【摘要】：現(xiàn)代高能物理實(shí)驗(yàn)的頂點(diǎn)探測器的功耗和散熱逐漸成為在頂點(diǎn)探測器芯片設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素。提高頂點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致頂點(diǎn)探測器芯片模塊工作點(diǎn)和偏置電壓的漂移。一個(gè)可以在高溫下穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源可以為頂點(diǎn)探測器芯片上的各個(gè)模塊提供穩(wěn)定的參考,是設(shè)計(jì)高溫下工作的頂點(diǎn)探測器芯片的重要前提條件。MIC4芯片是為CEPC對撞機(jī)頂點(diǎn)探測器預(yù)研項(xiàng)目設(shè)計(jì)的像素探測器芯片。考慮到未來CEPC頂點(diǎn)探測器對功耗和散熱的要求,本文為其設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)探測器MIC4芯片中的帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)�；趖owerjazz 0.18μm工藝下,設(shè)計(jì)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(jìn)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(bǔ)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(huì)導(dǎo)致基準(zhǔn)源達(dá)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(jìn)行一定的修改,使本論文中的帶隙基準(zhǔn)源能夠達(dá)到比傳統(tǒng)的采用多階曲率補(bǔ)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(shí),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(diǎn)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(diǎn)探測器MIC4芯片的要求,并且在測試溫度為150℃時(shí),帶隙基準(zhǔn)源仍然能正常工作,此次設(shè)計(jì)可以為下一代芯片的帶隙基準(zhǔn)源在高溫下的設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)，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(jì)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(jìn)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(shí)，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