ADC 기반 TDC 비선형성 보정을 위한 기울기 보정 기법
Slope Calibration Method for Nonlinearity Correction in ADC-Assisted TDCs
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초록
본 논문에서는 아날로그-디지털 변환기(ADC) 기반 시간-디지털 변환기(TDC) 구조에서 발생하는 비선형성을 개선하기 위한 기울기 보정 기법을 제안한다. 다중 위상을 갖는 링 오실레이터와 두 개의 ADC를 이용하는 기존 ADC 기반 TDC는 넓은 변환 범위와높은 해상도를 제공하지만, 다중 위상 간격의 불균일성과 ADC 입력 전압의 감소로 인해 TDC 코드에서 불연속성과 기울기 변화가발생한다. 이는 전체 TDC 전달 특성의 선형성을 저하시킨다. 본 연구에서는 보정 단계에서 각 구간의 최소 및 최대 TDC 코드를수집한 뒤, 이를 기반으로 이상적인 구간 경계와 기울기를 재정의하여 실제 코드의 기울기와 기준점을 보정하는 방법을 제안한다. 제안된 기법은 구간별 통계값을 이용해 두 개의 보정 계수를 계산하며, 보정 이후에는 단순한 산술 연산만으로 실시간 선형화를 수행할 수 있다. Post-layout 시뮬레이션 결과, 본 기법은 구간 경계의 코드 불연속성을 효과적으로 제거하고 차동 비선형성(DNL)특성을 크게 향상시킴을 확인하였다. 또한 외부 참조 신호가 필요하지 않아 다양한 TDC 응용 분야에서 범용적으로 적용 가능한 보정 기법이라는 장점이 있다.
Abstract
This paper proposes a slope-calibration technique to improve the linearity of an analog-to-digital converter(ADC)-assisted time-to-digital converter (TDC). Although ADC-assisted TDCs achieve both a wide conversion rangeand fine resolution through coarse counting, zone detection, and ADC-based interpolation, non-uniform phasespacing and a reduced input swing to the ADC introduce code discontinuities and slope errors. These issuesdegrade the overall transfer linearity of the TDC and adversely affect measurement accuracy. The proposedmethod extracts the minimum and maximum TDC codes for each zone during the calibration phase and reconstructsthe ideal boundaries and slope of each interval. Using these statistics, two calibration coefficients are computedfor every zone, enabling real-time linearization using only simple arithmetic operations. Post-layout simulationresults demonstrate that the proposed technique effectively removes discontinuities and significantly improves theDNL performance. Since the method requires no external reference signals and relies solely on TDC output data,it offers high applicability and efficiency for a wide range of ADC-assisted TDC systems.