高能物理实验高速光纤驱动器asic芯片设计

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1、中国料孽敢求犬誊博士学位论文懋幽高能物理实验高速光纤驱动器ASIC芯片设计作者姓名学科专业导师姓名完成时间梁福田物理电子学垒蔓塑塑二O一三年五月IIllllllrllllll[MIlllllllUlllllllllllUlllllY2354580UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctordegreeStudyonHighSpeedOpto-driverASICforHighEnergyPhysicsAuthor：Speciality：Supervisor：FinishedTimePhys

2、icalElectronicsProf．GeJinMay,2013中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：丝!多：堑)[中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学

3、位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。呵公开口保密——年作者签名：姚导师签摘要摘要高能物理实验的电子学设备很多都安装在探测器附近，实验所产生的大量粒子及辐照严重影响周围电子学设备的正常工作。ATLAS探测器是高能物理实验LHC的一个重要部分，其所有的电子学设备都有抗辐照需求。在商业产品无法满足抗辐照要求的情况下，相应的抗辐照专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，

4、ASIC)芯片设计就成了探测器设计的一个重要方向。千兆光收发器(Gi．gaBitTransceiver，GBT)是欧洲核子研究中心(CERN)采用0．13脚CMOS工艺设计的一系列抗辐照光纤通信芯片，是目前最快最好的抗辐照光纤通信芯片，理论通信速率达到5Gbps。而ATLAS探测器液氩量能器光纤链的升级已经战略性的将速度指标提升到8Gbps，GBT的系列芯片不能满足需求，光纤链升级出现重要功能芯片的缺口。本论文以ATLAS探测器液氩量能器光纤链升级为出发点，选取其中光输出器件——垂直腔面发射激光器(VCSEL)的驱动器芯片作为切入点，进行了一系列VCSEL驱动器芯片

5、的设计以满足光纤链升级的抗辐照和速度需求。本文首先阐述了粒子辐照与半导体器件的作用机制和影响分类，给出了常见的辐照加固手段，并最终确定采用某商用O．25弘m蓝宝石上的硅(SilicononSapphire，sos)CMOS工艺作为抗粒子辐照方案。随后，本文给出了理论数据传输高达8Gbps的抗辐照VCSEL驱动器LOCld和VCSEL阵列驱动器LOCld4的设计与实现和相应的数字化控制升级设计。为克服0．25脚SOSCMOS工艺带来的速度限制，驱动器设计中采用了多种带宽扩展的方法。其中采用全CMOS晶体管设计的有源电感并联峰化结构是带宽扩展的核心技术，其不仅峰化效果好

6、、占用面积小、峰化强度可调，还可以克服工艺角不确定性和温度变化带来的影响。初步的测试表明，LOCld设计中所采用的带宽扩展技术功能正常。在设计目标的8Gbps数据率下，示波器光接收模块上得到的传输总抖动小于30ps，且在10Gbps数据率、10_12的误码率标准下可以通过长时间误码率测试(15小时，误码率1．11×10—14)。LOCld的设计非常成功，相应指标超过设计预期，远超GBT中VCSEL驱动器GBLD的速度指标。本文还率先采用SMIC65nnlCMOS工艺进行了10GbpsVCSEL及阵列驱动器的设计。65nmCMOS的超薄栅极氧化层为抗辐照提供了保证，且

7、驱动器的较大晶体管面积也增强了抗辐照性能。初步测试结果显示设计功能是成功的，中国科学技术大学博士论文待经过更详细的抗辐照测试证实其抗辐照性能，该设计将成为首款采用65nl"nCMOS工艺设计的高速抗辐照芯片，为65ninCMOS工艺在抗辐照芯片设计领域的应用开启先河。另外，利用数字电路时钟抖动和亚稳态技术，本文还实现了一款数据产生率高达1Gbps的真随机数产生器。经初步测试，该设计的随机数产生机理工作正常，有随机性输出。再经过后期的真随机数质：j

8、{=统计测试后，该真随机数发生器将成为目前数据产生率最高的真随机数发生器。本论文的创新点主要表现在如下几个方面：1．