In this thesis, non-linear effects due to delay variation of delay-line-based time-to-digital converters (TDCs) are analyzed, and linearity enhancement technique in time domain is proposed. In delay-line-based TDC, digital error correction scheme enhance linearity because delay variation appears as comparator offset to time residual curve. Ring delay line is proposed as additional linearity enhancement technique. Additionally, wide dynamic range, high resolution, and low power consumption time-to-digital converter is presented. The proposed TDC takes advantages of ring architecture, two-step structure, and energy-efficient ADC. The TDC achieve the widest dynamic range compared with published wide dynamic range TDCs. A prototype TDC designed in 65nm CMOS process achieves 70.1ns dynamic range, 1.07ps resolution while consuming 3.12mW at 6MS/s sampling rate in post simulation. The figure of merit of post simulation is 123.5fJ/conversion-step. Although the proposed TDC achieves wide dynamic range and high resolution, coarse ring TDC only operated due to error in the fine TDC. Due to the problem, the performances of coarse TDC only are measured. The measured dynamic range and estimated resolution is 64.6ns and 1.04ps respec-tively. The future ring TDC which is revised the circuit problem is expected as the widest dynamic range and highest resolution TDC compared with recent published wide dynamic range TDCs.
본 학위논문에서는 지연선 기반 시간-디지털 변환기에서 지연 시간 변화로 인한 비선형성을 분석하였으며 시간 도메인에서 선형성을 향상시키는 방식을 제안하였다. 지연선 기반 시간-디지털 변환기에서는 지연 시간 변화가 잔류 시간 곡선에서 비교기의 오프셋으로 나타나기 때문에 디지털 오류 보정 기술이 선형성을 향상시킨다. 링 지연선이 추가적인 선형 성 향상 기술로 제안되었다. 추가적으로 넓은 입력 범위와 높은 해상도, 적은 전력 서모를 가지는 시간-디지털 변환기가 제시되었다. 제안된 시간-디지털 변환기는 링 구조, 2단 구조와 에너지 효율이 좋은 아날로그-디지털 변환기의 장점을 가졌다. 이 시간-디지털 변환기는 발표된 넓은 입력 범위를 갖는 시간-디지털 변환기들과 비교하였을 때 가장 넓은 입력 범위를 가진다. 제안된 시간-디지털 변환기는 65nm CMOS 공정으로 디자인되었고, 포스트 시뮬레이션에서 70.1ns의 입력 범위, 1.07ps의 해상도를 가지며 6MS/s에서 3.12mW의 power 소모를 가진다. 포스트 시뮬레이션에서 성능지수는 123.5fJ/conversion-step이다. 제안된 시간-디지털 변환기가 넓은 입력 범위와 높은 해상도를 얻었으나fine 시간-디지털 변환기의 오류로 인해 coarse 시간-디지털 변환기만 동작하였다. 이 문제로 인하여 coarse 시간-디지털 변환기의 성능만 측정되었다. 측정된 입력 범위와 도출된 해상도는 각각 64.6ns와 1.04ps 이다. 이후의 회로 문제가 수정된 링 시간-디지털 변환기는 최근 발표된 넓은 입력 범위를 가지는 시간-디지털 변환기들과 비교하였을 때 가장 넓은 입력 범위와 가장 높은 해상도를 가질 것으로 예상된다.
