时间测量广泛应用于科学研究与工程技术领域,在电信通讯、军事航空、原子物理等方面都占据着举足轻重的地位。时间数字转换器(Time-to-Digital Converter)用于测量两个异步脉冲信号之间的时间间隔,通过不同方式的量化处理,将时间量转化成数字量输出。相比模／数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC), TDC作为一种特定场合应用的ADC,它更方便地实现了时间信号的直接转换,并具有结构简单、硬件资源消耗低、可靠性强等独特优势,逐渐取代ADC成为时间测量领域的最佳选择。本文提出了一种全新的基于剩余误差时间放大的混合式TDC电路,它有效结合了分段式TDC与分步式TDC的优点,实现了宽范围时间的精确测量。以高段位计数型TDC结合中段位环振多相时钟细分辨TDC构成的两段式TDC,完成时间间隔的粗测量。分段式TDC实现宽范围检测,并获得适中的分辨率,其时间余量由剩余时间提取电路获得。以时间放大器为核心的两步式TDC对提取的误差时间进行线性放大,时间放大器采用基于延迟锁相环(Delay-Locked-Loop, DLL)的可变增益结构,为两步式TDC的时间量化提供宽线性输入范围和高稳定增益。抽头延迟线TDC采用与中段位TDC相同的延迟单元,并对放大后的时间进行测量,以“放大-再量化”的处理方式使时间分辨率突破工艺门延时限制。此外,该混合式TDC中的时钟均采用DLL驱动方式,利用其闭环负反馈结构,有效改善了环振时钟频率以及延迟单元延时的稳定性。本文基于TSMC 0.35μm CMOS工艺,在Cadence平台中完成了电路设计、版图设计和前后仿真验证,最后进行了流片验证。芯片测试结果表明：在3.3V电源电压、常温27℃下,该混合式TDC中的时间分辨率为320ps,测量范围达到2.551μs,微分非线性DNL为±0.68LSB,积分非线性INL为-1.23LSB-1.19LSB,单射精度为0.73LSB,功耗为10.9mW,测试指标满足设计要求。