Efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs) e técnicas de proteção

Abstract

Este trabalho estuda os efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs, do inglês, Field Programmable Analog Arrays) e técnicas de proteção que podem ser aplicadas para mitigar tais efeitos. Circuitos operando no espaço ou em altitudes elevadas, como, por exemplo, em satélites e aeronaves, recebem doses de radiação e impacto de íons e outras partículas que, dependendo da altitude e de características do próprio circuito, podem afetar o seu correto funcionamento. Os FPAAs proporcionam características interessantes aos sistemas analógicos e de sinal misto, como a prototipação rápida e a possibilidade de reconfiguração dinâmica (permitindo a implementação de sistemas de instrumentação e controle adaptativos). Assim, os FPAAs podem ser atrativos aos projetistas de sistemas de aplicação espacial, uma vez que a utilização de componentes comerciais, (COTS - do inglês, Commercial Off-The-Shelf), é uma alternativa para redução de custos do sistema final. Por isso, é necessário classificar estes dispositivos segundo o nível de tolerância à radiação e desenvolver técnicas de proteção contra seus efeitos. Essencialmente, é possível dividir os efeitos da radiação em dois principais grupos: efeitos de dose total ionizante ou TID (do inglês, Total Ionizing Dose) e os eventos singulares (Single Event Effects ou SEEs). Os dois principais eventos singulares que podem perturbar os FPAAs são investigados: os SETs (Single Event Transients) e os SEUs (Single Event Upsets). Os SETs podem gerar pulsos transientes em determinados nós do circuito, e, quando atingem o inversor de controle das portas de transmissão dos bancos de capacitores do dispositivo, podem ocasionar uma redistribuição de carga entre os capacitores do banco, afetando temporariamente o sinal que trafega pelo FPAA. Tais efeitos foram investigados através de simulações spice. Já os SEUs podem afetar os FPAAs que são baseados em memória do tipo SRAM. Para investigar tais efeitos foram realizados experimentos de injeção de falhas do tipo bit-flip (inversão de bit) no bitstream de programação de um FPAA baseado neste tipo de memória. Os experimentos mostraram que a inversão de um único bit pode ser catastrófica para o funcionamento do sistema. Posteriormente, um esquema self-checking (autoverificável) baseado em redundância foi proposto. Tal esquema foi construído com os recursos programáveis do FPAA e é capaz de recuperar os dados originais de programação do dispositivo se um erro for detectado. A capacidade do esquema proposto de detectar desvios funcionais no bloco sob teste e sua confiabilidade quando os seus próprios blocos são afetados por inversão de bits de memória, foram investigadas. Finalmente, os efeitos de dose total sobre dispositivos programáveis foram investigados através de um experimento prático, no qual um FPAA comercial foi bombardeado por radiação gama proveniente de uma fonte de Cobalto-60. Os resultados experimentais mostraramm que as chaves analógicas, que proporcionam a programabilidade do dispositivo, e seus circuitos de controle são os principais responsáveis por degradar o sinal processado pelo FPAA quando determinados níveis de dose total acumulada são atingidos.

In this work the radiation effects on Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) are studied and mitigation techniques are proposed. The main effects induced by radiation sources in electronic circuits operating in space and at high altitudes are SEU (Single Event Upset), SET (Single Event Transient) and TID (Total Ionizing Dose). FPAAs are programmable analog circuits that provide design flexibility and some interesting features for applications such as adaptive control and instrumentation and evolvable analog hardware. These features can be very useful in avionics and space applications, where the system environmental variables can vary significantly in few minutes, being necessary to re-calibrate the sensor conditioning circuits to correct errors or improve system performance, for example. Since the use of commercial off-the-shelf (COTS) components may reduce systems costs in such critical applications, it is very important to develop system-level mitigation techniques (to radiation effects), aiming the increasing of the reliability of commercial available devices (including FPAAs). Some FPAA models are based on SRAM memory cells, which make this kind of device vulnerable to SEU when employed in applications susceptible to radiation incidence. An SEU can affect the programming memory of the FPAA and change the device configuration, modifying the analog circuit behavior. In this work, fault injection experiments were performed in order to investigate the effects of SEU in a commercial FPAA by injecting bit-flips in the FPAA programming bitstream. Then, a self-checking scheme was proposed. This scheme, which is built with the FPAA available programming resources, is able to restore the original programming data if an error is detected. Fault injection was also performed to investigate the reliability of the checker when the bitstream section which controls its own blocks is corrupted due to an SEU. Results indicated a very low aliasing probability due to single faults in the checker (0.24%). Effects of SET were also studied, considering the disturbance of the switches (transmission gates) of the FPAA programmable capacitor banks. Spice simulations showed that transient pulses in the control circuit of the switches may lead to charge redistribution between the capacitors of the bank, affecting the voltage and current of the involved nodes. Finally, total ionizing dose (TID) effects were investigated by means of an irradiation experiment. In such experiment the FPAA was exposed to Cobalt-60 gamma radiation. The experimental results showed that the analog switches of the device as well as their control circuits are the main responsible for degradating the processed signal when certain radiation levels were achieved.