DAC芯片抗辐照多电压模式放大器设计

摘要

数模转换器作为模拟与数字信号间沟通的桥梁在如今航天行业的各类设备系统中具有十分重要的地位，运算放大器又作为DAC中的重要模块，其性能的优劣事关DAC芯片的性能甚至会影响到整个系统的功能。为了确保电子系统的稳定工作，对于空间环境中会对电子设备产生不同负面影响的各类辐照效应的机理研究就显得尤为重要，通过深入的理论学习，针对不同辐照效应进行研究，设计具有抗辐照性能可以在空间环境中稳定工作的运算放大器电路对于航空事业的发展是非常有意义的，本文设计分析了在DAC芯片中具有抗辐照性能可在多电压模式下工作的运算放大器，主要完成了以下几方面的研究： 首先，详细深入地分析了总剂量辐照效应产生的机理以及它们对电子系统造成的负面影响，结合损伤原理与在三种供电条件下(±15V，±5V，0~5V)工作的DAC对运放电路性能的要求，我们采用LDMOS器件(东部Dongbu HiTek BCD0.18μm工艺)，因其在同等耐压条件下其栅氧层厚度更薄，使得器件对总剂量辐照条件下的阈值电压漂移等问题并不敏感，并且LDMOS漏端有特殊掺杂产生的高阻区，便可以达到抗总剂量辐照100Krad与耐高压工作(±15V)的设计要求。 其次，就运放的性能参数之间的折衷关系与运放结构及其特征展开了详细地研究，依据运放结构特点并结合运放工作原理针对运放设计指标的要求提出了整体电路的设计实现方案。第一级以增益为主要目的采用折叠共源共栅差分结构，差分管选择较NMOS管有更好噪声效应的PMOS，且该结构不会导致输入共模受下限。第二级为了再进行增益的提升使用共源增益放大级，并配合米勒电容和与其串联的共漏级结构进行电路的频率补偿。第三级作为提供驱动能力的输出级，采用了推挽互补共漏的AB类结构来驱动RL=2KΩ，CL=100pF的小负载大电容。且为满足输出范围完全跟随输入范围的要求，在输出级前加入了电平移动结构，考虑整体面积大小的因素下，在偏置级采用了简单与电源无关的偏置源结构去为整体电路提供偏置电流并使用电流镜结构使运放整体偏置在一个合适的静态工作点处，使得在三种不同供电条件下运放电路都有一适合的工作状态，然后依照电路设计结构完成运算放大器的版图设计。 最后，采用Dongbu HiTek BCD0.18μm工艺的LDMOS器件在Cadence软件所提供的ADE仿真环境下进行电路的仿真工作。电路仿真后对选取的LDMOS器件在TCAD软件中进行抗总剂量100Krads的辐照仿真，并基于仿真分析其结果，提取出LDMOS器件N管与P管因在100Krads辐照环境下工作而发生了改变的阈值电压等参数，在电路仿真软件中使用辐照后的器件参数进行仿真，模拟整体电路在100Krads辐照环境下的工作情况，与没有在辐照环境下的电路仿真结果进行对比，证明电路具有抗总剂量辐照性能。由仿真结果表明，在三种电源电压供电(±15V，±5V，0~5V)并带小电阻RL=2KΩ和大电容CL=100pF负载的情况下，各工艺角模型下运放的增益在100dB左右可以有效降低系统误差，相位裕度最低值为62°可以保证电路稳定工作，建立时间与压摆率完全符合DAC芯片100KHz的采样频率要求，共模抑制比在130dB左右，各供电下的失调电压都分别小于DAC的一个LSB，满足芯片精度要求，实现了支持12位高压抗辐照DAC芯片正常工作的要求。

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