured with an FPGA, not only high resolution (high precision) but also high-speed processing is possible.
ここで、第1信号発生手段13が接続する逓倍手段群(逓倍手段171A~171H)と第2信号発生手段14が接続する逓倍手段群(171I~171P)の構成は同様であり、それぞれの逓倍手段群において、同位相の逓倍サンプリングクロックMCLKを生成する逓倍手段171に接続する場合にはそれぞれの配線が等長となっている。 Here, the structure of the multiplying means group (multiplier means 171A to 171H) connected to the first signal generating means 13 and the multiplying means group (171I to 171P) connected to the second signal generating means 14 is the same, and each multiplier In the means group, each wiring has the same length when connected to the multiplier means 171 that generates the multiplied sampling clock MCLK of the same phase.
具体的に、第1信号発生手段13は、逓倍手段171A(位相シフト0°)と第1配線WA1により接続し、第2信号発生手段14は、逓倍手段171I(位相シフト0°)と第2配線WA2により接続する。そして第1配線WA1と第2配線WA2は等長である。ここで、本実施形態において配線が「等長」とは、複数の配線(例えば、第1配線WA1と第2配線WA2)が設計上の長さとして等しく、実質的に(略)等しい長さである(設計上の誤差は含む場合があるが意図的に長さを変えていない)ことをいう。 Specifically, the first signal generating means 13 is connected to the multiplying means 171A (phase shift 0°) by the first wiring WA1, and the second signal generating means 14 is connected to the multiplying means 171I (phase shift 0°) and the second Connected by wiring WA2. The first wiring WA1 and the second wiring WA2 have the same length. Here, in this embodiment, the term "equal length" of the wirings means that the plurality of wirings (for example, the first wiring WA1 and the second wiring WA2) have the same design length and are substantially (almost) the same length. (there may be design errors, but the length has not been intentionally changed).
同様に、第1信号発生手段13は、逓倍手段171B(位相シフト180°)と第1配線WB1により接続し、第2信号発生手段14は、逓倍手段171J(位相シフト180°Bと第2配線WB2により接続する。そして第1配線WB1と第2配線WB2は等長である。 Similarly, the first signal generating means 13 is connected to the multiplying means 171B (phase shift 180°) by the first wiring WB1, and the second signal generating means 14 is connected to the multiplying means 171J (phase shift 180°B and the second wiring WB1). The first wiring WB1 and the second wiring WB2 have the same length.
また、第1信号発生手段13は、逓倍手段171C(位相シフト45°)と第1配線WC1により接続し、第2信号発生手段14は、逓倍手段171K(位相シフト45°)Cと第2配線WC2により接続する。そして第1配線WC1と第2配線WC2は等長である。 Further, the first signal generating means 13 is connected to the multiplying means 171C (phase shift 45°) by the first wiring WC1, and the second signal generating means 14 is connected to the multiplying means 171K (phase shift 45°) C and the second wiring WC1. Connect via WC2. The first wiring WC1 and the second wiring WC2 have the same length.
また、第1信号発生手段13は、逓倍手段171D(位相シフト225°)と第1配線WD1により接続し、第2信号発生手段14は、逓倍手段171L(位相シフト225°)と第2配線WD2により接続する。そして第1配線WD1と第2配線WD2は等長である。 Further, the first signal generating means 13 is connected to the multiplying means 171D (phase shift 225°) by the first wiring WD1, and the second signal generating means 14 is connected to the multiplying means 171L (phase shift 225°) and the second wiring WD2. Connect by. The first wiring WD1 and the second wiring WD2 have the same length.
また、第1信号発生手段13は、逓倍手段171E(位相シフト90°)と第1配線WE1により接続し、第2信号発生手段14は、逓倍手段171M(位相シフト90°)と第2配線WE2により接続する。そして第1配線WE1と第2配線WE2は等長である。 Further, the first signal generating means 13 is connected to the multiplying means 171E (phase shift 90°) by the first wiring WE1, and the second signal generating means 14 is connected to the multiplying means 171M (phase shift 90°) and the second wiring WE2. Connect by. The first wiring WE1 and the second wiring WE2 have the same length.
また、第1信号発生手段13は、逓倍手段171F(位相シフト270°)と第1配線WF1により接続し、第2信号発生手段14は、逓倍手段171N(位相シフト270°)Fと第2配線WF2により接続する。そして第1配線WF1と第2配線WF2は等長である。 Further, the first signal generating means 13 is connected to the multiplying means 171F (phase shift 270°) by the first wiring WF1, and the second signal generating means 14 is connected to the multiplying means 171N (phase shift 270°) F and the second wiring WF1. Connect via WF2. The first wiring WF1 and the second wiring WF2 have the same length.
また、第1信号発生手段13は、逓倍手段171G(位相シフト135°)と第1配線WG1により接続し、第2信号発生手段14は、逓倍手段171O(位相シフト135°)と第2配線WG2により接続する。そして第1配線WG1と第2配線WG2は等長である。 Further, the first signal generating means 13 is connected to the multiplying means 171G (phase shift 135°) by the first wiring WG1, and the second signal generating means 14 is connected to the multiplying means 171O (phase shift 135°) and the second wiring WG2. Connect by. The first wiring WG1 and the second wiring WG2 have the same length.
また、第1信号発生手段13は、逓倍手段171H(位相シフト315°)と第1配線WH1により接続し、第2信号発生手段14は、逓倍手段171P(位相シフト315°)と第2配線WH2により接続する。そして第1配線WH1と第2配線WH2は等長である。 Further, the first signal generating means 13 is connected to the multiplying means 171H (phase shift 315°) by the first wiring WH1, and the second signal generating means 14 is connected to the multiplying means 171P (phase shift 315°) and the second wiring WH2. Connect by. The first wiring WH1 and the second wiring WH2 have the same length.
図7および図8は、第1信号発生手段13および第2信号発生手段14から、逓倍手段171までの実際の配線の状態を撮影した画像であり、例えば図7(A)が逓倍手段171A、171I付近の第1配線WA1および第2配線WA2、同図(B)が逓倍手段171B、171J付近の第1配線WB1および第2配線WB2、図8(A)が逓倍手段171C、171K付近の第1配線WC1および第2配線WC2、図(B)が逓倍手段171D、171L付近の第1配線WD1および第2配線WD2を示す画像である。なお、既述のとおり逓倍手段171A~171D、171I~171Lは例えばFPGAに組み込まれている。 7 and 8 are images taken of the actual state of wiring from the first signal generating means 13 and the second signal generating means 14 to the multiplying means 171. For example, FIG. 7(A) shows the multiplying means 171A, 171I, the first wiring WA1 and second wiring WA2 near the multipliers 171I, FIG. 1 wiring WC1 and second wiring WC2, Figure (B) is an image showing the first wiring WD1 and second wiring WD2 near the multipliers 171D and 171L. Note that, as described above, the multipliers 171A to 171D and 171I to 171L are incorporated in, for example, an FPGA.
このようにすることで、測定開始側の端数時間間隔TF1と、測定終了側の端数時間間隔TF2の計数に際し、同位相となる逓倍サンプリングクロックの生成手段(逓倍手段171までの配線長が等しくなる。つまり、第1信号発生手段13が出力する第1信号と、第2信号発生手段14が出力する第2信号とを契機とする時間測定に際し、配線長の違いによる信号遅延を回避できる。 By doing this, when counting the fractional time interval TF1 on the measurement start side and the fractional time interval TF2 on the measurement end side, the wiring lengths to the multiplying sampling clock generation means (multiplying means 171) having the same phase are made equal. That is, when measuring time triggered by the first signal outputted by the first signal generation means 13 and the second signal outputted from the second signal generation means 14, it is possible to avoid signal delays due to differences in wiring length.
本実施形態ではサンプリングクロックMain CLKを見かけ上64逓倍にすることで、1周期125psのサンプリングが可能である。一方で、測定対象の時間間隔Tは、第1信号を契機とするタイミングと第2信号を契機とするタイミングの間の時間であり(2つの信号を用いるため)、第1信号および/または第2信号の入力の遅延は、ピコ秒オーダーの測定において致命的な問題となる。 In this embodiment, by apparently multiplying the sampling clock Main CLK by 64, sampling at one period of 125 ps is possible. On the other hand, the time interval T to be measured is the time between the timing triggered by the first signal and the timing triggered by the second signal (because two signals are used). The input delay of two signals becomes a fatal problem in measurements on the order of picoseconds.
具体的に、例えば、第1配線WA1と第2配線WA2の配線長が異なると、逓倍手段171Aに入力される第1信号および/または第2信号に、意図しないタイミングのずれが生じる(極端な例では、第1信号と第2信号の到達のタイミングが逆転するなど)、正確な時間測定が不可となる。 Specifically, for example, if the wiring lengths of the first wiring WA1 and the second wiring WA2 are different, an unintended timing shift occurs in the first signal and/or the second signal input to the multiplier 171A (extreme In this example, the arrival timings of the first signal and the second signal are reversed, etc.), making accurate time measurement impossible.
本実施形態では、同位相の逓倍サンプルクロックを発生する逓倍手段群(171A~171H,171I~171P)に対し、第1信号と第2信号が同じ配線長で入力されるため、ハードウェア的にも誤差なく、時間の絶対的な精度を保証することができる。より詳細には、等長配線することで、基準クロックの1周期以下の長さの時間測定が可能となり、時間遅延(時間測定)の誤差を最小分解能以下に抑えることができる。具体的には、基準クロック周波数や逓倍数により変化するが、本実施形態では等長配線することにより、測定誤差を最小分解能である125ps以下(1周期8nsの場合)に抑えることができる。 In this embodiment, since the first signal and the second signal are inputted with the same wiring length to the multiplier group (171A to 171H, 171I to 171P) that generates multiplied sample clocks of the same phase, the hardware It can also guarantee absolute accuracy of time without any errors. More specifically, by arranging wires of equal length, it is possible to measure time with a length of one cycle or less of the reference clock, and it is possible to suppress errors in time delay (time measurement) to below the minimum resolution. Specifically, it changes depending on the reference clock frequency and the multiplier, but in this embodiment, by arranging the wires of equal length, the measurement error can be suppressed to the minimum resolution of 125 ps or less (in the case of one period of 8 ns).
また、位相シフト手段172、計数・変換手段19は、第1信号発生手段13と第2信号発生手段14で共用(同一手段(回路)を使用)するため、装置の小型化、低コスト化に寄与でき、回路の性能ばらつきも回避し、高精度の測定が可能となる。 In addition, since the phase shift means 172 and the counting/conversion means 19 are shared by the first signal generation means 13 and the second signal generation means 14 (the same means (circuit) is used), the device can be made smaller and lower in cost. This makes it possible to avoid variations in circuit performance and to perform highly accurate measurements.
以上、本実施形態の時間デジタル変換器10について説明したが、信号発生手段は、単数であってもよい。すなわち1つの信号発生手段の信号(第1信号)の立ち上がりと立下りのタイミングを契機として、両タイミング間の時間を計測するものであってもよい。また、信号発生手段の数は、3以上(例えば、4)であってもよい。 Although the time-to-digital converter 10 of this embodiment has been described above, the number of signal generating means may be singular. That is, the timing of the rise and fall of a signal (first signal) of one signal generating means may be used as an opportunity to measure the time between the two timings. Further, the number of signal generating means may be three or more (for example, four).
また、上記の実施形態では入力波形が1つである場合を例示したが、入力波形は複数であってもよい。例えば、第1信号は入力波形aのあるタイミング(例えば、入力電圧aの50%になる第1時点t1など)を特定する信号であり、第2信号は入力波形bのあるタイミング(例えば、入力電圧bの50%になる第2時点t2など)を特定する信号であり、第1時点t1と第2時点t2の間の時間間隔Tを測定するものであってもよい。 Furthermore, in the above embodiment, the case where the number of input waveforms is one is illustrated, but there may be a plurality of input waveforms. For example, the first signal is a signal that specifies a certain timing of the input waveform a (for example, the first time t1 at which the input voltage a becomes 50%, etc.), and the second signal is a signal that specifies a certain timing of the input waveform b (for example, the first time point t1 when the input voltage a becomes 50%). The second time point t2 at which the voltage b becomes 50%, etc.) may be a signal that specifies the time interval T between the first time point t1 and the second time point t2.
また、第1信号および/または第2信号は、立ち上がりを契機とするものであってもよいし、立下りを契機とするものであってもよい。このように、本実施形態は時間の測定方法に依らず、適用可能である。 Further, the first signal and/or the second signal may be triggered by a rising edge or may be triggered by a falling edge. In this way, this embodiment is applicable regardless of the time measurement method.
また、上記の例では第1信号発生手段13と第2信号発生手段14が接続する位相シフト手段172および計数・変換手段19などは供用される構成を示したが、位相シフト手段172は、第1信号発生手段13と第2信号発生手段14のそれぞれに設けられてもよい。 Further, in the above example, the phase shift means 172 and the counting/conversion means 19 connected to the first signal generation means 13 and the second signal generation means 14 are used, but the phase shift means 172 is It may be provided in each of the first signal generating means 13 and the second signal generating means 14.
また、上記の実施形態では、計数手段15は、基準計数手段16と端数計数手段17を有し、基準計数手段16で計数された主時間間隔TMの過不足分として、端数計数手段17によって端数時間間隔TFを計数する構成を例示した。しかしこれに限らず、計測すべき時間間隔Tの全ての期間中の計数を端数計数手段17によって行う(全期間において高分解能の計数を行う)構成であってもよい。その場合、端数計数手段17による高感度(高分解能)測定による、第1信号発生手段13(第2信号発生手段14も同様)の第1参照電圧Vref1付近におけるノイズによる誤動作を防止するため、第1信号発生手段13の感度を調整すると望ましい。一方、上記実施形態のように、計数手段15として、基準計数手段16と端数計数手段17を併用することにより、FPGAの容量の節約が可能となる。 In the above embodiment, the counting means 15 has a reference counting means 16 and a fraction counting means 17, and the fraction counting means 17 calculates a fraction as an excess or deficiency of the main time interval TM counted by the reference counting means 16. The configuration for counting the time interval TF is illustrated. However, the present invention is not limited to this, and may be configured such that the fraction counting means 17 performs counting during all periods of the time interval T to be measured (high-resolution counting is performed during all periods). In that case, in order to prevent malfunction due to noise in the vicinity of the first reference voltage Vref1 of the first signal generating means 13 (the same applies to the second signal generating means 14) due to high sensitivity (high resolution) measurement by the fraction counting means 17, It is desirable to adjust the sensitivity of the signal generating means 13. On the other hand, as in the above embodiment, by using the reference counting means 16 and the fractional counting means 17 together as the counting means 15, it is possible to save the capacity of the FPGA.
また、例えば入力電圧が0%から上昇する或るタイミング(例えば50%になるタイミング)と100%から下降する或るタイミング(例えば50%になるタイミング)間の周波数をカウントする(周波数カウンタとして使用する)ものであってもよい。 Also, for example, the frequency between a certain timing when the input voltage rises from 0% (for example, the timing when it becomes 50%) and a certain timing when it falls from 100% (for example, when it becomes 50%) is counted (used as a frequency counter). It may be something that does
また、上記実施形態では、第1信号発生手段13に接続する逓倍手段群(逓倍手段171A~171H)と、第2信号発生手段14に接続する逓倍手段群(逓倍手段171I~171P)が異なる逓倍手段群である場合を例示したが、これらは一つの逓倍手段群を共用してもよい。 Further, in the above embodiment, the multiplier group (multipliers 171A to 171H) connected to the first signal generating means 13 and the multiplier group (multipliers 171I to 171P) connected to the second signal generating means 14 have different multipliers. Although the case where they are a group of means has been exemplified, they may share one multiplier group.
尚、本発明の時間デジタル変換器10は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 It should be noted that the time-to-digital converter 10 of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various changes may be made without departing from the gist of the present invention.
本発明の時間デジタル変換器は、例えば、半導体検査装置の分野で利用できる。 The time-to-digital converter of the present invention can be used, for example, in the field of semiconductor inspection equipment.
10 時間デジタル変換器
11 減衰器
12 フィルター回路
13 第1信号発生手段
14 第2信号発生手段
15 計数手段
16 基準計数手段
17 端数計数手段
19 演算手段
171、171A~171H 逓倍手段
172、172A~172H 位相シフト手段
TF、TF1,TF2 端数時間間隔
TM 主時間間隔
10 Time digital converter 11 Attenuator 12 Filter circuit 13 First signal generating means 14 Second signal generating means 15 Counting means 16 Reference counting means 17 Fractional counting means 19 Arithmetic means 171, 171A to 171H Multiplier means 172, 172A to 172H Phase Shift means TF, TF1, TF2 Fractional time interval TM Main time interval
Claims (7)
基準クロックの周期の整数倍として前記時間間隔に対する主時間間隔を計数する基準計数手段と、
前記時間間隔に対する前記主時間間隔の過不足分として端数時間間隔を計数する端数計数手段と、
前記第1時点の契機となる第1信号を発生させる第1信号発生手段と、
前記第2時点の契機となる第2信号を発生させる第2信号発生手段と、
を備え、
前記端数計数手段は、
前記第1信号発生手段および前記第2信号発生手段と接続する逓倍手段群と、
位相シフト手段と、を有し、
前記逓倍手段群は、前記端数時間間隔に対応する信号を前記基準クロックのm逓倍(mは2以上の整数)でサンプリングするための信号を生成するn個(nは2以上の整数)の逓倍手段からなり、
前記位相シフト手段は、前記n個の逓倍手段が生成した前記信号のそれぞれの位相を360°/nずつシフトさせるものである、
ことを特徴とする時間デジタル変換器。 A time-to-digital converter that measures a time interval between a first time point and a second time point in an input waveform, the time-to-digital converter comprising:
reference counting means for counting the main time interval relative to the time interval as an integer multiple of the period of the reference clock;
Fractional counting means for counting fractional time intervals as an excess or deficiency of the main time interval with respect to the time interval;
a first signal generating means for generating a first signal that triggers the first point in time;
a second signal generating means for generating a second signal that triggers the second point in time;
Equipped with
The fraction counting means includes:
a group of multiplying means connected to the first signal generating means and the second signal generating means;
and a phase shift means;
The multiplier group includes n multipliers (n is an integer of 2 or more) that generates a signal for sampling the signal corresponding to the fractional time interval by m multiplication of the reference clock (m is an integer of 2 or more). Consists of means;
The phase shift means shifts the phase of each of the signals generated by the n multiplication means by 360°/n,
A time-to-digital converter characterized by:
ことを特徴とする請求項1に記載の時間デジタル変換器。 A plurality of the phase shift means are provided corresponding to the n multiplication means, and at least one of the phase shift means includes an inversion circuit and is shared by at least two multiplication means.
The time-to-digital converter according to claim 1, characterized in that:
ことを特徴とする請求項2に記載の時間デジタル変換器。 The number of the phase shift means is n/2,
3. The time-to-digital converter according to claim 2.
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の時間デジタル変換器。 each of the first signal generating means and the second signal generating means is a comparator;
The time-to-digital converter according to any one of claims 1 to 3, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の時間デジタル変換器。 The input waveform is a voltage waveform output by the device under test,
The time-to-digital converter according to any one of claims 1 to 4, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の時間デジタル変換器。 The m is 8,
The time-to-digital converter according to any one of claims 1 to 5, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の時間デジタル変換器。 the n is 8;
The time-to-digital converter according to any one of claims 1 to 6, characterized in that:
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