TDC

Un convertisseur temps-numérique (TDC) est un circuit intégré ou un module qui mesure l'intervalle de temps entre deux impulsions électriques et produit cet intervalle sous forme de valeur numérique. L'entrée est généralement un signal START et un signal STOP, séparés par des nanosecondes ou des picosecondes. La sortie est un nombre binaire représentant ce délai. Dans les systèmes d'alimentation, les détecteurs et les expériences de physique des hautes énergies, les TDC remplacent les oscilloscopes analogiques et les circuits à ligne à retard pour capturer les données de synchronisation en temps réel et à grande vitesse.

Le cœur de la plupart des TDC est une ligne à retard à prises : une chaîne de portes logiques ou d'inverseurs, chacun introduisant un délai de propagation fixe de 50 à 200 picosecondes. Lorsque l'impulsion START arrive, elle commence à se propager le long de la ligne. Lorsque STOP arrive, un encodeur instantané enregistre la prise que l'impulsion a atteinte. Ce numéro de prise devient la mesure du temps. Les TDC modernes peuvent utiliser plusieurs lignes à retard parallèles, une interpolation entre les prises ou un encodage de sous-délai de porte pour améliorer la résolution en dessous du délai de porte inhérent.

Résolution, précision et problème du taux de comptage

La résolution est généralement de 10 à 100 picosecondes par comptage, selon le pas de la ligne à retard et la méthode d'interpolation. La précision dépend de la stabilité en température, de la régulation de la tension d'alimentation et de la variation du processus dans le silicium. Les TDC souffrent d'un temps mort après chaque mesure : la ligne à retard doit se réinitialiser avant de pouvoir mesurer à nouveau. Les applications à taux de comptage élevé peuvent nécessiter plusieurs canaux TDC en parallèle ou un circuit de réinitialisation très rapide. Dans les détecteurs de rayonnement et la spectrométrie de masse à temps de vol, un temps mort de quelques microsecondes peut introduire un biais substantiel dans les données.

Les TDC se trouvent dans la synchronisation des rayons gamma, le LiDAR, l'instrumentation nucléaire et la télémétrie ultrasonique. Ils apparaissent sous forme d'ASIC (circuits intégrés spécifiques à une application) autonomes, de blocs intégrés dans des FPGA ou de modules compacts avec des étages d'entrée analogiques. La convention de dénomination reflète la fonction : conversion numérique d'un intervalle de temps. L'approche analogique alternative, utilisant une rampe de tension et un ADC, est plus lente et moins précise sur de courts intervalles ; le TDC échange l'architecture contre la vitesse et la résolution dans le régime de la picoseconde à la nanoseconde.

L'étalonnage d'un TDC est essentiel avant utilisation. Le délai par prise dérive avec la température, de sorte que les systèmes incluent souvent des circuits d'étalonnage sur puce ou nécessitent des impulsions de référence externes périodiques. La non-linéarité sur la ligne à retard, les codes manquants à certaines valeurs de sortie et une non-linéarité intégrale de 1 à 5 % sont courants. Lors de la sélection ou de la conception avec un TDC, vérifiez les fiches techniques pour la non-linéarité différentielle, la non-linéarité intégrale et le coefficient de température afin de vous assurer que l'incertitude de mesure est acceptable pour l'application.