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納秒級時(shí)間間隔測量方案
發(fā)布時(shí)間：2022-09-02 瀏覽：14399眾所周知，電信號通過任何電路都會造成時(shí)間上的延遲，只是延遲大小的區(qū)別。在芯片特性的考核中，信號傳輸延遲有時(shí)是大家最為關(guān)注的一點(diǎn)。比如比較器、驅(qū)動器、電平轉(zhuǎn)換器件等，往往我們需要這些器件的傳輸延遲越小越好，我們的IC設(shè)計(jì)師門也在努力地苛刻地“摳”減著延遲時(shí)間。比如坤元微的單通道電平轉(zhuǎn)換器TS8111,大部分工作條件下的延遲時(shí)間10ns以內(nèi)，同時(shí)數(shù)納秒的延遲時(shí)間對自動化測量系統(tǒng)發(fā)起新的挑戰(zhàn)。
當(dāng)兩個(gè)脈沖的上升沿或下降沿的時(shí)間差越小，測量該時(shí)間差所需要的時(shí)鐘頻率就越高，對測試系統(tǒng)的性能要求也越高。比如測量1ns的時(shí)間差時(shí)，時(shí)鐘頻率至少需要提高到1GHz,一般的測試系統(tǒng)無法勝任。
既然電信號通過任何電路都會造成時(shí)間上的延遲，聰明的IC設(shè)計(jì)師們根據(jù)這一點(diǎn)反其道而行之，利用該固有延遲測量未知的延遲。Acam公司的高精度時(shí)間測量芯片TDC-GPx系列利用信號通過邏輯門電路的絕對傳輸時(shí)間提出了一種新的時(shí)間間隔測量方法，測量方法如圖1所示。START和STOP是兩個(gè)待測信號，它們之間的時(shí)間間隔由非門的個(gè)數(shù)決定，而每個(gè)非門的傳輸時(shí)間是固定的，由集成電路工藝精確地確定。
圖1 TDC-GPx測量原理
以TDC-GP22為例，該TDC芯片有兩種測量范圍，其中測量范圍1：
測量范圍：3.5ns to 2.4us
2個(gè)stop通道+1個(gè)start通道，典型分辨率為90ps
1個(gè)stop通道+1個(gè)start通道，典型分辨率為45ps
可選擇每個(gè)通道的上升沿/下降沿觸發(fā)
可以測量任意兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔
測量范圍2：
測量范圍：700ns to 4ms@4MHz
1個(gè)stop通道+1個(gè)start通道，典型分辨率為22ps/45ps/90ps
現(xiàn)采用測量范圍1中的2個(gè)stop通道結(jié)合1個(gè)start通道的測量方式，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換器TS8111的傳輸延遲的測量。TS8111作為兩個(gè)系統(tǒng)之間電平轉(zhuǎn)換的橋梁，典型應(yīng)用如圖2所示。通常我們僅需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)之間電平的轉(zhuǎn)換，不希望有延遲的存在，所以電平轉(zhuǎn)換器件的傳輸延遲越小越好。
圖2 TS8111典型應(yīng)用
TS8111的傳輸延遲的測量電路如圖3所示，傳輸延遲的定義如圖4中tPLH和tPHL所示。因?yàn)閭鬏斞舆t過小，圖3只能用于高帶寬的示波器測量方案中。
圖3 TS8111傳輸延遲測量電路
圖4 Propagation Delay Time
采用TDC的測量方案如圖5所示，測試機(jī)配合單片機(jī)MCU實(shí)現(xiàn)傳輸延遲自動化的測量。因?yàn)?/span>VCCA和VCCB在1V~3.6V間可變，而TDC芯片和MCU的電壓是3.3V，所以DUT與TDC之間加了比較器和電平轉(zhuǎn)換器。對于只需要測量3.3V左右一種電壓下的時(shí)間參數(shù)的情況，DUT和TDC可以直連。
MCU用于控制TDC芯片，計(jì)算時(shí)間參數(shù)的結(jié)果，以及和測試機(jī)通訊。測試機(jī)的CBIT1用于通知MCU是否開始測量；Pulse_Test由MCU在開始測量后發(fā)送一個(gè)起始脈沖信號，作為DUT的輸入信號；Level_Shift的作用是電平轉(zhuǎn)換和提供快邊沿的信號；t_OUT用于MCU將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給測試機(jī)。
圖5 TS8111基于TDC的傳輸延遲測量電路
DUT的輸入和輸出信號各經(jīng)過一路相同的路徑到TDC芯片，作為TDC的兩路STOP信號，而TDC的START信號由MCU在發(fā)送Pulse_Test之前發(fā)送。TDC的測量原理如圖6所示。STOP1和STOP2信號的時(shí)間間隔t2-t1是通過對“t0到t2的時(shí)間長度”和“t0到t1的時(shí)間長度”做差求出的，如公式1所示：
t2-t1 = (t2-t0) – (t1-t0) 式1
圖6 TDC測量機(jī)制
TDC實(shí)際測量的波形如圖7所示，ch1:START ch2:STOP1 ch3:STOP2，測量tPHL時(shí)，捕獲START的下降沿和STOP1 STOP2的下降沿；測量tPLH時(shí)，捕獲START的上升沿和STOP1 STOP2的上升沿；需要滿足待測START邊沿距離待測STOP邊沿的時(shí)間大于3.5ns，同時(shí)小于2.4us；同時(shí)待測邊沿的邊沿時(shí)間要盡量短；
圖7 TDC實(shí)際測量波形
TDC芯片自動測量的結(jié)果正是t2-t1的值，而t2-t1正是DUT的傳輸延遲，這樣就實(shí)現(xiàn)了高精度時(shí)間間隔的自動化測量。
將TDC測量的值和示波器測量值比對驗(yàn)證，數(shù)據(jù)基本吻合。TDC測量的結(jié)果經(jīng)過多次求平均可進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，即使如此依舊縮短了測量時(shí)間，提高了測試效率。