Voltage → Time → Digital

1. 図が示している「Time-Based ADC」の基本構造

図は Voltage → Time → Digital という 3 段階の変換フローを示しています。

Analog Voltage  →  Time Information  →  Digital Code
    (Vin)             (Δt, pulse)         (bits)

この方式の ADC は、SAR や ΔΣ のように「電圧を直接量子化」するのではなく、

電圧を一度「時間」に変換し、その“時間”を TDC が量子化する

という構成になっています。

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2. VTC（Voltage-to-Time Converter）とは

図の左側にある VTC は「電圧 → 時間」変換器です。

代表的な動作イメージ：

• Vin をコンパレータ／ランプ発生器／充電回路に与える
• Vin が大きいほど「閾値に達する時間」が短い／長い
• こうして入力電圧を パルス幅 または 遅延時間 に変換する

図中の「Time Domain（矩形波）」は、これを示したものです。

例：

• Vin が高い → パルス幅が長い
• Vin が低い → パルス幅が短い

あるいはその逆でも設計によって成立します。

VTC の出力は 幅が Vin に比例したパルス または 電圧依存の遅延時間 Δt になります。

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3. TDC（Time-to-Digital Converter）とは

図の右側の TDC は「時間 → デジタル」変換器です。

VTC が生成した

• パルス幅（PW）
• 遅延時間（Δt）
• 位相差（phase difference）

などを、TDC が「何ステップ分か」に量子化し、ビット列として出力します。

出力例：

00101
11100
…

つまり図の「Digital Domain」を意味しています。

TDC の例：

• DLL 型 TDC（遅延セルの均一化）
• Vernier TDC（差分遅延で ps 精度）
• GRO TDC（リング発振器で時間→位相→サイクル数へ）

いずれも 時間そのものを LSB として量子化します。

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4. なぜ Voltage → Time → Digital なのか（メリット）

Time-Based ADC 方式の意義：

①　先端 CMOS で有利

• 低電圧（0.5 V 以下）だと電圧としての精度が取りづらい
• しかし「遅延」や「発振周波数」はデジタルプロセスでむしろ高精度になる
  → FinFET/GAA 世代で有利

②　アナログ回路をほぼ使わない

• OTA や大容量 CDAC が不要
• ロジック中心 → 面積が小さい、速度が出る

③　非常に高速

• GHz クロック領域での TDC / VCO を活用できる
• RF 〜 高速通信に向く

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5. 図のまとめ（1枚で表現すると）

図は次の内容を一目で示しています。

（電圧領域）
アナログ信号 Vin
     ↓
[VTC]
     ↓
（時間領域）
パルス幅・遅延・位相差 Δt
     ↓
[TDC]
     ↓
（デジタル領域）
000110101...

• Voltage Domain（連続値の電圧）
• Time Domain（電圧が時間情報に変換される）
• Digital Domain（時間がデジタルコードになる）

という3段階の変換メカニズムそのものです。

# ============================================================
# Program Name: time_based_adc_numeric_input.py
# Creation Date: 20251203
# Purpose: Numeric-input interactive demo of Voltage→Time→Digital conversion
# ============================================================

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from numba import njit
from ipywidgets import interact, FloatText, Button, VBox, HBox
import datetime

# ============================================================
# PARAM_INIT：パラメータ一元管理
# ============================================================
PARAM_INIT = {
    "fs": 200e6,          # Sampling frequency [Hz]
    "duration": 200e-9,   # Duration [sec]
    "vtc_gain": 3e-9,     # VTC gain [sec/V]
    "tdc_lsb": 20e-12,    # TDC LSB [sec]
    "freq": 10e6,         # Input sine freq
    "amp": 0.5            # Input amplitude
}

# ============================================================
# Voltage Model
# ============================================================
def generate_sine(freq, amp, fs, T):
    t = np.arange(0, T, 1/fs)
    v = amp * np.sin(2*np.pi*freq*t)
    return t, v

# ============================================================
# VTC Model（Voltage → Time）
# ============================================================
@njit
def vtc_model(v, gain):
    return gain * v

# ============================================================
# TDC Model（Time → Digital）
# ============================================================
@njit
def tdc_model(tvals, lsb):
    return np.floor(tvals / lsb).astype(np.int32)

# ============================================================
# Plot Function
# ============================================================
def plot_all(freq, amp, gain, lsb):

    fs = PARAM_INIT["fs"]
    T  = PARAM_INIT["duration"]

    # Voltage Domain
    t, vin = generate_sine(freq, amp, fs, T)

    # Voltage → Time
    t_vtc = vtc_model(vin, gain)

    # Time → Digital
    code = tdc_model(t_vtc, lsb)

    # --------------------------
    # Plot
    # --------------------------
    fig, ax = plt.subplots(3,1, figsize=(7,8))
    fig.tight_layout(pad=3)

    # Voltage Domain
    ax[0].plot(t*1e9, vin)
    ax[0].set_title("Voltage Domain (Vin) [V]")
    ax[0].set_xlabel("Time [ns]")
    ax[0].grid(True)

    # Time Domain
    ax[1].plot(t*1e9, t_vtc*1e12)
    ax[1].set_title("Time Domain (VTC Output) [ps]")
    ax[1].set_xlabel("Time [ns]")
    ax[1].grid(True)

    # Digital Domain
    ax[2].step(t*1e9, code, where='post')
    ax[2].set_title("Digital Domain (TDC Code)")
    ax[2].set_xlabel("Time [ns]")
    ax[2].grid(True)

    plt.show()

# ============================================================
# Save Functions
# ============================================================
def save_png():
    ts = datetime.datetime.now().strftime("%Y%m%d_%H%M%S")
    plt.savefig(f"time_adc_{ts}.png", dpi=300)

def save_pdf():
    ts = datetime.datetime.now().strftime("%Y%m%d_%H%M%S")
    plt.savefig(f"time_adc_{ts}.pdf")

# ============================================================
# UI Widgets（数値入力方式）
# ============================================================
freq_box = FloatText(value=PARAM_INIT["freq"], description="Freq [Hz]")
amp_box  = FloatText(value=PARAM_INIT["amp"],  description="Amp [V]")
gain_box = FloatText(value=PARAM_INIT["vtc_gain"], description="VTC gain [s/V]")
lsb_box  = FloatText(value=PARAM_INIT["tdc_lsb"], description="TDC LSB [s]")

btn_plot = Button(description="Plot")
btn_png  = Button(description="Save PNG")
btn_pdf  = Button(description="Save PDF")
btn_reset = Button(description="Reset")

# ボタンイベント
def on_plot_clicked(b):
    plot_all(freq_box.value, amp_box.value, gain_box.value, lsb_box.value)

def on_png(b):
    save_png()

def on_pdf(b):
    save_pdf()

def on_reset(b):
    freq_box.value = PARAM_INIT["freq"]
    amp_box.value  = PARAM_INIT["amp"]
    gain_box.value = PARAM_INIT["vtc_gain"]
    lsb_box.value  = PARAM_INIT["tdc_lsb"]

btn_plot.on_click(on_plot_clicked)
btn_png.on_click(on_png)
btn_pdf.on_click(on_pdf)
btn_reset.on_click(on_reset)

# ============================================================
# UI レイアウト
# ============================================================
ui = VBox([
    HBox([freq_box, amp_box]),
    HBox([gain_box, lsb_box]),
    HBox([btn_plot, btn_png, btn_pdf, btn_reset])
])

ui