Projeto e Desenvolvimento de Circuito Comparador Tolerante a Radiação para Conversor AD do Tipo SAR

Abstract

Dentre os Conversores Analógico-Digital (ADC), uma das topologias mais populares é o SAR ADC (Sucessive Aproximation Register ADC), cuja velocidade, resolução e dissipação de potência atendem a uma ampla gama de aplicações. Estas aplicações podem englobar operação em ambientes adversos com presença de radiação ionizante, como estações espaciais, usinas nucleares, aceleradores de partículas e até aviões. Um dos componentes cuja resolução e funcionamento do conversor é fortemente dependente é o comparador. Este trabalho analisa a resposta de uma topologia de comparador diferencial vastamente utilizada a tanto efeitos transientes quanto efeitos cumulativos da exposição à radiação sem qualquer tentativa de mitigar estes efeitos. Outra versão do mesmo comparador com transistores modificados é desenvolvida para aprimorar a robustez do comparador através de um processo bem documentado, o que pode ser útil em projetos futuros. A robustez de ambos os circuitos é avaliada por simulação em Spectre/SPICE de efeitos transientes com injeção de falhas em nós críticos e com variação DC de tensão de limiar e correntes de fuga baseadas em medidas da literatura para o mesmo processo de fabricação sob radiação. Os resultados mostram que o projeto com transistores padrão é relativamente robusto a toma algumas considerações sobre os prós e contras da utilização de transistores modificados neste circuito, especialmente no que tange a efeitos de descasamento.

Among the Analog to Digital Converters (ADC), one of the most popular topologies is the Successive Approximation Register ADC, which speed, resolution and power consumption suits a wide range of applications. These applications may include operation in harsh environments with presence of ionizing radiation, such as space stations, nuclear plants, particle accelerators and even airplanes. One of the components from which the resolution and functionality of the converter is strongly dependent is the comparator. This work analyses the response of a widely used differential comparator topology to both transient and cumulative radiation effects without any trial to mitigate those radiation-induced effects. Another version of the same comparator with modified transistors is developed to improve the robustness of the comparator with a well documented process which may be useful for future projects. The robustness of both circuits are evaluated by the simulation in Spectre/SPICE of the transient effects with fault injection on critical nodes and DC variation of threshold voltage and leakage current based on measures from the literature for the same fabrication technology under radiation. The results show that the project with standard transistors is quite robust and take some considerations about pros and cons of the use of modified transistors in this circuit, especially when concerning to mismatch effects.