Time-to-Digital Converter: applicazioni avanzate e nuove architetture FPGA

This thesis proposes an in-depth review of the state of the art of Time-to-Digital Converters (TDCs), analyzing their main architectures and current applications in fields such as LIDAR, multipixel single-photon sensors, and quantum communica- tion. The study includes an analysis of the most recent scientific literature, with particular attention to performance criteria and technological constraints associa- ted with each implementation. In the final part, the work focuses on assessing the feasibility of a new TDC implementation using the latest generation Xilinx Versal 7 nm FPGAs. In this context, architectural differences with respect to the previous generation (Ultrascale+ at 16 nm) are analyzed, with a specific focus on the different structure of the Full Adder blocks and the potential impact that such variations may have on TDC efficiency and resolution. The aim is to provide insights for future optimized design on this new platform.

La presente tesi propone una revisione approfondita dello stato dell’arte dei Time-to-Digital Converter (TDC), analizzandone le principali architetture e le applicazioni attuali in ambiti quali LIDAR, sensori a singolo fotone multipixel e comunicazione quantistica. Lo studio include un’analisi della letteratura scientifica più recente, con particolare attenzione ai criteri prestazionali e ai vincoli tecnologici associati a ciascuna implementazione. Nella parte finale, il lavoro si concentra sulla valutazione della fattibilità di una nuova implementazione di TDC utilizzando le FPGA di ultima generazione della serie Xilinx Versal a 7 nm. In questo contesto, vengono analizzate le differenze architetturali rispetto alla generazione precedente (Ultrascale+ a 16 nm), con un focus specifico sulla diversa struttura dei blocchi Full Adder, e sul potenziale impatto che tali variazioni possono avere sull'efficienza e sulla risoluzione del TDC. L’obiettivo è fornire spunti per una futura progettazione ottimizzata su questa nuova piattaforma.