Integrated solutions for timing jitter measurement

In this thesis we present two integrated solutions suitable for measuring the timing jitter of digital signals in SoCs and data acquisition systems (mainly sampling ADCs). The presented methods are also suitable for time measurement in a variety of timing-based metrological applications. The first method is based on the amplification of the time difference to be measured using a time amplifier (TAMP). The result of the amplification is subsequently digitized using a low resolution time-to-digital converter (TDC). The amplifier is based on the principle of virtual charge sharing that allows for continuous, monotonic and symmetric time transfer characteristics. Given its analog nature, the time amplifier has linearity issues in addition to being prone to temperature and process variations and uncertainties. To address these problems, a measurement and calibration method that consists of a dual TAMP arrangement is used to deduce the measured timing quantities without a priori knowledge of the gain of the amplifiers. Also, an empirical and more direct calibration technique suitable for a single-amplifier-based measurement system is presented. In this thesis we implement an amplifier with a measured gain of 228 s/s feeding a TDC of 78 ps of resolution resulting in a timing measurement system of 342.1 fs of nominal resolution.The second method consist of an ADC-based jitter measurement technique in which the jittery signal assumes the role of sampling clock. The novelty in this technique is that it supports arbitrary analog inputs to the ADC as measurement vehicle. The proposed measurement system comprises, in addition to the sampling ADC, an independent back-end digital system to extract jitter timing information. A very important feature of such a digital system is that the jitter-induced magnitude error in each output sample of the ADC is first measured before extracting its associated timing information. Jitter characteristics of the sampling clock are extracted with high accuracy. Indeed, as demonstrated in this thesis, even for an input signal to the ADC with a bandwidth as small as 4.61 MHz, the jitter distribution of a 12.5 MHz sampling clock is extracted with an accuracy of about 3.25 ps.Dans cette thèse, nous présentons deux solutions intégrées pour mesurer les fluctuations dans le timing des signaux numériques, communément appelé “jitter”, et ce dans les systèmes sur puce et les systèmes d'acquisition de données (principalement les CANs). Ces techniques sont aussi employables dans toutes autres applications métrologiques dont le principe de fonctionnement est basé sur la mesure du temps.La première méthode est basée sur l'amplification de la différence de temps à mesurer à l'aide d'un amplificateur de temps (TAMP). Le résultat de l'amplification est ensuite numérisé en utilisant un convertisseur temps-numérique. La conception de l'amplificateur est basé sur le principe de partage virtuel de charge qui permet une courbe de transfert de temps continue, monotone et symétrique. Compte tenu de sa nature analogique, l'amplificateur est limité en termes de linéarité en plus d'être sensible aux variations de température et de processus. Pour résoudre ce problème, une méthode de mesure et d'étalonnage qui consiste en une configuration double-TAMP est utilisée pour déduire les quantités mesurées sans connaissance préalable du gain des amplificateurs utilisés. Aussi, nous présentons une technique empirique pour calibrer un système de mesure comprenant un seul amplificateur. Dans cette thèse, nous implémentons un amplificateur avec un gain mesuré de 228 s/s alimentant un convertisseur temps-numérique de 78 ps de résolution. Effectivement, ceci résulte en un système de mesure de temps d'une résolution nominale de 342,1 fs.La seconde méthode pour mesurer le jitter consiste en une technique de mesure basée sur un CAN à échantillonnage ou le signal dont le jitter est à mesurer assume le rôle d'horloge. La particularité fondamentale de cette technique est qu'elle admet des signaux analogiques arbitraires à l'entrée du CAN. Le système de mesure proposé comprend, en plus du CAN, un bloc digital entièrement indépendant du CAN pour extraire l'erreur de timing associée à chaque échantillon à la sortie du CAN. Une caractéristique très importante de ce bloc est qu'il calcule d'abords l'erreur dans le code de chaque échantillon à la sortie du CAN induite par le jitter avant d'en déduire l'erreur de timing. Dans cette étude, les caractéristiques du jitter de l'horloge d'échantillonnage sont extraites avec une grande précision. Expérimentalement parlant, même pour une bande d'entrée aussi basse que 4,61 MHz, la distribution du jitter d'une horloge d'échantillonnage de 12,5 MHz est extraite avec une précision de l'ordre de 3.25 ps