넓은 측정범위, 높은 해상도 스위칭 가능한 오실레이터를 이용한 시간차 디지털 변환기에 대한 연구

Abstract

TDC(Time to Digital Converter)는 원자력 또는 핵 응용분야에 사용되는 X-선, 중성자등의 고속의 신호가 검출기 센서에 입력 시 신호의 에너지 및 위치 정보를 알면 물질의 성분이나 거리 정보를 판단할 수 있다[1]. 그중에서 고속의 전자, 양성자등의 TOF[Time-of-Flight]를 구하기 위해서는 TDC을 기반으로 미세시간을 측정하여야 한다. TDC기술은 수십ps 단위로 아주 정밀한 시간간격을 측정하는 기술로써, 입력된 두 신호의 시간 차이가 디지털로 변환되어 출력 된다[2]. 본 연구에서는 해상도와 동작범위를 동시에 개선하는데 크게 중점을 두었으며 차동 인버터 4개를 이용하여 ring-oscillator를 설계하였고, 이 ring-oscillator를 기반으로 하는 TDC를 제안한다. 설계한 TDC의 동작 특성상 Counter의 bit수를 늘리면 측정범위의 확장도 가능하다. 측정 가능범위는 0∼50ns까지 가능하며, 해상도 1.5ps단위로 측정하는 TDC 회로이다. 그리고 설계된 TDC의 동작조건을 바꾸어 고밀도의 해상도가 가능하여 0.75ps 단위로 측정하는 TDC를 설계 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 비트(bit)를 칩 면적만큼 회로를 늘릴 수 있다는 장점을 이용하여 더 넓은 range를 가진 TDC를 설계가능하기 때문에 다양한 응용분야에서 활용할 수 있다.