Estudo de falhas transientes e técnicas de tolerância a falhas em conversores de dados do tipo SAR baseados em redistribuição de carga

Abstract

Conversores A/D do tipo aproximações sucessivas (SAR) baseados em redistribuição de carga são frequentemente utilizados em aplicações envolvendo a aquisição de sinais, principalmente as que exigem um baixo consumo de área e energia e boa velocidade de conversão. Esta topologia está presente em diversos dispositivos programáveis comerciais, como também em circuitos integrados de propósito geral. Tais dispositivos, quando expostos a ambientes suscetíveis a radiação, como é o caso de aplicações espaciais, estão sujeitos à colisão com partículas capazes de ionizar o silício. Estes podem causar falhas temporárias, como um efeito transiente, uma inversão de bit em um elemento de memória, ou até mesmo danos permanentes no circuito. Este trabalho visa descrever o comportamento do conversor SAR baseado em redistribuição de carga após a ocorrência de efeitos transientes causados por radiação, por meio de simulação SPICE. Tais efeitos podem causar falhas nos componentes da topologia: chaves, lógica de controle e comparador. Estes são propagados por todo o estágio de conversão, devido à sua característica sequencial de conversão. Por fim, uma discussão sobre as possíveis técnicas de mitigação de falhas para esta topologia é apresentada.

Successive Approximation Register (SAR) Analog to Digital Converters (ADCs) based on charge redistribution are frequently used in data acquisition systems, especially those requiring low power and low area, and good conversion speed. This topology is present on several mixed-signal programmable devices. These devices, when exposed to harsh environments, such as radiation, which is the case for space applications, are prone to Single Event Effects (SEEs). These effects may cause temporary failures, such as transient effects or memory upsets or even permanent failures on the circuit. This work presents the behavior of this type of converter after the occurrence of a transient fault on the circuit, by means of SPICE simulations. These transient faults may cause an inversion on the conversion due to a transient on the control logic of the switches, or a charge or discharge of the capacitors when a transient occur on the switches, as well as a failure on the comparator, which may propagate to the remainder stages of conversion, due to the sequential nature of the converter. A discussion about the possible fault mitigation techniques is also presented.