TDC

Un convertidor de tiempo a digital (TDC) es un circuito integrado o módulo que mide el intervalo de tiempo entre dos pulsos eléctricos y emite ese intervalo como un valor digital. La entrada suele ser una señal de INICIO y una señal de PARADA, separadas por nanosegundos o picosegundos. La salida es un número binario que representa ese retardo. En sistemas de energía, detectores y experimentos de física de alta energía, los TDC reemplazan a los osciloscopios analógicos y a los circuitos de línea de retardo para capturar datos de temporización en tiempo real y a alta velocidad.

El núcleo de la mayoría de los TDC es una línea de retardo con tomas: una cadena de puertas lógicas o inversores, cada uno introduciendo un retardo de propagación fijo de 50 a 200 picosegundos. Cuando llega el pulso de INICIO, comienza a propagarse por la línea. Cuando llega el pulso de PARADA, un codificador de instantáneas registra a qué toma ha llegado el pulso. Ese número de toma se convierte en la medición del tiempo. Los TDC modernos pueden usar múltiples líneas de retardo paralelas, interpolación entre tomas o codificación de retardo sub-puerta para mejorar la resolución por debajo del retardo de puerta inherente.

Resolución, precisión y el problema de la tasa de conteo

La resolución suele ser de 10 a 100 picosegundos por conteo, dependiendo del paso de la línea de retardo y del método de interpolación. La precisión depende de la estabilidad de la temperatura, la regulación del voltaje de suministro y la variación del proceso en el silicio. Los TDC sufren un tiempo muerto después de cada medición: la línea de retardo debe reiniciarse antes de poder medir de nuevo. Las aplicaciones de alta tasa de conteo pueden requerir múltiples canales TDC en paralelo o un circuito de reinicio muy rápido. En detectores de radiación y espectrometría de masas de tiempo de vuelo, un tiempo muerto de unos pocos microsegundos puede introducir un sesgo sustancial en los datos.

Los TDC se encuentran en la temporización de rayos gamma, LiDAR, instrumentación nuclear y medición de distancia por ultrasonidos. Aparecen como ASICs (circuitos integrados de aplicación específica) independientes, como bloques incrustados en FPGAs o como módulos compactos con etapas de entrada analógicas. La convención de nombres refleja la función: conversión digital de un intervalo de tiempo. El enfoque analógico alternativo, que utiliza una rampa de voltaje y un ADC, es más lento y menos preciso en intervalos cortos; el TDC intercambia la arquitectura por velocidad y resolución en el régimen de picosegundos a nanosegundos.

La calibración de un TDC es esencial antes de su uso. El retardo por toma varía con la temperatura, por lo que los sistemas a menudo incluyen circuitos de calibración en el chip o requieren pulsos de referencia externos periódicos. La no linealidad a lo largo de la línea de retardo, los códigos faltantes en ciertos valores de salida y la no linealidad integral del 1 al 5 por ciento son comunes. Al seleccionar o diseñar con un TDC, consulte las hojas de datos para conocer la no linealidad diferencial, la no linealidad integral y el coeficiente de temperatura para asegurarse de que la incertidumbre de la medición sea aceptable para la aplicación.