Este trabalho aborda um sistema de aquisição de dados (SAD) analógico-digital, baseado em um esquema redundante com diversidade de projeto, que é testado em dois ambientes diferentes de radiação. O primeiro experimento considera um teste de dose total ionizante (Total Ioninzig Dose - TID) sob irradiação gama, e o segundo experimento considera os efeitos de eventos singulares (Single Event Effects - SEE) sob irradiação por íons pesados. O SAD é composto, principalmente, por três conversores analógicos-digitais (ADCs) e dois votadores. A técnica usada é a Redundância Modular Tripla (Triple Modular Redundancy - TMR), com implementação em diferentes níveis de diversidade (temporal e arquitetural). O sistema é construído em um System-on-Chip programável (PSoC 5LP) da Cypress Semiconductor, fabricado em tecnologia CMOS de 130nm. Para a irradiação com TID, se utiliza o PSoC de part number CY8CKIT-050 sob uma fonte de radiação gama de 60Co (cobalto-60), com uma taxa de dose efetiva de 1 krad(Si)/h por 10 dias, atingindo uma dose total de 242 krad(Si) Para SEE se utiliza o protótipo PSoC de part number CY8CKIT-059 (sem encapsulamento) em um acelerador de partículas 8UD Pelletron usando 16O (oxigeno-16) ao vácuo, com energia de 36 MeV em um LET aproximado de 5.5 MeV/mg/cm2 e uma penetração no silício de 25 mm, resultando em um fluxo de 354 p/cm2.s, e uma fluência de 5077915 p/cm2 depois de 14755 segundos (4h 09min). Observou-se com o resultado do primeiro estudo que um (1) dos módulos do sistema apresentou uma degradação significativa na sua linearidade durante a irradiação, enquanto os outros tiveram uma degradação menos grave, mantendo assim a funcionalidade e confiabilidade do sistema. Durante o tempo de irradiação do segundo estudo, foram observadas 139 falhas: 53 SEFIs (Single Events Funtional Interrupt), 29 falhas críticas e 57 falhas SDC (Silent Data Corruption), atingindo as diferentes copias do sistema e um dos votadores do mesmo, mas sempre mantendo a saída esperada. Nos dois experimentos se evidencia a vantagem de usar a diversidade de projeto, além do TMR, para melhorar a resiliência e confiabilidade em sistemas críticos redundantes que trabalham com sinais mistos. / This work presents an analog-to-digital data acquisition system (DAS) based on a redundant scheme with design diversity, being tested in two different radiation environments. The first experiment is a Total Ionizing Dose (TID) essay and the second one considers Single Event Effects (SEE) under heavy ion irradiation. The DAS is mainly composed of three analog-todigital converters (ADCs) and two voters. The used technique was the Triple Modular Redundancy (TMR) implementing different levels of diversity (temporal and architectural). The circuit was built in a programmable System-on-Chip (PSoC 5LP) from Cypress Semiconductor, fabricated in a 130nm CMOS technology process. For the irradiation with TID the part number CY8CKIT-050 PSoC was used under a 60Co (cobalt-60) gamma radiation source, with an effective dose rate of 1 krad(Si)/h during 10 days, reaching a total dose of 242 krad(Si). For SEE experiments the part number CY8CKIT-059 (without encapsulation) PSoC prototype under a 8UD Pelletron particle accelerator using 16O (oxigen-16) under vacuum, with an energy of 36 MeV, resulting in a flux of 354p/cm2.s and a fluence of 5077915p/cm2 after 14755 seconds (4h 09min). As result of the first study it was observed that one of the system’s modules presented a significant degradation in its linearity during the irradiation, while degradations in the other modules were not as deep, maintaining the system’s functionality and reliability. During the period of the radiation of the second study, 139 faults were observed, 82 of them were critical and 57 were SDC (Silent Data Corruption), reaching the different system copies and one of the voters, while always maintaining the correct output. The advantage of using diversity, besides TMR, to improve resilience and reliability in redundant systems working with mixed signals was demonstrated in both experiments.

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.

Este trabalho aborda um sistema de aquisição de dados (SAD) analógico-digital, baseado em um esquema redundante com diversidade de projeto, que é testado em dois ambientes diferentes de radiação. O primeiro experimento considera um teste de dose total ionizante (Total Ioninzig Dose - TID) sob irradiação gama, e o segundo experimento considera os efeitos de eventos singulares (Single Event Effects - SEE) sob irradiação por íons pesados. O SAD é composto, principalmente, por três conversores analógicos-digitais (ADCs) e dois votadores. A técnica usada é a Redundância Modular Tripla (Triple Modular Redundancy - TMR), com implementação em diferentes níveis de diversidade (temporal e arquitetural). O sistema é construído em um System-on-Chip programável (PSoC 5LP) da Cypress Semiconductor, fabricado em tecnologia CMOS de 130nm. Para a irradiação com TID, se utiliza o PSoC de part number CY8CKIT-050 sob uma fonte de radiação gama de 60Co (cobalto-60), com uma taxa de dose efetiva de 1 krad(Si)/h por 10 dias, atingindo uma dose total de 242 krad(Si) Para SEE se utiliza o protótipo PSoC de part number CY8CKIT-059 (sem encapsulamento) em um acelerador de partículas 8UD Pelletron usando 16O (oxigeno-16) ao vácuo, com energia de 36 MeV em um LET aproximado de 5.5 MeV/mg/cm2 e uma penetração no silício de 25 mm, resultando em um fluxo de 354 p/cm2.s, e uma fluência de 5077915 p/cm2 depois de 14755 segundos (4h 09min). Observou-se com o resultado do primeiro estudo que um (1) dos módulos do sistema apresentou uma degradação significativa na sua linearidade durante a irradiação, enquanto os outros tiveram uma degradação menos grave, mantendo assim a funcionalidade e confiabilidade do sistema. Durante o tempo de irradiação do segundo estudo, foram observadas 139 falhas: 53 SEFIs (Single Events Funtional Interrupt), 29 falhas críticas e 57 falhas SDC (Silent Data Corruption), atingindo as diferentes copias do sistema e um dos votadores do mesmo, mas sempre mantendo a saída esperada. Nos dois experimentos se evidencia a vantagem de usar a diversidade de projeto, além do TMR, para melhorar a resiliência e confiabilidade em sistemas críticos redundantes que trabalham com sinais mistos. / This work presents an analog-to-digital data acquisition system (DAS) based on a redundant scheme with design diversity, being tested in two different radiation environments. The first experiment is a Total Ionizing Dose (TID) essay and the second one considers Single Event Effects (SEE) under heavy ion irradiation. The DAS is mainly composed of three analog-todigital converters (ADCs) and two voters. The used technique was the Triple Modular Redundancy (TMR) implementing different levels of diversity (temporal and architectural). The circuit was built in a programmable System-on-Chip (PSoC 5LP) from Cypress Semiconductor, fabricated in a 130nm CMOS technology process. For the irradiation with TID the part number CY8CKIT-050 PSoC was used under a 60Co (cobalt-60) gamma radiation source, with an effective dose rate of 1 krad(Si)/h during 10 days, reaching a total dose of 242 krad(Si). For SEE experiments the part number CY8CKIT-059 (without encapsulation) PSoC prototype under a 8UD Pelletron particle accelerator using 16O (oxigen-16) under vacuum, with an energy of 36 MeV, resulting in a flux of 354p/cm2.s and a fluence of 5077915p/cm2 after 14755 seconds (4h 09min). As result of the first study it was observed that one of the system’s modules presented a significant degradation in its linearity during the irradiation, while degradations in the other modules were not as deep, maintaining the system’s functionality and reliability. During the period of the radiation of the second study, 139 faults were observed, 82 of them were critical and 57 were SDC (Silent Data Corruption), reaching the different system copies and one of the voters, while always maintaining the correct output. The advantage of using diversity, besides TMR, to improve resilience and reliability in redundant systems working with mixed signals was demonstrated in both experiments.

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.

This thesis evaluates the suitability of silicon-germanium technology for electronic systems intended for extreme environments, such as ambient temperatures outside of military specification (-55 degC to 125 degC) range and intense exposures to ionizing radiation. Silicon-germanium devices and circuits were characterized at cryogenic and high-temperatures (up to 300 degC) and exposed to ionizing radiation, providing empirical evidence that silicon-germanium is an excellent platform for terrestrial and space-based electronic applications.

Este trabalho consiste em um estudo acerca dos efeitos da radiação em circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SoC), baseados em FPGAs (Field-Programmable Gate Array). Dentre os diversos efeitos que podem ensejar falhas nos circuitos integrados, destacam-se a ocorrência de Single Event Effects (SEEs), Efeitos Transitórios em tradução livre, e a Dose Total Ionizante, do inglês Total Ionizing Dose (TID). SEEs podem ocorrer em razão da incidência de nêutrons originários de interações de raios cósmicos com a atmosfera terrestre, íons pesados provenientes do espaço e prótons originários do Sol (vento solar) e dos cinturões de Van Allen. A Dose Total Ionizante diz respeito à exposição prolongada de um circuito integrado à radiação ionizante e cuja consequência é a alteração das características elétricas de partes do dispositivo em razão das cargas elétricas induzidas pela radiação e acumuladas nas interfaces dos semicondutores. Dentro desse contexto, este trabalho descreve em detalhes a caracterização do SoC-FPGA baseado em memória FLASH e de sinais mistos SmartFusion A2F200-FG484, da empresa Microsemi, quando exposto à radiação (SEEs e TID) através do uso da técnica de Redundância Diversificada visando a detecção de erros. Também, uma arquitetura que utiliza um esquema baseado em Redundância Modular Tripla e Diversificada é testada através da sua implementação no FPGA baseado em memória SRAM da família Spartan-6, modelo LX45, da empresa Xilinx, visando a detecção e correção de erros causados pela radiação (SEEs). Os resultados obtidos mostram que os diversos blocos funcionais que compõe SoC SmartFusion apresentam diferentes níveis de tolerância à radiação e que o uso das técnicas de Redundância Modular Tripla e Redundância Diversificada em conjunto mostrou-se extremamente eficiente no que se refere a tolerância a SEEs. / This work consists in a study about the radiation effects in programmable circuits and System-on-Chips (SoCs) based on FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays). Single Event Effects (SEEs) and Total Ionizing Dose (TID) are the two main effects caused by the radiation incidence, and both can imply in the occurrence of failures in integrated circuits. SEEs are due to the incidence of neutrons derived from the interaction of the cosmic rays with the terrestrial atmosphere, as well as heavy ions coming from the space and protons provided from the solar wind and the Van Allen belts. Total Ionizing Dose regards the prolonged exposure of an integrated circuit to the ionizing radiation, which deviates the standard electrical characteristics of the device due to radiation-induced electrical charges accumulated in the semiconductors’ interfaces. In this context, this work aims to describe in details the characterization of Microsemi’s mixed-signal SoC-FPGA SmartFusion A2F200-FG484 when exposed to radiation (SEEs and TID), using a Diverse Redundancy approach for error detection. As well, an architecture using a Diversified Triple Modular Redundancy scheme was tested (SEEs) through its implementation in a Xilinx’s Spartan-6 LX45 FPGA, aiming error detection and correction. The results obtained show that several functional blocks from SmartFusion have different radiation tolerance levels and that the use of the Triple Modular Redundancy together with Diversified Redundancy proved to be extremely efficient in terms of SEEs tolerance.

Este trabalho consiste em um estudo acerca dos efeitos da radiação em circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SoC), baseados em FPGAs (Field-Programmable Gate Array). Dentre os diversos efeitos que podem ensejar falhas nos circuitos integrados, destacam-se a ocorrência de Single Event Effects (SEEs), Efeitos Transitórios em tradução livre, e a Dose Total Ionizante, do inglês Total Ionizing Dose (TID). SEEs podem ocorrer em razão da incidência de nêutrons originários de interações de raios cósmicos com a atmosfera terrestre, íons pesados provenientes do espaço e prótons originários do Sol (vento solar) e dos cinturões de Van Allen. A Dose Total Ionizante diz respeito à exposição prolongada de um circuito integrado à radiação ionizante e cuja consequência é a alteração das características elétricas de partes do dispositivo em razão das cargas elétricas induzidas pela radiação e acumuladas nas interfaces dos semicondutores. Dentro desse contexto, este trabalho descreve em detalhes a caracterização do SoC-FPGA baseado em memória FLASH e de sinais mistos SmartFusion A2F200-FG484, da empresa Microsemi, quando exposto à radiação (SEEs e TID) através do uso da técnica de Redundância Diversificada visando a detecção de erros. Também, uma arquitetura que utiliza um esquema baseado em Redundância Modular Tripla e Diversificada é testada através da sua implementação no FPGA baseado em memória SRAM da família Spartan-6, modelo LX45, da empresa Xilinx, visando a detecção e correção de erros causados pela radiação (SEEs). Os resultados obtidos mostram que os diversos blocos funcionais que compõe SoC SmartFusion apresentam diferentes níveis de tolerância à radiação e que o uso das técnicas de Redundância Modular Tripla e Redundância Diversificada em conjunto mostrou-se extremamente eficiente no que se refere a tolerância a SEEs. / This work consists in a study about the radiation effects in programmable circuits and System-on-Chips (SoCs) based on FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays). Single Event Effects (SEEs) and Total Ionizing Dose (TID) are the two main effects caused by the radiation incidence, and both can imply in the occurrence of failures in integrated circuits. SEEs are due to the incidence of neutrons derived from the interaction of the cosmic rays with the terrestrial atmosphere, as well as heavy ions coming from the space and protons provided from the solar wind and the Van Allen belts. Total Ionizing Dose regards the prolonged exposure of an integrated circuit to the ionizing radiation, which deviates the standard electrical characteristics of the device due to radiation-induced electrical charges accumulated in the semiconductors’ interfaces. In this context, this work aims to describe in details the characterization of Microsemi’s mixed-signal SoC-FPGA SmartFusion A2F200-FG484 when exposed to radiation (SEEs and TID), using a Diverse Redundancy approach for error detection. As well, an architecture using a Diversified Triple Modular Redundancy scheme was tested (SEEs) through its implementation in a Xilinx’s Spartan-6 LX45 FPGA, aiming error detection and correction. The results obtained show that several functional blocks from SmartFusion have different radiation tolerance levels and that the use of the Triple Modular Redundancy together with Diversified Redundancy proved to be extremely efficient in terms of SEEs tolerance.

Este trabalho consiste em um estudo acerca dos efeitos da radiação em circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SoC), baseados em FPGAs (Field-Programmable Gate Array). Dentre os diversos efeitos que podem ensejar falhas nos circuitos integrados, destacam-se a ocorrência de Single Event Effects (SEEs), Efeitos Transitórios em tradução livre, e a Dose Total Ionizante, do inglês Total Ionizing Dose (TID). SEEs podem ocorrer em razão da incidência de nêutrons originários de interações de raios cósmicos com a atmosfera terrestre, íons pesados provenientes do espaço e prótons originários do Sol (vento solar) e dos cinturões de Van Allen. A Dose Total Ionizante diz respeito à exposição prolongada de um circuito integrado à radiação ionizante e cuja consequência é a alteração das características elétricas de partes do dispositivo em razão das cargas elétricas induzidas pela radiação e acumuladas nas interfaces dos semicondutores. Dentro desse contexto, este trabalho descreve em detalhes a caracterização do SoC-FPGA baseado em memória FLASH e de sinais mistos SmartFusion A2F200-FG484, da empresa Microsemi, quando exposto à radiação (SEEs e TID) através do uso da técnica de Redundância Diversificada visando a detecção de erros. Também, uma arquitetura que utiliza um esquema baseado em Redundância Modular Tripla e Diversificada é testada através da sua implementação no FPGA baseado em memória SRAM da família Spartan-6, modelo LX45, da empresa Xilinx, visando a detecção e correção de erros causados pela radiação (SEEs). Os resultados obtidos mostram que os diversos blocos funcionais que compõe SoC SmartFusion apresentam diferentes níveis de tolerância à radiação e que o uso das técnicas de Redundância Modular Tripla e Redundância Diversificada em conjunto mostrou-se extremamente eficiente no que se refere a tolerância a SEEs. / This work consists in a study about the radiation effects in programmable circuits and System-on-Chips (SoCs) based on FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays). Single Event Effects (SEEs) and Total Ionizing Dose (TID) are the two main effects caused by the radiation incidence, and both can imply in the occurrence of failures in integrated circuits. SEEs are due to the incidence of neutrons derived from the interaction of the cosmic rays with the terrestrial atmosphere, as well as heavy ions coming from the space and protons provided from the solar wind and the Van Allen belts. Total Ionizing Dose regards the prolonged exposure of an integrated circuit to the ionizing radiation, which deviates the standard electrical characteristics of the device due to radiation-induced electrical charges accumulated in the semiconductors’ interfaces. In this context, this work aims to describe in details the characterization of Microsemi’s mixed-signal SoC-FPGA SmartFusion A2F200-FG484 when exposed to radiation (SEEs and TID), using a Diverse Redundancy approach for error detection. As well, an architecture using a Diversified Triple Modular Redundancy scheme was tested (SEEs) through its implementation in a Xilinx’s Spartan-6 LX45 FPGA, aiming error detection and correction. The results obtained show that several functional blocks from SmartFusion have different radiation tolerance levels and that the use of the Triple Modular Redundancy together with Diversified Redundancy proved to be extremely efficient in terms of SEEs tolerance.

Wireless operation, near-field or far-field, is a core functionality of any mobile or autonomous system. These systems are battery operated or most often utilize energy scavenging as a means of power generation. Limited access to power, expected long and uninterrupted operation, and constrained physical parameters (e.g. weight and size), which limit overall power harvesting capabilities, are factors that outline the importance for innovative low-power approaches and designs in advanced low-power wireless applications. Low-power approaches become especially important for the wireless transceiver, the block in charge of wireless/remote functionality of the system, as this block is usually the most power hungry component in an integrated system-on-chip (SoC). Three such advanced applications with stringent power requirements are examined including space-based exploratory remote sensing probes and their associated radiation effects, millimeter-wave phased-array radar for high-altitude tactical and geological imaging, and implantable biomedical devices (IMDs), leading to the proposal and implementation of low-power wireless solutions for these applications in SiGe BiCMOS and CMOS and platforms.

L'environnement radiatif spatial est composé d'une grande diversité de particules dans un spectre en énergie très large. Parmi les effets affectant les composants électroniques, on distingue les effets cumulatifs et les effets singuliers transitoires analogiques (ASET). Les effets cumulatifs correspondent à une dégradation continue des paramètres électriques du composant induits par un dépôt d'énergie à faible débit de dose tout au long de la mission spatiale. Les ASETs sont eux causés par le passage d'une particule unique traversant une zone sensible du composant et engendrant une impulsion de tension transitoire qui se propage à la sortie de l'application. Au cours des tests au sol, les deux effets sont étudiés séparément, mais ils se produisent simultanément en vol. Il se produit donc un effet de synergie, induit par la combinaison de la dose et de l'apparition soudaine d'un ASET dans le dispositif préalablement irradié.Une étude de l'effet de synergie dose-ASET est proposée. Pour accélérer les irradiations, une technique connue sous le nom de « méthode de commutation de débit de dose » (DRS) prenant en compte la sensibilité accrue au faible débit de dose (ELDRS) est utilisée. Un modèle haut niveau est développé en utilisant l'analyse circuit permettant de prédire l'effet de synergie observé sur un amplificateur opérationnel à trois étages. Pour prédire l'effet de synergie, l'effet de dose est pris en compte en faisant varier les paramètres décrivant le modèle suivant une loi de variation déduite de la dégradation du courant d'alimentation qui est couramment enregistré au cours des essais industriels. Enfin, les effets transitoires des radiations sur l'électronique (TREEs) induits par un environnement de très fort débit de dose de rayons X pulsés ainsi que l'effet de synergie dose-TREE sont étudiés à l'aide d'un générateur de Flash-X. La méthode classique d'analyse des ASETs permet alors d'expliquer la forme des impulsions transitoires observées. / The natural radiative space environment is composed by numerously particles in a very large energy spectrum. From an electronics component point of view, it is possible to distinguish cumulative effects and so-called Analog Single Event Transient effects (ASET). Cumulative effects correspond to continuous deterioration of the electrical parameters of the component, due to a low dose rate energy deposition (Total Ionizing Dose: TID) throughout the space mission. ASETs are caused by a single energetic particle crossing a sensitive area of the component inducing a transient voltage pulse that occurs at the output of the application. During ground testing, both effects are studied separately but happen simultaneously in flight. As a result a synergy effect, induced by the combination of the low dose rate energy deposition and the sudden occurrence of an ASET in the device previously irradiated, occurs. A study of dose-ASET synergistic effects is proposed using an accelerated irradiation test technique known as Dose Rate Switching method (DRS) tacking into account the concern of the Enhanced Low Dose Rate Sensitivity (ELDRS). A High Level Model is developed using circuit analysis to predict the synergy effect observed on a three stages operational amplifier. To predict synergy effect, the TID effect is taken into account by varying the model parameters following a variation law deduced from the degradation of the supply current which recorded during usual industrial TID testing. Finally, the Transient Radiation Effects on Electronics (TREE) phenomena induced by a Very High Dose Rate X-ray pulse environment and the dose-TREE synergy effect are then investigated using an X-ray flash facility. The classical ASETs methodology analysis can explain the shapes of transients observed.