Time-domain high speed ADC circuits

This thesis delivers the design, simulation, and performance analysis of two high-resolution Time-to-Digital Converters (TDCs), both achieved by means of the Vernier Delay Line (VDL) principle and in 100 nm CMOS technology. Two different architectural strategies designed for diverse signal control and edge detection needs are presented, targeting sub-nanosecond time resolution and GHz-range applications compatibility. The first architecture uses two voltage-to-time converters (VTCs) for generating accurate START and STOP signals from the ramp nature of the inputs. These are processed by a Vernier Delay Line with overlapped buffers and overlap-sensitive 5-transistor TSPC flip-flops, spotting the accurate coincidence point of signals. This resultant thermometer code is then encoded by a MUXbased Gray code encoder and a resistor-ladder digital-to-analog converter (DAC) in order to reconstruct the analog signal. This combination is set up for fine timing resolution and high precision. The design in the second option simplifies the signal generation block by employing a single VTC together with a periodic pulse (Vpulse) generator for producing the START and STOP signals. In this design, edge-triggered flipflops are incorporated in the delay line for detecting rising edges, allowing for improved and more consistent timing in high-frequency applications. The output is encoded by way of a binary encoder with a tree structure and then passed into the same DAC employed in the first design. This system is designed for highspeed operation and simplicity of architecture. Both designs were simulated in the Cadence Virtuoso environment and examined in MATLAB with respect to critical performance characteristics like resolution, differential non-linearity (DNL), conversion time, and power consumption. They both prove to yield consistent, CMOS-compatible solutions for accurate time interval quantization in applications up to the GHz level, with flexibility for applications with diverse signal control schemes.

Bu tez, 100 nm CMOS teknolojisi kullanılarak gerçekleştirilmiş iki yüksek çözünürlüklü zaman-sayısal dönüştürücünün tasarımını, benzetimini ve performans analizini sunmaktadır. Farklı sinyal kontrolü ve kenar algılama ihtiyaçlarına yönelik olarak geliştirilen iki ayrı mimari strateji, nanosaniyenin altı zaman çözünürlüğü elde etmeyi ve GHz seviyesindeki uygulamalarla uyumluluğu hedeflemektedir. İlk mimaride, girişlerden elde edilen eğimli sinyallerle doğru zamanlama sağlayan iki adet gerilimden-zamana dönüştürücü kullanılmıştır. Bu sinyaller, üst üste binmiş tamponlardan ve eşzamanlılık algılayabilen beş transistörlü TSPC mantığına sahip flip-flop’lardan oluşan bir gecikme hattı aracılığıyla işlenmiştir. Zaman farkının yakalandığı bu yapıdan elde edilen termometre kodu, çoklayıcı tabanlı Gray kodlayıcı ile sayısal formata dönüştürülmüş ve direnç-merdivenli bir sayısal-analog dönüştürücü aracılığıyla tekrar analog sinyale çevrilmiştir. Bu yapı, yüksek hassasiyet ve ince zaman çözünürlüğü sağlamak amacıyla tasarlanmıştır. İkinci mimaride ise sinyal üretim bloğu sadeleştirilmiş; yalnızca tek bir gerilimden-zamana dönüştürücü ve periyodik darbeler üreten bir sinyal kaynağı kullanılarak girişler oluşturulmuştur. Bu tasarımda, sadece yükselen kenarları algılayan flip-flop’lar kullanılarak daha temiz ve tutarlı zamanlama elde edilmiştir. Çıktılar, ağaç yapılı ikili bir kodlayıcı ile kodlanmış ve ilk tasarımda kullanılan aynı sayısal-analog dönüştürücü üzerinden analog forma dönüştürülmüştür. Sistem, yüksek hızda çalışmaya ve mimari sadeliğe odaklanılarak yapılandırılmıştır. Her iki tasarım da Cadence Virtuoso simülasyon ortamında modellenmiş ve MATLAB kullanılarak çözünürlük, doğrusal olmama, dönüştürme süresi ve güç tüketimi gibi temel performans kriterleri açısından değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgular, her iki mimarinin de CMOS teknolojisine uygun, güvenilir ve kesin zaman aralığı dijitalleştirme çözümleri sunduğunu ve farklı sinyal kontrol yapıları için esnek uygulama olanakları barındırdığını göstermektedir.