De geïntegreerde op tijd-Gebaseerde Kringen van de Signaalverwerking voor Ruwe Stralingsmilieu's

Dit onderzoek richt zich voornamelijk op het ontwerp en de implementatie van nieuwe architecturen voor geïntegreerde gegevensomzetters op basis van tijdgebaseerde signaalverwerking voor toepassingen die een hoge mate van betrouwbaarheid vereisen in ruwe stralingsomgevingen. De stralingsbestendige geïntegreerde schakelingen (IC's) zijn ontworpen met het oog op een hoge stralingstolerantie, waardoor ze ideaal zijn voor experimenten met hoge energiefysica (HEP), vitale langetermijnmissies in de ruimte en toekomstige kerncentrales. Gemengde signaalinterfaces, zoals sensoruitlezingen (resistief, capacitief, enz.) en klokinterfaces, zijn integrale onderdelen van een aantal van dergelijke missiekritische toepassingen, en hun betrouwbare werking moet worden gegarandeerd. Langdurige blootstelling aan ioniserende straling veroorzaakt effecten van de totale ioniserende dosis (TID), die geleidelijk de drempelspanning, de mobiliteit van de ladingsdragers en de lekstroom van complementaire metaaloxidehalfgeleiders (CMOS-transistors) veranderen, en daardoor de prestaties van analoge en digitale schakelingen beïnvloeden. Single event effecten (SEE's) zijn kortstondige storingen gegenereerd door ladingafzetting in silicium (Si) wanneer een geladen deeltje een gevoelig knooppunt raakt. Bij typische spannings- of stroomgebaseerde signaalverwerking bestaan de analoog-digitaalomzetters (ADC's) uit meerdere spanningsversterkers, integratoren en comparatoren, waarvan de prestaties ernstig worden aangetast door TID. Hoewel TID-effecten kunnen worden beperkt door kleinere technologieknooppunten (dunne gate-oxiden) te gebruiken, neemt het effect van SEE's aanzienlijk toe. In geschaalde CMOS-technologieën zijn tijdgebaseerde schakelingen relatief goed bestand tegen TID. Ook maken tijdgebaseerde technieken het in moeilijke stralingsomgevingen eenvoudiger om SEE's te bestrijden door gebruik te maken van stralingsbestendige ontwerptechnieken (RHBD) (meerderheidskiezers, functionele redundantie, C-element, enz.). De synergie tussen geschaalde technologieën en RHBD-technieken is gunstig voor tijdgebaseerde signaalverwerking ten opzichte van signaalverwerking in het spanningsdomein.

Als onderdeel van dit promotieonderzoek werden drie op CMOS gebaseerde IC-prototypes geïmplementeerd in 65-nm CMOS-technologie en vervolgens getest voor prestatievalidatie en verificatie van de voorgestelde werkingsprincipes. In het eerste experiment werden twee verschillende types kwadratuur LC-oscillatoren geïmplementeerd. Röntgenbestraling tot 100 Mrad (= 1 MGy) werd gebruikt om de gevoeligheid van verschillende prestatieparameters van het prototype met betrekking tot TID te bestuderen. Vervolgens werd een stralingsbestendige tijdsgebaseerde ΣΔ capaciteit-digitaalomzetter (CDC) op basis van de MASH 1-0 configuratie geïmplementeerd. De prototypes werden experimenteel gevalideerd zowel in afwezigheid van straling als in aanwezigheid van blootstelling aan zware ionen (Xe-ion met LET van 65 MeV.cm2/mg). De CDC's konden capaciteit meten in het bereik van 0-3,75 pF bij 100 MHz met een ENOB van 12,9 bits. In het laatste project werd een differentiële ΣΔ time-to-digital converter (TDC) met een Trange van 98 ns geïmplementeerd. Deze bereikt 1e, 2e en 3e orde van ΣΔ-modulatie met behulp van een configureerbaar tijdgebaseerd FIR-filter in terugkoppeling.  Bovendien werd het doctoraatsonderzoek gevaloriseerd door samen met een industriële partner een stralingsbestendige frequentiesynthesizer te ontwikkelen. Tijdens de valorisatie van het onderzoek werden verschillende stralingsbestendige componenten (een digitaal gestuurde oscillator, een multimodulusdeler en uitgangsbuffers) van een volledig digitale fasevergrendelde lus (ADPLL) geïmplementeerd en gekarakteriseerd in verschillende stralingsomstandigheden (TID, SEE en SEL).