Abstract The aim of this thesis was to develop time-to-digital converters (TDC) for the integrated receiver of a pulsed time-of-flight (TOF) laser rangefinder aiming at cm-level accuracy over an input range of 10 m – 15 m. A simple structure, a high integration level and low power consumption are the desired features for such a TDC. From the pulsed TOF laser rangefinder point of view an integrated receiver consisting of both the TDC and the receiver channel on the same die offers the possibility of manufacturing these laser rangefinders with a high integration level and at a low price to fulfil the needs of mass industrial markets. The heart of the TDC is a CMOS ring oscillator, the clock frequency of which is used to calculate the full clock cycles between timing signals, the positions of the timing signals inside the clock period being determined by storing the state of the phase of the ring oscillator for each timing signal. This will improve the resolution of the TDC. Also, additional delay lines are used to generate multiple timing signals, each having a time difference of a fraction of that of the ring oscillator. This will further improve the resolution of the whole TDC. To achieve stable results regardless of temperature and supply voltage variations, the TDC is locked to an on-chip reference voltage, or the resolution of the TDC is calibrated before the actual time interval measurement. The systematic walk error in the receiver channel caused by amplitude variation in the received pulse is compensated for by the TDC measuring the slew rate of the received pulse. This time domain compensation method is not affected by the low supply voltage range of modern CMOS technologies. Three TDC prototypes were tested. A single-shot precision standard deviation of 16 ps (2.4 mm) and a power consumption of 5.3 mW/channel were achieved at best over an input range of 100 ns (15 m). The temperature drifts of an on-chip voltage reference-locked TDC and a TDC based on the calibration method were 90 ppm/°C and 0.27 ps/°C, respectively. The results also showed that a pulsed TOF laser rangefinder with cm-level accuracy over a 0 – 15 m input range can be realized using the integrated receiver with the time domain walk error compensation described here. / Tiivistelmä Väitöskirjatyön tavoitteena oli kehittää aika-digitaalimuunninrakenteita valopulssin kulkuajan mittaukseen perustuvan lasertutkan integroituun vastaanottimeen. Tavoitteena oli saavuttaa senttimetriluokan tarkkuus 10 m – 15 m mittausalueella koko lasertutkan osalta. Aika-digitaalimuuntimelta vaaditaan yksinkertaista rakennetta, korkeaa integroimisastetta ja matalaa tehonkulutusta. Integroitu vastaanotin sisältää sekä aika-digitaalimuuntimen että vastaanotinkanavan ja tarjoaa mahdollisuuden korkeasti integroidun lasertutkan valmistukseen halvalla teollisuuden massamarkkinoiden tarpeisiin. Aika-digitaalimuuntimen ytimenä toimii monivaiheinen CMOS-rengasoskillaattori. Aika-digitaalimuunnos perustuu rengasoskillaattorin täysien kellojaksojen laskentaan laskurilla ajoitussignaalien välillä. Lisäksi rengasoskillaatorin jokaisesta vaiheesta otetaan näyte ajoitussignaaleilla niiden paikkojen määrittämiseksi kellojakson sisällä, jolloin aika-digitaalimuuntimen erottelutarkkuutta saadaan parannettua. Erottelutarkkuutta parannetaan lisää viivästämällä ajoitussignaaleja viive-elementeillä ja muodostamalla näin useita erillisiä ajoitussignaaleja, joiden väliset viive-erot ovat murto-osa rengasoskillaattorin viive-elementin viiveestä. Aika-digitaalimuunnin stabiloidaan käyttöjännite- ja lämpötilavaihteluja vastaan lukitsemalla se integroidun piirin sisäiseen jännitereferenssiin, tai sen erottelutarkkuus määritetään ennen varsinaista aikavälinmittausta erillisellä kalibrointimittauksella. Vastaanotetun valopulssin amplitudivaihtelun aiheuttama systemaattinen ajoitusvirhe integroidussa vastaanotinkanavassa kompensoidaan mittaamalla vastaanotetun valopulssin nousunopeus aika-digitaalimuuntimella. Tällainen aikatasoon perustuva kompensointimetodi on myös suorituskykyinen nykyisissä matalakäyttöjännitteisissä CMOS-teknologioissa. Työssä valmistettiin ja testattiin kolme aika-digitaalimuunninprototyyppiä. Muuntimien kertamittaustarkkuuden keskihajonta oli parhaimmillaan 16 ps (2,4 mm) ja tehonkulutus alle 5,3 mW/kanava mittausetäisyyden olessa alle 100 ns (15 m). Sisäiseen jännitereferenssiin lukitun aika-digitaalimuuntimen lämpötilariippuvuudeksi mitattiin 90 ppm/°C ja kalibrointimenetelmällä saavutettiin 0,27 ps/°C lämpötilariipuvuus. Työssä saavutetut tulokset osoittavat lisäksi, että valopulssin kulkuajan mittaukseen perustuvalla lasertutkalla on saavutettavissa senttimetriluokan tarkkuus 0 – 15 m mittausalueella käyttämällä tässä työssä esitettyä integroitua vastaanotinta ja aikatason ajoitusvirhekompensointia.

Abstract The aim of this work was to improve the performance and usability of a digital time-to-digital converter (TDC) in CMOS technology. The characteristics of the TDC were improved especially for the needs of pulsed laser time-of-flight (TOF) distance measurement, where picosecond-level precision with a long µs-level measurement range is needed in order to approach mm-level measurement accuracy. Stability in the face of process, voltage and temperature variations, multiple measurement channels, alternative measurement modes, a high integration level, standard interfaces and simple usage were the main features for development. The measurement architecture is based on counter and timing signal interpolation on two levels. The counter counts the full reference clock cycles between the timing signals, while a new recycling delay line developed in this thesis interpolates within the reference clock cycle. This technique utilizes a short delay line several times per reference clock cycle, which minimizes the interpolation nonlinearity. The same structure also makes the use of a low, MHz-level reference frequency possible, and thus only a crystal is needed as an external oscillator component. The parallel load capacitor-scaled delay line structure acts as the second, sub-gate-delay interpolation level. The INL does not accumulate in elements connected in parallel, and the load capacitance differences enable high, ps-level resolution to be achieved. Four TDC circuits in 0.35 µm CMOS technology were designed and tested in the course of this work, of which the latest, a 7-channel TDC, is able to measure the time intervals between the start pulse and three separate stop pulses in one measurement and to resolve the pulse widths or rise times at the same time. In laser TOF distance measurement this functionality can be used when several echoes arrive at the receiver, and also to compensate for the detection threshold problem known as timing walk error. The TDC achieves 8.9 ps interpolation resolution within the cycle time of a 20 MHz reference clock using only 8 delay elements on the first interpolation level and 14 delay elements on the second. A measurement precision better than 9 ps was achieved without using result post-processing or look-up tables. This work shows that versatile, high performance TDCs can be created in standard CMOS technology. / Tiivistelmä Väitöskirjatyön tavoitteena oli parantaa CMOS-aika-digitaalimuuntimien suorituskykyä ja käytettävyyttä. Muuntimen ominaisuuksia kehitettiin erityisesti laseretäisyysmittauksen tarpeita ajatellen, missä millimetritason mittaustarkkuus laajalla mittausaluella edellyttää aika-digitaalimuuntimelta pikosekuntitason tarkkuutta mikrosekuntien mittausalueella. Stabiilius prosessiparametri-, jännite- ja lämpötilavaihteluita vastaan, useat mittauskanavat, useat mittausmoodit, korkea integraatioaste, standardoidut liitäntäväylät ja helppo käytettävyys olivat erityisesti kehityksen kohteina. Suunniteltu mittausarkkitehtuuri koostuu laskurista ja kaksitasoisesta ajoitussignaali-interpolaattorista. Laskuri laskee kokonaiset referenssikellojaksot ajoitussignaalien välillä ja työssä kehitetty referenssiä kierrättävä viivelinjarakenne rekistereineen interpoloi ajoitussignaalien paikat referenssikellojaksojen sisältä. Referenssinkierrätystekniikka hyödyntää lyhyttä viivelinjaa useampaan kertaan kellojakson aikana, mikä minimoi epälineaarisuuden interpoloinnissa. Sama rakenne mahdollistaa myös MHz-tason referenssitaajuuden, jolloin matalataajuista kidettä voidaan käyttää referenssilähteenä. Toinen interpolointitaso koostuu rinnakkaisista kapasitanssiskaalatuista viive-elementeistä, mitkä mahdollistavat alle porttiviiveen mittausresoluution. Rinnakkaisessa rakenteessa elementtien epälineaarisuudet eivät summaudu, mikä mahdollistaa pikosekuntitason mittaustarkkuuden. Väitöskirjatyössä suunniteltiin ja toteutettiin neljä aikavälinmittauspiiriä käyttäen 0,35 µm CMOS-teknologiaa, joista viimeisin, 7-kanavainen muunnin kykenee mittaamaan aikavälin useampaan pulssiin yhdellä kertaa sekä voi selvittää samalla pulssien leveydet tai nousuajat. Laseretäisyysmittauksessa monikanavaisuutta voidaan käyttää kun useita kaikuja lähetetystä pulssista saapuu vastaanottimeen sekä kompensoimaan mittauksessa esiintyviä muita virhelähteitä. Käytettäessä 20 MHz:n kidettä referenssilähteenä muunnin saavuttaa alle 9 ps:n interpolointiresoluution ja tarkkuuden ilman epälineaarisuudenkorjaustaulukoita. Työ osoittaa, että edullisella CMOS-teknologialla voidaan toteuttaa monipuolinen ja erittäin suorituskykyinen aika-digitaalimuunnin.