Characterization and optimization of a multi-channel, FPGA-based Time-to-Digital Converter

High-resolution time measurement is a fundamental building block on a wide variety of applications such as time-of-flight based systems, single-photon microscopy and quantum communications. FPGA-based TDCs are the preferred choice for cost-effective implementations requiring both high performance and flexibility. In this work, a Tapped-Delay Line (TDL) and Wave Union Tapped-Delay Line (WU TDL) TDC architectures are implemented and characterized on a Zynq Ultrascale+ FPGA-board. The characterization will mainly focus on determining the resolution and linearity of both TDCs. A bin merging algorithm is also tested to see the increment of linearity at expense of resolution. The TDL and WU TDL implementations were tested measuring the time difference of two signals obtaining 11.6 ps and 11.4 ps RMS resolution respectively. The achieved performance allow the proposed implementations to be integrated in high-resolution time measuring systems.
La mesura de temps a alta resolució és un dels blocs fonamentals en un gran ventall d'aplicacions com els sistemes basats en temps de vol (TOF), la microscòpia d'un sol fotó o les comunicacions quàntiques. Els TDCs basats en FPGAs són l'opció preferida per implementacions de baix cost que requereixin d'alt rendiment i flexibilitat. En aquest treball, les arquitectures TDC Tapped-Delay Line (TDL) i Wave Union Tapped-Delay Line (WU TDC) són implementades i caracteritzades en una placa FPGA Zynq Ultrascale+. La caracterització es centrarà principalment en determinar la resolució i la linealitat d'ambdós TDCs. A més, s'ha provat un algoritme d'agrupació de bins per observar l'increment de linealitat en detriment de la resolució. Les implementacions TDL i WU TDL varen ser provades mesurant la diferencia temporal de dos senyals, obtenint-ne una resolució RMS de 11.6 ps i 11.4 ps respectivament. El rendiment obtingut permet integrar les implementacions proposades en sistemes de mesura de temps d'alta resolució.