Statistical evaluation of sensitivity to radiation-induced transient effects in complex mixed-signal circuits

Abstract

Este trabajo de doctorado investiga la sensibilidad de circuitos electrónicos complejos de señal mixta a los eventos transitorios ('Single-Event Transient'} - SET) inducidos por radiación en el espacio, presentando metodologías innovadoras para su evaluación mediante simulación. Una metodología de caracterización basada en un enfoque estadístico, junto con un muestreo aleatorio pesado, acelera la evaluación de la sensibilidad. Además, el uso de los `intervalos de confianza virtuales' presentados proporciona un medio eficaz para la estimación de la sensibilidad sin necesidad de simulaciones exhaustivas. La investigación introduce varios modelos SET para simulación eléctrica, proponiendo la implementación de un modelo dinámico que considera las consideraciones de polarización del transistor durante el evento. Implementado en Verilog-A, este modelo muestra un buen rendimiento para partículas de energía media-baja, validado mediante comparaciones con simulaciones TCAD. Se describe, como vehículo de pruebas, el diseño de un SAR ADC endurecido frente a radiación de alto rendimiento, centrándose en el diseño de su generador de referencias y un detector de SET para el mismo. Los resultados experimentales demuestran la alta resolución del convertidor y su robustez frente a temperatura. Además, la prueba de radiación diseñada para caracterizar diferentes zonas del ASIC, apoya la noción de que un enfoque a nivel de sistema es crucial para optimizar los esfuerzos de endurecimiento para radiación. Aunque las simulaciones de SET a nivel de sistema muestran discrepancias con los resultados experimentales, este trabajo realiza una exploración de las posibles fuentes de sesgo, incluyendo las esquinas del proceso de fabricación, los parásitos del layout, las variaciones del área de los candidatos y la posibilidad de añadir más efectos que el clásico enfoque de centrarse en los drenadores de los transistores CMOS. A pesar de las dificultades para lograr la convergencia entre las simulaciones y los resultados experimentales, la evaluación estadística basada en intervalos de confianza virtuales resulta ventajosa para evaluar la robustez del ASIC. En conclusión, esta tesis doctoral avanza en la comprensión y evaluación de los eventos transitorios inducidos por la radiación en circuitos de señal mixta complejos. La metodología, los modelos y el diseño del vehículo de prueba propuestos ofrecen valiosas perspectivas para mejorar la robustez de los sistemas electrónicos en entornos propensos a la radiación, haciendo especial énfasis en la necesidad de endurecer los subsistemas más críticos.

This PhD work investigates the sensitivity of complex mixed-signal electronic circuits to radiation-induced Single-Event Transients (SETs) in space, presenting innovative methodologies for its evaluation by simulation. A characterization methodology based on a statistical approach, coupled with likelihood-random sampling, speeds up the evaluation of this sensitivity. In addition, the use of the presented ‘virtual confidence intervals’ provides an efficient means for sensitivity estimation without extensive simulations. The research introduces various SET models for electrical simulation, proposing the implementation of a dynamic model that considers the transistor biasing conditions during the event. Implemented in Verilog-A, this model exhibits good performance for medium-low energy particles, validated through comparisons with TCAD simulations. A high-performance rad-hard SAR ADC test vehicle design is outlined, focusing on the design of its reference generator and the embedded Single-Event Transient detector. The experimental results validate the SAR ADC’s high resolution and its robustness across temperature. In addition, the radiation test designed to characterize different zones of the ASIC, supports the notion that a system-level approach is crucial for effective radiation hardening efforts. Even though system-level SET simulations uncover discrepancies with the experimental results, this works performs an exploration of potential bias sources, including design corners, layout parasitics, candidates’ area evaluation, and the possibility of adding more effects than the classical approach of the CMOS’ drains. Despite challenges in achieving convergence between simulations and experimental results, the statistical evaluation based on virtual confidence intervals proves advantageous in assessing the ASIC’s robustness. In conclusion, this PhD thesis advances the understanding and evaluation of radiationinduced transient events in complex mixed-signal circuits. The proposed methodology, models, and test vehicle design offer valuable insights into improving the robustness of electronic systems in radiation-prone environments, with particular emphasis on the need to harden the most critical subsystems.