[论文解读] F1 - An Eight Channel Time-to-Digital Converter Chip for High Rate Experiments

Gregory Braun, Horst Fischer+10 more|ArXiv.org|Nov 6, 1999

Advancements in PLL and VCO Technologies参考文献 1被引用 15

一句话总结

本论文介绍了F1八通道时间-数字转换器（TDC）ASIC，专为CERN的COMPASS等高流强实验而设计。该芯片采用19级异步环形振荡器与粗计数器结合，实现亚100 ps时间分辨率且无死区时间，支持50 MHz读出和16位动态范围，可在高流强对撞机与固定靶实验环境中可靠地对每秒高达600万个事例进行数字化处理。

ABSTRACT

A new TDC chip has been developed for the COMPASS experiment at CERN. The resulting ASIC offers an unprecedented degree of flexibility and functionality. Its capability to handle highest hit and trigger input rates as well as its low power consumption makes it an ideal tool for future collider and fixed target experiments. First front-end boards equipped with the F1 chip have been used recently at testbeam experiments at CERN. A functional description and specification for this new TDC chip is presented.

研究动机与目标

• 解决高流强粒子物理实验（如CERN的COMPASS）中对高速、低死区时间时间数字化的需求。
• 克服现有TDC芯片在子100 ps分辨率下无法处理每秒超过600万个事例的局限性。
• 设计一种灵活、低功耗、多模式的TDC ASIC，可在极端数据速率和环境变化条件下稳定运行。
• 在分布式前端电子系统中实现实时、与触发相关的时间测量，具有极低延迟和高数据完整性。
• 支持通过串行和并行接口与可扩展、模块化的数据采集系统集成，且开销最小。

提出的方法

• 采用19个压控延迟单元构成的异步环形振荡器，生成稳定的时间基准，时间分辨率达75–150 ps。
• 将环形振荡器与粗计数器结合，将动态范围扩展至16位（65,536个时间槽），实现长间隔时间的测量。
• 使用锁相环（PLL）稳定振荡器频率，抑制温度和电源电压变化的影响，确保时间分辨率的一致性。
• 集成八个独立的时间测量通道，共享控制逻辑，支持高分辨率（75 ps）、标准（150 ps）和锁存模式（5700 ps）的灵活工作模式。
• 支持双读出模式：8位串行（兼容HOTLink）和24位并行（最高吞吐量），两者均支持最高50 MHz时钟。
• 实现串行配置接口，数据速率达10 MBit/s，采用四倍过采样，并通过起始/停止位实现错误检测，确保配置与DAC控制的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 定制TDC ASIC能否在每秒高达600万个事例的极端事例率下，实现子100 ps时间分辨率且无死区时间？
• RQ2 在高流强实验环境中，时间测量系统如何在温度和电压变化下保持高线性度与稳定性？
• RQ3 哪些设计策略可使TDC在单芯片上支持多种工作模式（高分辨率、标准、锁存），同时最小化面积与功耗？
• RQ4 TDC如何高效地与前端电子系统及DAC集成，以支持模块化、可扩展的数据采集系统？
• RQ5 在高流强对撞机与固定靶实验中，基于TDC的系统最大可实现的数据吞吐量与延迟是多少？

主要发现

• F1 TDC在高分辨率模式下实现75 ps时间分辨率，在标准模式下为150 ps，积分非线性低于一个时间槽。
• 芯片的差分非线性小于0.3 LSB，在温度和电源电压变化下仍保持在一个时间槽以内，表现出优异稳定性。
• 动态范围为16位（65,536个时间槽），在高分辨率模式下最大可测时间间隔约为9.8 µs。
• TDC支持每秒最高600万个事例的输入率，且无数字化死区时间，可在高流强环境中实现连续运行。
• 芯片在高分辨率模式下配备32个事例的缓存，在输出端配备8个样本的输出缓冲，触发延迟可达整个动态范围（通常为9.8 µs）。
• TDC在5 V电压下仅消耗80 mA电流，工作温度范围为-40至+85 °C，支持LVDS、LVPECL或TTL输入，确保在恶劣实验环境中的鲁棒性。