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Tesis:

Contribution to the Design and Implementation of Rad-Hard Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters

  • Autor: PUN GARCÍA, Ernesto

  • Título: Contribution to the Design and Implementation of Rad-Hard Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters

  • Fecha: 2024

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION

  • Departamentos: INGENIERIA ELECTRONICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80593/

  • Director/a 1º: LÓPEZ VALLEJO, María Luisa

  • Resumen: Several hi-rel applications demand analog-to-digital converters (ADCs) that operate in harsh radiation and extreme temperature environments. The lack of ADCs that simultaneously meet demanding electrical performance and radiation hardness specifications allows the use of commercial off-the-shelf (COTS) components for hi-rel applications. This research explores specific Delta-Sigma ADC architectures that provide additional radiation tolerance with minimal impact on the overall electrical performance. Thus, COTS and intellectual-property cores using these architectures justify their suitability for applications in radiation environments. Radiation hardened Delta-Sigma ADCs currently target low-frequency high-resolution applications. This work proposes to go beyond this classical approach, widening the band of interest without sacrificing either the effective resolution or the radiation hardness, and targeting low-power, reduced-area implementations with circuit structures suitable for migration to smaller nodes. The first contribution is a thorough study of the state of the art of ADCs operating in radiation environments, for which we have devised two figures of merit, FOM_TID and FOM_SET, which allow us to evaluate the energy efficiency of these ADCs taking into account their performance under radiation. In the second contribution, we have reviewed and compared the Noise-Shaped Integrating Quantizer (NSIQ) with several alternatives in order to determine the most efficient existing techniques, enhance its advantages and reduce its drawbacks. On this basis, we have implemented a prototype NSIQ for high-speed applications with two proposed improvements that reduce power consumption and relax the requirements of the building blocks. These improvements are compatible with existing techniques and provide additional degrees of freedom to increase the efficiency of the NSIQ. In addition, the implemented circuit does not require any current from either the input or the voltage references. The third contribution is the Second-order Noise-shaped Integrating Quantizer (NS2IQ), which is based on a 1-1 MASH structure of two NSIQs sharing the delay locked loop (DLL). Although it requires a few more phases than the DLL of a single NSIQ, the area and power savings are significant. Finally, the fourth contribution is the hardening of the NS2IQ against radiation with the requirements of three standard space missions with different orbits and durations. To evaluate the performance obtained, in addition to the classical figures of merit, we have used FOM_TID and FOM_SET, obtaining results above the state of the art of ADCs designed for space applications. To validate the contributions, two test chip prototypes were designed, fabricated and characterized (electrically and under irradiation), one dedicated to the NSIQ and another to the NS2IQ. Neither test chip showed any degradation due to ionizing radiation. During the heavy ion test campaign, no latch-up events were detected in either test chip, even at the maximum linear energy transfer tested of 52.5 mega electron volts times square centimeter per milligram and 90 degrees Celsius temperature. In addition, measurements after the heavy ion test campaign (similar to pre-irradiation measurements) showed no evidence of displacement damage in either test chip. To evaluate the compliance of the soft error hardening, the characterization results of the identified soft errors were contextualized within standard space missions and met the reliability requirements for all three cases. To evaluate the power efficiency of the soft-error hardening, FOM_TID and FOM_SET were calculated and compared to the state of the art, demonstrating that the NS2IQ prototype can be considered one of the most efficient ADC designs for radiation operation to date. RESUMEN Varias aplicaciones que requieren alta fiabilidad necesitan convertidores de datos analógico-digitales (ADCs) que operen en ambientes radiados con temperaturas extremas. La falta de ADCs que cumplan al mismo tiempo especificaciones exigentes de rendimiento eléctrico y resistencia a la radiación permite usar componentes comerciales (COTS) en aplicaciones de alta fiabilidad. Esta investigación explora arquitecturas de ADC Delta-Sigma que ofrecen tolerancia adicional a la radiación con mínimo impacto en el rendimiento eléctrico. De esta forma, los COTS y los diseños protegidos por propiedad intelectual que utilicen estas arquitecturas justificarían su uso en ambientes radiados. Actualmente, los ADC Delta-Sigma endurecidos frente a radiación se enfocan en aplicaciones de alta resolución y baja frecuencia. Esta tesis propone ir más allá de este enfoque clásico, ampliando el ancho de banda sin descuidar ni la resolución efectiva ni la resistencia a la radiación, teniendo como objetivo implementaciones de bajo consumo y área reducida basadas en estructuras de circuitos adecuadas para ser migradas a nodos más pequeños. La primera contribución es un estudio exhaustivo del estado de la técnica de ADCs funcionales bajo radiación, para los cuales se han ideado dos figuras de mérito, FOM_TID y FOM_SET, que permiten evaluar su eficiencia energética teniendo en cuenta las prestaciones bajo radiación. En la segunda contribución, se ha implementado un prototipo de NSIQ para aplicaciones de alta velocidad con dos mejoras que reducen el consumo de energía y la velocidad necesaria de los bloques. Estas mejoras son compatibles con técnicas existentes utilizadas para el NSIQ y proporcionan grados adicionales de libertad para mejorar su eficiencia. Además, el circuito implementado no requiere corriente de ninguna de las referencias de tensión ni de la entrada. La tercera contribución es el cuantificador integrador con conformado de ruido de segundo orden (NS2IQ), que se basa en una estructura 1-1 de conformado de ruido multietapa con dos NSIQs en cascada que comparten el DLL (circuito de retardo de lazo controlado, por sus siglas en inglés). A pesar de requerir algunas fases más que el DLL de un NSIQ simple, el ahorro en área y consumo son significativos. Finalmente, la cuarta contribución es el endurecimiento del NS2IQ frente a la radiación esperada en tres misiones espaciales diferentes. Para evaluar el rendimiento obtenido, además de las figuras de mérito clásicas, se han utilizado la FOM$_TID y la FOM_SET, obteniendo resultados por encima del estado de la técnica de los ADCs evaluados en la primera contribución. Para validar las contribuciones, se ha diseñado, fabricado y caracterizado (eléctricamente y bajo irradiación) dos chips prototipo, uno para dedicado al NSIQ y otro al NS2IQ. Ninguno de los dos mostró degradación debida a la radiación ionizante. Durante la campaña de pruebas bajo iones pesados, no se detectaron eventos de enclavamiento destructivo en ninguno de los chips, ni siquiera para la LET máxima probada de 52.5 mega electrón-voltios centímetros cuadrados por miligramo y para una temperatura de 90 grados Celsius. Además, las mediciones realizadas tras la campaña de pruebas bajo iones pesados (similares a las mediciones previas a la irradiación) no mostraron indicios de daños por desplazamiento. Para evaluar el cumplimiento del endurecimiento frente a errores leves, los resultados de caracterización se contextualizaron dentro de tres casos de misión estándar, cumpliéndose los requisitos de fiabilidad en los tres casos. Finalmente, para evaluar la eficiencia energética del endurecimiento frente a errores blandos, se calcularon las FOM_TID y FOM_SET de los prototipos y se compararon con el estado de la técnica, demostrando que el prototipo de NS2IQ puede considerarse uno de los ADC diseñados hasta la fecha más eficientes para su operación bajo radiación.