Performance improvement of the analog front end for a VCO based timing measurement architecture

The demand of more precise time interval measurement is increasing as an increasing number of new applications required. The improvements are mainly made by means of increasing the resolution, that finally leads to two milestones, i.e. time-of-flight measurements and time-correlated photon counting. The evolution of sensors used today leads to a resolution in the order of tens of picoseconds which should be the lower bound for the performance of the measurement systems. A part or the totality of the measurement electronic systems being built up by digital is popular with the advantages from the adaptivity, to the versatile calibration, to the easiness of implementation of powerful processing algorithms. Also new methods are established that improve resolution significantly. Among those there is diffused one for high accuracy time interval measurements that is called time-to-amplitude conversion (TAC). Also there is another well-established method called time-to-digital conversion (TDC), which has the advantage of easy integration. One of the latest methods is based on phase measurements, which has the advantage of being able to achieve a high resolution in the order of few picoseconds through very limited analog hardware and computation power that is already present. It also has the advantage of the non-necessity of intensive calibration procedures, and the minimization of requirement of a-priori information. This work is based on the existed method using phase measurements and helped in the improvement of the achieved performance.

La domanda di misurazione dell'intervallo di tempo più preciso è in aumento come un numero crescente di nuove applicazioni richieste. I miglioramenti sono realizzati principalmente attraverso l'aumento della risoluzione, che porta finalmente a due pietre miliari, cioè, la misura del tempo di volo e conteggio di fotoni correlati nel tempo. L'evoluzione dei sensori utilizzati oggi conduce a una risoluzione dell'ordine di decine di picosecondi che dovrebbero essere il limite inferiore per la prestazione dei sistemi di misurazione. Una parte o la totalità dei sistemi elettronici di misura essendo costituite dal digitale è popolare con i vantaggi dal adattività, la calibratura versatile, alla facilità d'implementazione di algoritmi di elaborazione potenti. Anche i nuovi metodi sono stabiliti che migliorano in modo significativo la risoluzione. Tra questi vi è una diffusa per misure di tempo d'intervallo elevata precisione che viene chiamato tempo-a-ampiezza conversione (TAC). Inoltre vi è un altro metodo consolidato chiamato tempo-a-digitale conversione (TDC), che ha il vantaggio di una facile integrazione. Uno dei metodi più recenti si basa su misure di fase, che ha il vantaggio di essere in grado di raggiungere una risoluzione elevata dell'ordine di pochi picosecondi attraverso hardware analogico molto limitato e potenza di calcolo che è già presente. Essa ha anche il vantaggio di non necessità di procedure di calibrazione intensivi, e la minimizzazione del requisito d'informazione a priori.Questo lavoro si basa sul metodo esistito sulla base delle misure di fase e ha contribuito al miglioramento della performance raggiunta.