论文题目：磁耦数字隔离器的设计及其抗辐照性能研究
摘要：近年来,随着生产力和科技的不断发展,工业自动化控制、电网传输、医疗电子和汽车电子等领域中面临着共模干扰、参考地偏差、长距离传输的噪声干扰、高低电压域之间信号传输等诸多安全性和可靠性方面的问题,数字隔离器可以实现信号的隔离传输,满足行业发展的迫切需求。基于MEMS技术,在硅衬底上制造片上微型变压器成为可能,辅以专用的信号编解码和功率传输电路,单片集成的磁耦数字隔离器成为业内的热门研究方向。此外,随着国防力量的增强,国防装备对电子系统的功能参数和可靠性指标越来越高。尤其是在航空航天领域,工作在辐射环境中的微电子器件容易受到宇宙中的高能质子、中子、重离子和高能粒子的影响,威胁电子设备的可靠性和工作寿命。因此,研究具有抗辐射能力的基于片上微型变压器的数字隔离器具有重要意义。针对基于片上微型变压器的磁耦数字隔离器,本文设计了一种匹配的编解码技术,采用二进制启闭键控的调制方式,编码发送电路将输入方波信号调制为跟随输入信号变化的非连续的振荡信号,接收解码电路将调制信号恢复为初始输入信号。此外,针对传统二进制启闭键控调制方式中存在的常高电平传输功耗过大、电磁干扰（EMI）、输出驱动能力随供电电压变化等问题,本文设计了相应的电路模块以优化或避免这些问题。在完成磁耦数字隔离器设计的基础上,本文针对其中的组合逻辑和时序逻辑,在电路结构和版图层面设计了相应的抗辐射标准单元,对数字隔离器进行抗辐射加固。本文基于HHGRACE0.18μm BCD工艺,采用片上微型变压器的隔离方案,设计了一款抗辐射加固的磁耦数字隔离器,该数字隔离器具有四个相互独立的隔离数据通路,能够在温度范围-40℃～120℃之内,供电电压范围2.5V～5V之内,隔离传输数据率在DC～80Mbps范围内的数字信号,其抗辐射标准单元可以抵抗LET值为20 Mev·cm2/mg的粒子轰击所等效的电流脉冲干扰。
关键词：磁耦数字隔离器;二进制启闭键控;片上微型变压器;频率扩展;抗辐射标准单元
学科专业：工程硕士（专业学位）
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究工作的背景与意义
1.2 数字隔离器的发展历史与现状
1.3 本文的主要贡献与创新
1.4 本论文的结构安排
第二章 数字隔离器的通信原理及其辐射效应
2.1 数字隔离器的工作原理
2.1.1 主要的数字信号隔离方案
2.1.2 片上变压器
2.1.3 数字隔离器的调制原理
2.2 太空中的辐射效应和器件的损伤机理
2.2.1 总剂量辐射效应
2.2.2 单粒子辐射效应
2.3 抗辐射加固技术
2.3.1 工艺加固
2.3.2 系统架构级加固
2.3.3 版图加固
2.3.4 电路设计加固
2.4 本章小结
第三章 磁耦数字隔离器的电路设计
3.1 数字隔离器的整体架构
3.2 发送编码电路的设计
3.2.1 电平转换电路的设计
3.2.2 发送编码主体电路的设计
3.2.3 仿真验证
3.3 接收解码电路的设计
3.3.1 差分信号检测电路的设计
3.3.2 输出驱动电路的设计
3.3.3 仿真验证
3.4 本章小结
第四章 数字隔离器的抗辐射加固设计
4.1 单粒子效应模型
4.2 组合逻辑的抗辐射加固
4.3 时序逻辑的抗辐射加固
4.4 抗辐射标准单元的版图加固
4.5 本章小结
第五章 磁耦数字隔离器的顶层电路仿真
5.1 未加固数字隔离器的顶层电路仿真
5.1.1 数据传输速率
5.1.2 功耗
5.1.3 延时参数
5.2 抗辐射加固的数字隔离器的顶层电路仿真
5.2.1 数据传输速率
5.2.2 功耗
5.2.3 延时参数
5.3 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
致谢
参考文献