ATLAS前端读出系统中抗辐照激光驱动ASIC设计

论文摘要

通用大型探测器ATLAS是高能物理实验中著名大型强子对撞机LHC的重要组成部分。当进行高能物理实验时,高能粒子相互对撞产生粒子辐照效应,致使ATLAS探测器中前端系统长期暴露在高强度的辐照环境中。由于商用芯片通常无法在辐照环境下正常工作,因此,具有抗辐照能力的专用集成电路将在ATLAS探测器的前端系统中发挥重要作用。另外,随着LHC的不断升级,不仅大幅提升了ATLAS探测器的能量和亮度,同时也带来了海量的数据信息。ATLAS探测器中的液氩量能器前端读出系统用于快速、可靠的读取并传送实验中测量到的大量数据。选用光纤链路作为其数据传输模块,极大程度的提高数据传输效率,是一个重要的研究方向。本文阐述了高能物理实验中光纤传输发送端的双通道激光驱动ASIC的设计,该芯片系列被命名为LOCld。芯片的作用是接收已编码的串行数据并将其转换成调制电流用于驱动TOSA（Transmitter Optical Subassembly）,实现电-光转换。本文一共介绍了三款具有抗辐照能力的LOCld芯片。它们分别为基于250 nm SoS（Silicon on Sapphire）CMOS工艺设计的LOCld2-250、基于 130nm IBM CMOS工艺的LOCld2-130和65 nm TSMC CMOS工艺的LOCld2-65。其中,LOCld2-250专为ATLAS液氩量能器前端读出系统的Phase-I的升级而设计。LOCld2-130是LOCld2-250的升级版本,它将用于ATLAS液氩量能器Phase-I系统光纤链路130 nm版本。LOCld2-65工作速率更高,可能用于LpGBT项目。本文的创新点体现在如下几个方面:1、LOCld2-130作为LOCld2-250的升级版本,其性能要求与LOCld2-250相同,即在通道输入端接收5.12 Gbps、2 mA的CML（Current Mode Logic）信号,输出端送出 5.12 Gbps、8 mA的调制电流。但LOCld2-130采用了更为简单的通道结构,大幅降低了通道总功耗。在LOCld2-250模拟通道中,采用了六级限幅放大器级联结构提高预放大级的总增益,并通过有源电感并联峰化技术扩展带宽。通道结构较为复杂,且需要额外的电源为级联放大器提供升压。而在LOCld2-130模拟通道中的预放大电路,仅由两级放大器级联,并利用共享电感技术提升放大器带宽。共享电感技术无需额外的电源电压,简化了芯片外围电路设计。为了抵抗TID（Total Ionizing Dose）效应,LOCld2-250中创新性的使用了具有抗辐照能力的恒流源偏置电路,但该结构需要外接电阻,消耗引脚资源。针对这一点不足,在LOCld2-130中,笔者提出了维持级联放大器共模恒定的偏置电路,该结构同样具有抗辐照能力,且无需外接的电阻。2、LOCld2-65工作速率最高可达14 Gbps。它是当前高能物理领域中速率最高的可驱动TOSA的双通道激光驱动器。由于其输入信号最小幅度为1 mACML信号,因此在设计难度上,LOCld2-65远高于其他两块芯片。在LOCld2-65模拟通道中,输入放大器和输出驱动器均加入了线性均衡器,用于补偿信号高频成分的衰减,均衡强度可由I2C调节。通道内预放大级采取四级限幅放大器级联结构,以确保能提供足够的增益;每两级放大器共享一个三抽头的电感,扩展预放大级带宽。为了保证所有PVT（Process Voltage Temperature）情形下预放大级的增益与带宽都能满足设计要求,笔者在级联放大器的第二级和第四级之间加入了可调负反馈环路。通过调节反馈强度,提升快速工艺角下的总增益,扩展慢速工艺角下的总带宽。3、对光发送模块MTx（Miniature Optical Transmitter）进行升级,用于装载LOCld2-65芯片。升级后的光发送模块被命名为MTx+。MTx+采用SIFP+接口,可支持热插拔。此外,还定制了光学闩用于固定PCB、TOSA和LC接口,使用起来更为方便。目前LOCld2-130芯片设计已完成并通过了后仿真验证。但是,至今尚未寻找到合适的流片机会。LOCld2-130后仿真结果显示在典型情况下,单通道总功耗约59.9mW,远低于250版本单通道的总功耗。LOCld2-65芯片已成功流片,且已有四块LOCld2-65装载至光模块MTx+进行光学测试,这四块芯片全部通过测试。此外,我们将测试结果与仿真结果进行了对比分析,两者基本一致。由于TID辐照测试需要花费较长的时间,所以我们只对四块芯片中的一块进行了TID辐照测试。辐照测试结果表明,当总剂量达到4.9kGy（SiO2）时,芯片性能参数依旧基本保持不变,具有抵抗TID的能力。但是,到目前为止,实验室还没寻找到对芯片进行SEU测试的机会。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 高能物理实验装置
•   1.2 抗辐照光纤数据传输系统
•     1.2.1 LHC升级计划
•     1.2.2 ATLAS光纤链
•     1.2.3 LpGBT的简介
•   1.3 论文内容与架构
•     1.3.1 论文内容
•     1.3.2 文章架构
• 第二章 激光驱动芯片及其辐照加固措施
•   2.1 VCSEL的简介
•   2.2 VCSEL激光器驱动芯片
•   2.3 辐照影响及VCSEL驱动芯片辐照加固措施
•     2.3.1 总剂量效应
•     2.3.2 单粒子效应
•     2.3.3 VCSEL驱动芯片辐照加固措施
•   2.4 本章小结
• 第三章 2×5.12 Gbps双通道激光器驱动芯片的设计
•   3.1 LOCld2-130的设计要求
•   3.2 LOCld2-130通道中输出驱动器的设计
•     3.2.1 输出驱动器的输入动态范围
•     3.2.2 输出驱动器的驱动电流
•   3.3 LOCld2-130通道中限幅放大器的设计
•     3.3.1 级联放大器的级数和总增益
•     3.3.2 放大级中器件的参数
•   3.4 LOCld2-130通道中偏置电路的设计
•     3.4.1 偏置电路的辐照分析
•     3.4.2 恒流源型偏置电路
•     3.4.3 可维持共模稳定的偏置电路
•     3.4.4 输出驱动器和VCSEL的偏置电路
• 2C接口'>  3.5 LOCld2-130中I²C接口
•   3.6 LOCld2-130版图设计
•     3.6.1 LOCld2-130版图整体布局
•     3.6.2 LOCld2-130与LOCld2-250整体版图之间的差异
•     3.6.3 去耦电容的设计
•     3.6.4 高速引脚的设计
•   3.7 LOCld2-130芯片封装及引脚说明
•   3.8 LOCld2-130通道后仿真验证
•     3.8.1 偏置电路后仿真
•     3.8.2 模拟通道AC后仿真
•     3.8.3 模拟通道瞬态后仿真
•   3.9 本章小结
• 第四章 2×14 Gbps双通道激光器驱动芯片的设计
•   4.1 LOCld2-65通道中输入均衡器的设计
•   4.2 LOCld2-65通道中限幅放大器的设计
•   4.3 LOCld2-65通道中输出驱动器的设计
•   4.4 LOCld2-65通道中偏置电路的设计
• 2C模块的设计'>  4.5 LOCld2-65中I²C模块的设计
•   4.6 LOCld2-65中版图设计
•     4.6.1 芯片的整体布局
•     4.6.2 模拟通道框架版图设计
•     4.6.3 限幅放大器版图设计
•     4.6.4 输入端差分传输线版图设计
•   4.7 LOCld2-65芯片封装及引脚说明
•   4.8 LOCld2-65通道后仿真
•     4.8.1 VCSLE和电感的电学模型
•     4.8.2 LOCld2-65单通道瞬态后仿真
•     4.8.3 LOCld2-65双通道瞬态后仿真
•   4.9 本章小结
• 第五章 LOCld2-65芯片的测试
•   5.1 测试平台的搭建
•   5.2 眼图测试
•     5.2.1 基本测试
•     5.2.2 OMA扫描测试
•     5.2.3 两通道之间相互串扰测试
•   5.3 输入均衡器的测试
•   5.4 TOSA供电电压净空高度测试
•   5.5 抗辐照测试
•   5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 展望未来
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 周威

导师: 孙向明,黄光明,叶竞波

关键词: 专用集成电路,高能物理实验,高速双通道激光器驱动,抗辐照

来源: 华中师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学

单位: 华中师范大学

分类号: O572.214;TN24

总页数: 108

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