高温带隙基准源在CEPC顶点探测器芯片上的设计与实现

论文摘要

现代高能物理实验的顶点探测器的功耗和散热逐渐成为在顶点探测器芯片设计时考虑的主要因素。提高顶点探测器芯片工作的温度可以缓解其在功耗和散热方面的要求。工作温度的提高会导致顶点探测器芯片模块工作点和偏置电压的漂移。一个可以在高温下稳定的基准电压源可以为顶点探测器芯片上的各个模块提供稳定的参考,是设计高温下工作的顶点探测器芯片的重要前提条件。MIC4芯片是为CEPC对撞机顶点探测器预研项目设计的像素探测器芯片。考虑到未来CEPC顶点探测器对功耗和散热的要求,本文为其设计了一款能够在高温下工作的带隙基准源作为芯片内部模块的参考电压源。为该芯片在高温下设计打下基础。本文首先从理论上分析了基准电压源的工作原理和性能指标,着重介绍了应用于顶点探测器MIC4芯片中的带隙基准源的设计。基于towerjazz 0.18μm工艺下,设计出的带隙基准源电路能够在高温下正常工作,通过对带隙基准源进行高温测试,从而得到在towerjazz 0.18 μm工艺下,MIC4芯片所能承受的极限最高温度。虽然多阶曲率补偿电路的带隙基准源在电源抑制比,温度系数等参数上有一定的优势,但是此带隙基准源结构较为复杂,在高温环境的影响下,太过复杂的结构会导致基准源达不到预期的效果。所以本论文中将传统的三级管用二极管来代替,二极管和三极管相比有更好的温度系数;并且对电路结构进行一定的修改,使本论文中的带隙基准源能够达到比传统的采用多阶曲率补偿电路结构的带隙基准源的结构更加精简的同时,还能够有着较高的电源抑制比,并且能满足在-45℃～150℃的温度范围内,基准源的温度系数为3.16ppm/℃,输出电压幅度为1.205 V,电源抑制比为73.28 dB。最后介绍了带隙基准源的测试结果,该带隙基准源已经集成于CEPC顶点探测器MIC4芯片中,并留有测试接口,测试结果表明室温下基准源的输出电压幅度为1.199 V,基本满足CEPC顶点探测器MIC4芯片的要求,并且在测试温度为150℃时,带隙基准源仍然能正常工作,此次设计可以为下一代芯片的带隙基准源在高温下的设计提供一定的参考意见。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究的背景和意义
•   1.2 高温基准源的发展历史和现状
•   1.3 本论文的主要工作
• 第二章 带隙基准电压源的原理
•   2.1 带隙基准电压源的性能参数
•     2.1.1 与温度无关的基准
•     2.1.2 性能指标
•   2.2 传统带隙基准电压源的几种结构
•     2.2.1 Wildar带隙基准源
•     2.2.2 Kujik带隙基准源
•     2.2.3 Brokaw带隙基准源
•   2.3 低压带隙基准电压源的几种结构
•     2.3.1 Neuteboom低压基准电压源
•     2.3.2 Banba低压基准电压源
•   2.4 本章小结
• 第三章 高温带隙基准电压源的设计
•   3.1 CEPC MIC4芯片简介
•   3.2 带隙基准电压源设计
•     3.2.1 核心电路的设计
•     3.2.2 运算放大器的设计
•   3.3 带隙基准电压源的仿真
•     3.3.1 带隙基准电压源主体电路的仿真分析
•     3.3.2 高温带隙基准电压源的仿真验证
•   3.4 本章小结
• 第四章 带隙基准电压源的版图设计
•   4.1 版图设计的基本考虑
•     4.1.1 匹配性设计
•     4.1.2 耦合的影响
•     4.1.3 寄生效应
•   4.2 带隙基准源的各模块版图设计布局
•     4.2.1 二极管的版图
•     4.2.2 带隙基准电压源的整体版图
•   4.3 带隙基准电压源的后仿真
•     4.3.1 温度特性的仿真
•     4.3.2 电源抑制比特性仿真
•   4.4 本章小结
• 第五章 带隙基准电压源的测试及验证
•   5.1.1 基准电压源的测试
•   5.1.2 测试结果
•   5.1.3 结果分析
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘健超

导师: 孙向明

关键词: 环形正负电子对撞机,高温,带隙基准,温度系数,电源抑制比

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: TN432;O572.212

总页数: 54

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