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应用于高能物理实验的120-Gb/s多通道光纤数据发送芯片设计

2020-12-08阅读(529)

应用于高能物理实验的120-Gb/s多通道光纤数据发送芯片设计

论文摘要

高能物理实验是探索和研究物质构成与粒子相互作用的重要基础物理实验,其探测器前端的海量信息传输与抗辐照要求对高速数据传输链路设计提出了严峻挑战。高速多通道光纤数据发送芯片因其高带宽、高密度、低功耗、抗辐照等特点在高速信息传输中有着明显优势,逐渐成为高能物理实验中探测器前端数据传输设计的首选。本文主要研究工作是采用SMIC 55nm RF CMOS工艺设计了一款120-Gb/s多通道光纤数据发送芯片,旨在应用于高能物理实验中探测器前端数据传输领域。本文的具体研究内容和创新点体现在如下几个方面:1.提出了全新的预加重电路结构:在输出驱动级的尾电流电路上增设RC电阻电容预加重结构,补偿了由绑定线电感、PAD电容及VCSEL激光器负载带来的信号带宽衰减,减小了信号抖动,优化了眼图。电测试结果表明:在采用该预加重电路结构后,激光器输出眼图变清晰、张开度扩大,整体抖动为25.1 ps,上升时间为68.4 ps,下降时间为68.0ps,达到了预期目标。2.提出了两种增强芯片抗辐照性能设计的方法:其一,芯片的核心模拟电路采用较宽Finger的MOS管来抵抗总剂量效应;其二,I2C数字控制模块采用三模冗余电路结构来抵消单粒子翻转效应。采用这两种方法后,使得芯片的抗辐照性能得到显著提升。3.提出了通过采用均衡技术和共享电感技术以提高信号带宽的方法:输入端电路采用连续时间线性均衡器（CTLE）结构来补偿PCB板上传输线、绑定线电感和PAD电容等带来的高频衰减;限幅放大级采用共享电感拓扑结构进一步提高了信号带宽。后仿真结果表明:采用两种带宽拓展技术后,在典型工艺角下,-3dB带宽从6.8 GHz@10 Gb/s提高到 11.3 GHz@10 Gb/s。4.提出了通过采用低压CMOS工艺和降低电源电压的方式,减小了芯片总体功耗:本芯片采用SMIC55nm RFCMOS工艺,模拟核心电路电源电压为1.2V和2.5 V,数字控制电路电源电压为1.2 V。该芯片功耗实测表明:在采用这两种方式后,实测典型功耗（输出电流眼图幅度为2-7mA）为32.1mW/ch@10Gb/s,低于同指标商用芯片典型功耗（46 mW/ch@10Gb/s）。目前,该芯片已成功流片并完成了实测,整体抖动、眼图质量、功耗等性能达到了预期指标,后续将展开光测试和辐照测试。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •   1.3 论文主要研究内容及组织结构
  •   1.4 本章小结
  • 第二章 VCSEL驱动器理论分析
  •   2.1 半导体光源
  •     2.1.1 LD激光二极管
  •     2.1.2 垂直腔面发射激光器
  •   2.2 VCSEL驱动电路设计原理
  •     2.2.1 VCSEL电学模型分析
  •     2.2.2 VCSEL激光器驱动工作原理
  •   2.3 VCSEL驱动器设计需要考虑的主要性能参数
  •     2.3.1 眼图
  •     2.3.2 带宽
  •     2.3.3 抖动
  •     2.3.4 输出电流动态范围
  •     2.3.5 功耗
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 多通道光纤数据发送芯片的设计
  •   3.1 总体设计方案、辐照加固与设计指标
  •     3.1.1 总体设计方案
  •     3.1.2 芯片辐照加固
  •     3.1.3 设计指标
  •   3.2 均衡级电路
  •     3.2.1 几种常见的均衡器结构
  •     3.2.2 均衡级电路设计
  •   3.3 限幅放大级电路
  •     3.3.1 带宽拓展技术
  •     3.3.2 限幅放大级电路设计
  •   3.4 输出驱动级电路设计
  •   3.5 VCSEL直流偏置电路设计
  •     3.5.1 限幅放大级直流偏置电路设计
  •     3.5.2 输出驱动级直流偏置电路设计
  •   3.6 本章小结
  • 第四章 多通道光纤数据发送芯片后仿真
  •   4.1 单通道后仿真
  •     4.1.1 芯片仿真测试电路
  •     4.1.2 单通道后仿真结果分析
  •   4.2 四通道后仿真
  •     4.2.1 典型情况下四通道后仿真结果分析
  •     4.2.2 四通道整体抖动和功耗后仿真结果分析
  •     4.2.3 四通道串扰后仿真结果分析
  •   4.3 本章小结
  • 第五章 多通道光纤数据发送芯片电测试
  •   5.1 电测试概要
  •     5.1.1 电测试PCB制作
  •     5.1.2 芯片整体版图和芯片绑线图
  •     5.1.3 芯片测试原理
  •   5.2 芯片电流和功耗实测
  •   5.3 眼图测试
  •     5.3.1 优化配置下眼图测试及jitter分析
  •     5.3.2 预加重功能测试
  •     5.3.3 多通道串扰测试
  •   5.4 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  •   6.1 本文内容总结
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 攻读学位期间科研成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 赵聪

    导师: 孙向明,郭迪

    关键词: 多通道光纤数据发送芯片,辐射加固,预加重,抖动,多通道串扰

    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,无线电电子学

    单位: 华中师范大学

    分类号: TN40;O572

    总页数: 75

    文件大小: 6314K

    下载量: 45

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