【摘要】：現(xiàn)代高能物理實驗的頂點探測器的功耗和散熱逐漸成為在頂點探測器芯片設(shè)計時考慮的主要因素。提高頂點探測器芯片工作的溫度可以緩解其在功耗和散熱方面的要求。工作溫度的提高會導(dǎo)致頂點探測器芯片模塊工作點和偏置電壓的漂移。一個可以在高溫下穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源可以為頂點探測器芯片上的各個模塊提供穩(wěn)定的參考,是設(shè)計高溫下工作的頂點探測器芯片的重要前提條件。MIC4芯片是為CEPC對撞機頂點探測器預(yù)研項目設(shè)計的像素探測器芯片�？紤]到未來CEPC頂點探測器對功耗和散熱的要求,本文為其設(shè)計了一款能夠在高溫下工作的帶隙基準(zhǔn)源作為芯片內(nèi)部模塊的參考電壓源。為該芯片在高溫下設(shè)計打下基礎(chǔ)。本文首先從理論上分析了基準(zhǔn)電壓源的工作原理和性能指標(biāo),著重介紹了應(yīng)用于頂點探測器MIC4芯片中的帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計。基于towerjazz 0.18μm工藝下,設(shè)計出的帶隙基準(zhǔn)源電路能夠在高溫下正常工作,通過對帶隙基準(zhǔn)源進行高溫測試,從而得到在towerjazz 0.18 μm工藝下,MIC4芯片所能承受的極限最高溫度。雖然多階曲率補償電路的帶隙基準(zhǔn)源在電源抑制比,溫度系數(shù)等參數(shù)上有一定的優(yōu)勢,但是此帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,在高溫環(huán)境的影響下,太過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致基準(zhǔn)源達不到預(yù)期的效果。所以本論文中將傳統(tǒng)的三級管用二極管來代替,二極管和三極管相比有更好的溫度系數(shù);并且對電路結(jié)構(gòu)進行一定的修改,使本論文中的帶隙基準(zhǔn)源能夠達到比傳統(tǒng)的采用多階曲率補償電路結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)源的結(jié)構(gòu)更加精簡的同時,還能夠有著較高的電源抑制比,并且能滿足在-45℃～150℃的溫度范圍內(nèi),基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)為3.16ppm/℃,輸出電壓幅度為1.205 V,電源抑制比為73.28 dB。最后介紹了帶隙基準(zhǔn)源的測試結(jié)果,該帶隙基準(zhǔn)源已經(jīng)集成于CEPC頂點探測器MIC4芯片中,并留有測試接口,測試結(jié)果表明室溫下基準(zhǔn)源的輸出電壓幅度為1.199 V,基本滿足CEPC頂點探測器MIC4芯片的要求,并且在測試溫度為150℃時,帶隙基準(zhǔn)源仍然能正常工作,此次設(shè)計可以為下一代芯片的帶隙基準(zhǔn)源在高溫下的設(shè)計提供一定的參考意見。
【圖文】：

為了產(chǎn)生穩(wěn)定的帶隙基準(zhǔn)電壓源，我們己知ＰＮ結(jié)的正向?qū)妷壕哂胸?fù)溫逡逑度系數(shù)，所以我們只需要再產(chǎn)生正溫度系數(shù)的電壓，使它和ＰＮ結(jié)產(chǎn)生的電壓加逡逑權(quán)相加，即可得到不隨溫度變化的電壓，即零溫度系數(shù)的電壓，其結(jié)構(gòu)如圖２．２逡逑所示，逡逑＇Ｖｔ＝ｋＴ／ｑ逡逑ｖｓｓ逡逑圖２．２帶隙基準(zhǔn)的一般原理逡逑電壓匕．由ｐｎ結(jié)二極管產(chǎn)生，熱電壓Ｒ邋Ｋ邋＝Ａ７７ｇ邋），Ｒ與絕對溫度（ＰＴＡＴ）逡逑成正比，所以可以將呈負(fù)溫度系數(shù)的匕￡和呈正溫度系數(shù)的Ｒ進行相加，即可最逡逑終產(chǎn)生不隨溫度變化的基準(zhǔn)輸出電壓逡逑＝邋＋邋（２－８）逡逑２．１．２性能指標(biāo)逡逑１邋？溫度系數(shù)（ＴＣ邋（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ））逡逑溫度系數(shù)是衡量帶隙基準(zhǔn)電壓源中電路是否穩(wěn)定的重要指標(biāo)，即在一定的溫逡逑度范圍內(nèi)，帶隙基準(zhǔn)的輸出電壓的變化大小。單位為ｐｐｍ／°Ｃ邋（ｌｐｐｍｚｌＯ＂６），表逡逑示為溫度變化１°Ｃ時，對應(yīng)的基準(zhǔn)源輸出電壓變化量的百萬分比。溫度系數(shù)的計逡逑算公式如２－１１所示逡逑ＴＣ－—Ｖ７ｘ￣Ｖｍｍ、Ｘ１０６邋（ｐｐｍ／。。）邐（２－９）逡逑ｖｍｅａｎ（Ｔｍａｘ－ｒｍｉｎ）逡逑［（基準(zhǔn)電壓源輸出最大值－基準(zhǔn)電壓源輸出最小值）／（基準(zhǔn)電壓源輸出電壓平逡逑７逡逑

ｎ結(jié)二極管產(chǎn)生，，熱電壓Ｒ邋Ｋ邋＝Ａ７７ｇ邋），Ｒ與絕將呈負(fù)溫度系數(shù)的匕￡和呈正溫度系數(shù)的Ｒ進化的基準(zhǔn)輸出電壓逡逑＋邋（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ））逡逑量帶隙基準(zhǔn)電壓源中電路是否穩(wěn)定的重要指標(biāo)，準(zhǔn)的輸出電壓的變化大小。單位為ｐｐｍ／°Ｃ邋（ｌｐ時，對應(yīng)的基準(zhǔn)源輸出電壓變化量的百萬分比。示逡逑ｘ￣Ｖｍｍ、Ｘ１０６邋（ｐｐｍ／。。）ｍａｘ－ｒｍｉｎ）逡逑
【學(xué)位授予單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN432;O572.212

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本文編號：2628251