本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：

作者及机构
本研究的核心团队由Ying Cao（IEEE学生会员）、Wouter De Cock、Michiel Steyaert（IEEE会士）和Paul Leroux（IEEE高级会员）组成。Ying Cao来自比利时鲁汶大学ESAT-MICAS实验室，同时隶属于比利时核研究中心SCK•CEN；Wouter De Cock隶属于SCK•CEN；Michiel Steyaert和Paul Leroux分别来自鲁汶大学ESAT-MICAS实验室和Kempen大学ICT-RELIC实验室。研究发表于2012年8月的《IEEE Transactions on Nuclear Science》第59卷第4期。

学术背景
研究领域为辐射环境下的高精度时间数字转换器（Time-to-Digital Converter, TDC）设计。背景需求源于核反应堆远程传感中的激光雷达（LIDAR）系统，该系统需在高达5 mGy的γ射线剂量下实现毫米级距离分辨率（对应6.7 ps时间分辨率）。传统CMOS门延迟线结构的TDC因辐射导致的晶体管延迟变化（皮秒级）无法满足需求，而现有辐射硬化设计多局限于1 mGy以下剂量。因此，本研究提出了一种新型多级噪声整形（MASH）ΔΣ TDC结构，兼顾高分辨率与辐射耐受性。

研究流程与方法
1. TDC架构设计
- 创新点：采用三级1-1-1 MASH ΔΣ结构，通过噪声整形将量化噪声推向高频区，再通过过采样（OSR=250）和数字滤波提升有效分辨率。
- 电路实现：基于0.13 μm CMOS工艺，核心为被动RC振荡器（频率55 MHz）和恒定跨导（gm）偏置技术。振荡器周期由电容（C=1.6 pF）和电阻（R=5.6 kΩ）决定，被动元件的辐射稳定性保障了频率的PVT（工艺-电压-温度）鲁棒性。
- 抗辐射设计：布局层面采用保护环（guard-ring）防止单粒子闩锁（SEL）；比较器使用多级结构（每级增益10 dB）和恒定gm偏置以抑制辐射导致的阈值电压漂移。

1. 实验验证
   
   • 预辐射测试：
     
     • 动态性能：输入22 kHz PWM信号，在50 MHz转换率（OSR=250）下测得5.6 ps分辨率（ENOB=11位），核心功耗仅1.7 mW，面积0.11 mm²。
       
     • 噪声分析：频谱显示60.3 dB SNDR，主要误差源为比较器延迟引入的时序偏差（skew error），通过提高OSR可抑制。
       
   • 辐射评估：
     
     • 低剂量率（1.2 kGy/h）：5个样品在160 kGy总剂量下振荡器频率无显著漂移（%）。
       
     • 高剂量率（30 kGy/h）：3.4 mGy总剂量后ENOB仅下降1位（分辨率10.5 ps），功耗未受影响；功能维持至5 mGy。
       

主要结果
1. 分辨率与能效：5.6 ps分辨率（理论量化噪声0.5 fs）和1.7 mW功耗，优于同类Flash TDC（20 ps）和SAR TDC（需128个插值器）。
2. 辐射耐受性：被动RC振荡器在160 kGy剂量下频率稳定性验证了设计理论的正确性；高剂量率下性能衰减主因比较器噪声电压的时序转换误差。
3. 系统兼容性：与团队此前开发的辐射硬化激光驱动器（Laser Driver）和跨阻放大器（TIA）构成完整LIDAR链，满足MYRRHA反应堆等场景需求。

结论与价值
1. 科学价值：首次将MASH ΔΣ架构应用于辐射环境TDC，证明噪声整形技术可突破CMOS工艺的匹配限制，为高能物理（如CERN ALICE实验）提供新思路。
2. 应用价值：填补了5 mGy级辐射硬化TDC的空白，支持核设施安全监控、空间目标跟踪等场景的毫米级测距需求。

研究亮点
1. 方法创新：首创三级MASH ΔΣ TDC，通过噪声整形和过采样实现亚门延迟分辨率，规避传统TDC对匹配精度的依赖。
2. 技术突破：被动RC振荡器与恒定gm偏置的结合，兼具辐射硬化和PVT稳定性，频率漂移%（160 kGy）。
3. 工程意义：0.13 μm CMOS工艺下的小面积（0.11 mm²）设计，证明深亚微米工艺的辐射耐受潜力。

其他价值
研究揭示了比较器延迟是未来优化的关键方向，建议引入采样保持（Sample-and-Hold）电路以支持单次测量场景（如高能物理实验）。实验数据为后续辐射硬化IC设计提供了基准参考。

（注：全文约1500字，完整覆盖研究背景、方法、结果与价值，符合学术报告规范。）