Ανάπτυξη ψηφιακών ηλεκτρονικών χαμηλής ισχύος, σε ολοκληρωμένα κυκλώματα μικτού σήματος για διαστημικές εφαρμογές

Abstract

The basic target of the present dissertation is the development and validation of design methodology for space applications’ digital circuits. The research followed three interrelated directions: (a) designing with emphasis on low power consumption, (b) designing for radiation hardening against total ionizing dose (TID) and single event (SEE) effects, and generally space environment effects on integrated circuits, and finally (c) developing for integrating digital and analogue circuits into mixed signal designs. The presented solutions include full custom design, in combination with the usage of automated tools in certain design steps to reduce development time.As case study, a digital communication protocol for space applications has been selected. The reason for this selection is its widespread usage. All systems need a communication interface with other systems, the central satellite CPU, or the down link to earth stations, in order to transfer telemetry and control data. The CAN protocol has been selected, as a complex protocol, which is nonetheless widely used in space missions, and which due to its complexity can patently demonstrate the usefulness of our approach. The implementation of CAN was integrated in a telemetry mixed signal IC.This dissertation presents initially the problems that constituted the field of research. Then it presents the methodology and its application to the case study. In parallel, simulation results and test results from chip measurements are given, to validate the suitability and correctness of our approach. The CAN protocol was developed and integrated in the ETM ASIC, a chip that retrieves essential telemetry data, fabricated at a 250 nm CMOS process, as part of an ESA European research project. We also developed test boards and software tools to facilitate the design, simulation and validation of the circuits.Through our research, we claim and prove that a combination of full-custom design and automated design tools can be fruitful, by targeting each of the two design approaches to the appropriate sub-systems, based on analysis of the specifications, the functionality and the possible benefits. The main criteria used to assess the methodology are low power consumption and radiation hardening. In parallel, we demonstrate the importance of further research on the development of tools that will accelerate the design procedure and reduce the amount of manual tasks, without deteriorating the performance of the result.

Ο βασικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και πιστοποίηση μιας μεθοδολογίας σχεδιασμού ψηφιακών κυκλωμάτων για διαστημικές εφαρμογές. Κινηθήκαμε ερευνητικά σε τρεις αλληλένδετες κατευθύνσεις: (α) σχεδιασμός με έμφαση στην χαμηλή κατανάλωση ισχύος, (β) σχεδιασμός για αντοχή στις επιδράσεις συσσωρευμένης ιονίζουσας ακτινοβολίας (TID) και μονού σωματιδίου (SEE) της διαστημικής ακτινοβολίας και γενικότερα στις επιδράσεις του διαστημικού περιβάλλοντος στα ολοκληρωμένα κυκλώματα, και (γ) ανάπτυξη μεθοδολογίας ενσωμάτωσης ψηφιακών και αναλογικών κυκλωμάτων για την δημιουργία κυκλωμάτων μικτού σήματος. Προβάλλονται ως λύσεις τεχνικές πλήρως εξειδικευμένου (full custom) σχεδιασμού σε συνδυασμό με την χρήση αυτοματοποιημένων εργαλείων σε συγκεκριμένα βήματα για τη μείωση του χρόνου ανάπτυξης.Ως μελέτη περίπτωσης επιλέχθηκε ένα ψηφιακό πρωτόκολλο επικοινωνίας για διαστημικές εφαρμογές. Οι λόγοι αυτής της επιλογής είχαν να κάνουν με την ευρεία χρήση του. Κάθε σύστημα χρειάζεται κάποιον τρόπο επικοινωνίας με άλλα συστήματα, με τον κεντρικό επεξεργαστή του δορυφόρου ή με την κατερχόμενη ζεύξη (down link) προς τον επίγειο σταθμό, τόσο για τη μεταφορά δεδομένων, όσο και για την μεταφορά σημάτων και εντολών ελέγχου. Επιλέχθηκε ένα πολύπλοκο πρωτόκολλο, το CAN, το οποίο ωστόσο χρησιμοποιείται εκτενώς στο διάστημα, και στο οποία τα οφέλη της προσέγγισής μας είναι πιο εμφανή και απαραίτητα λόγω της πολυπλοκότητάς τους. Η υλοποίηση αυτή ενσωματώθηκε σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα τηλεμετρίας μικτού σήματος.Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται αρχικά τα προβλήματα που αποτέλεσαν το πεδίο έρευνά μας. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η μεθοδολογία και η εφαρμογή της στις εκάστοτε περιπτώσεις που μελετήθηκαν. Παράλληλα, δίνονται αποτελέσματα προσομοιώσεων, αλλά και δοκιμών σε πραγματικό κύκλωμα, που πιστοποιούν την ορθότητα της προσέγγισης. Το πρωτόκολλο CAN αναπτύχθηκε και ενσωματώθηκε στο ολοκληρωμένο κύκλωμα ΕΤΜ, ένα ASIC ανάκτησης δεδομένων βασικής τηλεμετρίας σε τεχνολογία CMOS 250 nm, ως μέρος ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος της ESA. Αναπτύχθηκαν επίσης διατάξεις δοκιμών, καθώς και εργαλεία λογισμικού για το σχεδιασμό, την προσομοίωση και την πιστοποίηση κυκλωμάτων.Μέσα από την έρευνά μας υποστηρίζουμε και αποδεικνύουμε ότι ένας συνδυασμός full-custom σχεδιασμού, με αυτοματοποιημένα εργαλεία σχεδιασμού μπορεί να αποδώσει, στοχεύοντας με τον καθένα από τους δύο τρόπους σχεδιασμού στα κατάλληλα υπό-συστήματα, με βάση μια ανάλυση των προδιαγραφών, της λειτουργίας και των δυνατών ωφελειών. Ως κύρια κριτήρια αξιολόγησης της μεθοδολογίας τίθενται η χαμηλή κατανάλωση ισχύος και η αντοχή στις επιδράσεις ακτινοβολίας. Παράλληλα, καταδεικνύεται η σημασία περαιτέρω ερευνητικής εργασίας για την ανάπτυξη εργαλείων που θα επιταχύνουν αυτή τη διαδικασία, μειώνοντας τον όγκο της μη αυτοματοποιημένης εργασίας, χωρίς να επιβαρύνουν την επίδοση του τελικού αποτελέσματος.