高温带隙基准源在CEPC顶点探测器芯片上的设计与实现

发布时间：2020-04-15 06:34

【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。
【图文】：

为了产生稳定的带隙基准电压源，我们己知ＰＮ结的正向导通电压具有负温逡逑度系数，所以我们只需要再产生正温度系数的电压，使它和ＰＮ结产生的电压加逡逑权相加，即可得到不随温度变化的电压，即零温度系数的电压，其结构如图２．２逡逑所示，逡逑＇Ｖｔ＝ｋＴ／ｑ逡逑ｖｓｓ逡逑图２．２带隙基准的一般原理逡逑电压匕．由ｐｎ结二极管产生，热电压Ｒ邋Ｋ邋＝Ａ７７ｇ邋），Ｒ与绝对温度（ＰＴＡＴ）逡逑成正比，所以可以将呈负温度系数的匕￡和呈正温度系数的Ｒ进行相加，即可最逡逑终产生不随温度变化的基准输出电压逡逑＝邋＋邋（２－８）逡逑２．１．２性能指标逡逑１邋？温度系数（ＴＣ邋（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ））逡逑温度系数是衡量带隙基准电压源中电路是否稳定的重要指标，即在一定的温逡逑度范围内，带隙基准的输出电压的变化大小。单位为ｐｐｍ／°Ｃ邋（ｌｐｐｍｚｌＯ＂６），表逡逑示为温度变化１°Ｃ时，对应的基准源输出电压变化量的百万分比。温度系数的计逡逑算公式如２－１１所示逡逑ＴＣ－—Ｖ７ｘ￣Ｖｍｍ、Ｘ１０６邋（ｐｐｍ／。。）逦（２－９）逡逑ｖｍｅａｎ（Ｔｍａｘ－ｒｍｉｎ）逡逑［（基准电压源输出最大值－基准电压源输出最小值）／（基准电压源输出电压平逡逑７逡逑

ｎ结二极管产生，，热电压Ｒ邋Ｋ邋＝Ａ７７ｇ邋），Ｒ与绝将呈负温度系数的匕￡和呈正温度系数的Ｒ进化的基准输出电压逡逑＋邋（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ））逡逑量带隙基准电压源中电路是否稳定的重要指标，准的输出电压的变化大小。单位为ｐｐｍ／°Ｃ邋（ｌｐ时，对应的基准源输出电压变化量的百万分比。示逡逑ｘ￣Ｖｍｍ、Ｘ１０６邋（ｐｐｍ／。。）ｍａｘ－ｒｍｉｎ）逡逑
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN432;O572.212

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本文编号：2628251