精密的时间测量在一些大型物理实验、国防和工业领域中扮演着至关重要的角色,时间数字转换器(Time-to-Digital Converter,TDC)作为时间测量的基本器件,其分辨率直接决定其应用系统的功能实现和性能优劣。此外,在深亚微米工艺下,数字集成电路突显出诸多相对于模拟集成电路的优点,越来越多的电路系统采用数字电路来实现,由于TDC能够将连续的时域信号转换为数字信号,所以在深亚微米工艺下一些数字电路的设计中,TDC将作为其中的一个关键模块。无论是在精密时间测量还是基于TDC的数字电路中,TDC的分辨率都是影响系统性能的关键因素,因此,对高分辨率时间数字转换器的研究与设计具有重要意义。本文以高分辨率时间数字转换器作为设计目标,在深入调研并分析不同高分辨率TDC结构优缺点的基础之上,采用流水线结构实现高分辨率的时间数字转换器。本文分析了时间存储技术并进行了电路实现,完成了基于流水线结构的时间数字转换器。设计了数字校正算法,减小了失调误差对TDC测量的不利影响。本文所设计的TDC包含时钟电路、前级处理电路、三级2.5位/级结构、一级3位延时链TDC结构和数字校正电路。在前级处理电路中,设计了脉冲发生器,将输入信号转换为脉冲信号,方便后级电路对其进行处理;在2.5位/级结构中,设计了一种基于灵敏放大器结构的触发器,该触发器的亚稳态时间窗口非常小,可以避免子TDC输出的温度计码中出现“气泡”,从而影响TDC的整体测量结果,同时采用了一种新型的时间放大器,解决了传统时间放大器放大倍数不精确且不易控制的缺点,对量化余量进行了精确放大,实现了后级电路输入信号的正确产生;最后利用数字校正电路对各级输出的二进制码进行处理,产生9位的数字量输出。采用SMIC 0.18μm CMOS工艺完成了流水线型时间数字转换器的电路和版图设计,核心电路版图面积为415μm×217μm,仿真结果表明,该TDC的采样率为50MS/s,分辨率为4.62ps,动态范围为0~2348ps。