Diseño CMOS de sistemas de front-end para instrumentación ambiental en Marte

En este trabajo de tesis se presenta el diseño y proceso de cualificación para espacio del ASIC de señal mixta que integrará la electrónica de front-end del magnetómetro digital triaxial MOURA en una tecnología CMOS estándar de 0.35 µm. Este instrumento formará parte de la carga útil de la misión Mars MetNet Precursor con el objetivo de realizar medidas precisas de la dirección e intensidad del campo magnético en la superficie de Marte. Los estrictos requisitos en términos de masa (~80 g), volumen (~150 x 30 x 15 mm) y potencia (< 0.5 W) para este instrumento, no sólo implican la necesidad de integrar en un ASIC la electrónica de front-end, sino que también condicionan en gran medida el tipo de sensor a emplear. Por este motivo, en este trabajo se propone un diseño basado en sensores de magnetorresistencia anisotrópica (AMR) como alternativa al uso de magnetómetros fluxgate, los cuales han sido tradicionalmente la solución más empleada para la medida de campos magnéticos en aplicaciones espaciales. El empleo de una tecnología CMOS estándar en lugar de los procesos tecnológicos específicos para espacio permite, entre otras ventajas, reducir de forma significativa los costes y los tiempos de desarrollo. Como contrapartida, ha sido necesario hacer frente a algunos inconvenientes, principalmente focalizados en el hecho de que las tecnologías CMOS no están, en general, cualificadas ni caracterizadas para operar en entornos espaciales, y principalmente en términos de radiación y temperatura. En este sentido, ha surgido, esencialmente durante la última década, el concepto denominado Radiation Hardening By Design (RHBD), consistente en un conjunto de técnicas de diseño de circuitos integrados en procesos tecnológicos estándar, que son aplicadas a nivel eléctrico y físico, y que están orientadas a aumentar el grado de resistencia a la radiación. Dentro de este ámbito, el ASIC de señal mixta objeto de este trabajo utiliza una arquitectura orientada a maximizar las prestaciones de los sensores AMR, especialmente en lo referente a linealidad y estabilidad con la temperatura, y con el objetivo de alcanzar niveles de precisión del orden de los 3 nT en un rango de medida de hasta ±100 µT. Con respecto a las condiciones extremas de operación, y con objeto de que el ASIC no sólo permanezca funcional, sino que además sus prestaciones se mantengan estables durante todo el ciclo de vida útil, se han aplicado diversas técnicas RHBD a lo largo de todo el flujo de diseño, desde el nivel de arquitectura hasta el nivel de layout. Esto ha requerido, por un lado, la evaluación, para el caso concreto de la tecnología CMOS seleccionada, de la eficiencia de las técnicas RHBD ya existentes y, por otro, la aportación de nuevas técnicas RHBD principalmente orientadas a la implementación de topologías robustas a nivel de circuito. A grandes rasgos, la electrónica de front-end diseñada incluye 6 canales de adquisición para llevar a cabo medidas precisas, con resoluciones de hasta 16 bits, de señales procedentes de sensores. Tres de estos canales se emplearán para las medidas de campo magnético, mientras que los otros tres restantes se utilizarán para aplicaciones adicionales, como por ejemplo, medidas de orientación gravitacional mediante el uso de acelerómetros. El ASIC también incorpora un sistema para el acondicionamiento de los sensores AMR en su zona óptima de operación, junto con otro sistema para monitorizar su temperatura, así como también la del propio ASIC, además de otras funcionalidades orientadas a la calibración y la detección de errores. Por otro lado, el ASIC ha sido diseñado con un grado muy alto de configurabilidad, de forma que pueda adaptarse, como si de un sistema estándar se tratara, a muchas de las necesidades actuales en instrumentación espacial que requieren una solución compacta y robusta para la implementación de sistemas de adquisición y acondicionamiento de señales de banda base procedentes de sensores. Esto permitirá reducir en gran medida los costes y los tiempos de diseño, de desarrollo y de testado de aplicaciones similares, suponiendo además un incremento en la fiabilidad de las mismas. Los resultados experimentales obtenidos durante la cualificación del ASIC en un rango extendido de temperaturas, así como frente a la radiación, con una robustez frente a la dosis total de ionización (TID) por encima de 300 krad, y una tasa de error estimada para el ASIC completo del orden de 0.1 errores/año, permiten confirmar no sólo el cumplimiento de las especificaciones para el instrumento MOURA, sino también asegurar que las topologías propuestas, en combinación con el resto de técnicas aplicadas en el proceso CMOS seleccionado, son lo suficientemente robustas como para asegurar unos niveles muy altos de fiabilidad y de estabilidad en las prestaciones, resultando en una solución óptima para su empleo en entornos con condiciones extremas de radiación y temperatura, incluyendo también misiones espaciales de larga duración

Four-channel self-compensating single-slope ADC for space environments

A multichannel high-resolution single-slope analogue-to-digital converter (SS ADC) is presented that automatically compensates for process, voltage and temperature variations, as well as for radiation effects, in order to be used in extreme environmental conditions. The design combines an efficient implementation by using a feedback loop that ensures an inherently monotonic and very accurate ramp generation, with high levels of configurability in terms of resolution and conversion rate, as well as input voltage range. The SS ADC was designed in a standard 0.35 μm CMOS technology. Experimental measurements of the performance and stability against radiation and temperature are presented to verify the proposed approach

A Front-End ASIC for a 3-D Magnetometer for Space Applications by Using Anisotropic Magnetoresistors

This paper presents an application-specific integrated circuit (ASIC) aimed for an alternative design of a digital 3-D magnetometer for space applications, with a significant reduction in mass and volume while maintaining a high sensitivity. The proposed system uses magnetic field sensors based on anisotropic magnetoresistances and a rad-hard mixed-signal ASIC designed in a standard 0.35 μm CMOS technology. The ASIC performs sensor-signal conditioning and analogue-to-digital conversion, and handles calibration tasks, system configuration, and communication with the outside. The proposed system provides high sensitivity to low magnetic fields, down to 3 nT, while offering a small and reliable solution under extreme environmental conditions in terms of radiation and temperature.Ministerio de Ciencia e Innovación AYA2011-29967-C05-05, AYA2009-14212-C05-04, AYA2008-06420-C04-0

OWLs: A mixed-signal ASIC for optical wire-less links in space instruments

This paper describes the design of a mixed-signal ASIC for space application and the techniques employed for radiation hardening and temperature effects compensation. The work is part of a planned long-term effort and collaboration between "Instituto de Microelectrónica de Sevilla (IMSE)", "Universidad de Sevilla (US)", and "Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA)" aimed to consolidate a group of experienced mixed-signal space-ASIC designers. The initiative is partially funded by the Spanish National Research Program. The ASIC performs the function of an optical digital transceiver for diffuse-light intra-satellite optical communications. It has been designed in a 0.35μm CMOS technology from austriamicrosystems (ams). The chip has been manufactured and verified from a functional perspective. Radiation characterization is planned for the third quarter of 2012. Power- and temperature-stress tests, as well as life-tests are also planned for this next quarter, and will be carried out by Alter Technology TÜV Nord S.A.U. Given the previous characterization of the technology [1] and the hardening techniques employed in the design and layout, radiation is not expected to be a problem. The specified environmental limits are a pedestal hard limit of 50KRads with the goal of maximizing TID tolerance, SEU and SET LET-thresholds above 70MeV/(mg/cm2), and latchup free behavior up to the same LET limit. Concerning temperature, the specified operation range is from -90 to +125ºC, while the non-operating temperature range is from -135 to +150ºC.Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN) MEIGA AYA2009-14212-C05-04, AYA2008-06420-C04-0