ATLAS前端读出系统中抗辐照激光驱动ASIC设计
发布时间：2023-04-07 01:22
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...
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
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
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
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
本文编号：3784803
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
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
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
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
本文编号：3784803
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