Neste trabalho o teste de dispositivos analógicos programáveis é abordado. Diversas metodologias de teste analógico existentes são estudadas e algumas delas são utilizadas nas estratégias desenvolvidas. Dois FPAAs (Field Programmable Analog Arrays) comerciais de fabricantes e modelos distintos são utilizados para validar as estratégias de teste propostas. O primeiro dispositivo estudado é um FPAA de tempo contínuo (capaz de implementar circuitos contínuos no tempo) da Lattice Semiconductors. Tal dispositivo é marcado pela característica estrutural de sua programabilidade. Por esta razão, a estratégia a ele aplicada é baseada em um método de teste também estrutural, conhecido como OBT (Oscillation-Based Test). Neste método o circuito é dividido em blocos simples que são transformados em osciladores. Os parâmetros do sinal obtido, tais como a freqüência de oscilação e a amplitude, têm relação direta com os componentes utilizados na implementação do oscilador. Desta maneira, é possível detectar falhas no FPAA observando os parâmetros do sinal gerado. Esta estratégia é estudada inicialmente considerando uma análise externa dos parâmetros do sinal. Como uma alternativa de redução de custos e melhoria na cobertura de falhas, um analisador de resposta baseado em um duplo integrador é adotado, permitindo que a avaliação do sinal gerado pelo oscilador seja feita internamente, utilizando-se os recursos programáveis do próprio FPAA. Os resultados obtidos para as análises interna e externa são então comparados. O segundo FPAA estudado, da Anadigm Company, é um dispositivo a capacitores chaveados que tem como característica a programabilidade funcional. Por esta razão o desenvolvimento de uma técnica de teste estrutural é dificultado, pois não se conhece detalhes da arquitetura do componente. Por esta razão, uma técnica de teste funcional, conhecida como Transient Response Analysis Method, é aplicada ao teste deste FPAA. Neste método o circuito sob teste é dividido em blocos funcionais de primeira e segunda ordem e a resposta transiente destes blocos para um dado estímulo de entrada é analisada. O bloco sob teste é então duplicado e um esquema de auto-teste integrado baseado em redundância é desenvolvido, com o intuito de se obter um sinal de erro. Este sinal de erro representa a diferença das respostas transientes dos blocos duplicados. Como proposta para se aumentar a observabilidade do sinal de erro o mesmo é integrado ao longo tempo, aumentando a capacidade de detecção de falhas quando utilizado este método. Em ambas estratégias o objetivo principal do trabalho é testar os blocos analógicos programáveis dos FPAAs explorando ao máximo a programabilidade dos dispositivos e utilizando recursos pré-existentes para auxiliar no teste. Os resultados obtidos mostram que as estratégias desenvolvidas configuram boas alternativas para o auto-teste integrado deste tipo de componente. / This work addresses the test of programmable analog devices. Several analog test methodologies are studied and some of them are applied in the developed strategies. In order to validate these strategies, two commercial FPAAs (Field Programmable Analog Arrays), of different vendors and distinct models, are considered as devices under test. The first studied device is a continuous-time FPAA from Lattice Semiconductors. One important characteristic of such device is the structural programmability. For this reason the test strategy applied to this FPAA is based in a structural method known as OBT (Oscillation-Based Test). In this method, blocks of the circuit under test are individually converted into oscillators. The parameters of the generated signal, such as the frequency and amplitude, can be expressed as function of the components used in the oscillator implementation. This way, it is possible to detect faults in the FPAA simply observing such parameters. This method is firstly studied considering an external analysis of the signal parameters. However, in a second moment, an internal response analyzer, based on a double integrator, is built with the available programmable resources of the FPAA. This way, overall test cost is reduced, while the fault coverage is increased with no area overhead. The obtained results considering the external analysis and the built-in response evaluation are compared. The second considered FPAA, from Anadigm Company, is a switched capacitor device whose programming characteristic is strictly functional. Thus, a structural test method cannot be easily developed and applied without the previous knowledge of he device architectural details. For this reason, a functional test method known as TRAM (Transient Response Analysis Method) is adopted. In this method the Circuit Under Test (CUT) is programmed to implement first and second order blocks and the transient response of these blocks for a given input stimuli is analyzed. Taking advantage of the inherent programmability of the FPAAs, a BIST-based scheme is used in order to obtain an error signal representing the difference between the fault-free and faulty Configurable Analog Blocks (CABs). As a proposal to augmenting the observability, the error signal is integrated, enhancing de fault detection capability when using this method. In both developed strategies the main objective is to test the CABs of the FPAAs exploiting the device programmability, using the existing resources in order to aid the test. The obtained results show that the developed strategies represent good alternatives to the built-in self-test of such type of device.

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 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.

Neste trabalho o teste de dispositivos analógicos programáveis é abordado. Diversas metodologias de teste analógico existentes são estudadas e algumas delas são utilizadas nas estratégias desenvolvidas. Dois FPAAs (Field Programmable Analog Arrays) comerciais de fabricantes e modelos distintos são utilizados para validar as estratégias de teste propostas. O primeiro dispositivo estudado é um FPAA de tempo contínuo (capaz de implementar circuitos contínuos no tempo) da Lattice Semiconductors. Tal dispositivo é marcado pela característica estrutural de sua programabilidade. Por esta razão, a estratégia a ele aplicada é baseada em um método de teste também estrutural, conhecido como OBT (Oscillation-Based Test). Neste método o circuito é dividido em blocos simples que são transformados em osciladores. Os parâmetros do sinal obtido, tais como a freqüência de oscilação e a amplitude, têm relação direta com os componentes utilizados na implementação do oscilador. Desta maneira, é possível detectar falhas no FPAA observando os parâmetros do sinal gerado. Esta estratégia é estudada inicialmente considerando uma análise externa dos parâmetros do sinal. Como uma alternativa de redução de custos e melhoria na cobertura de falhas, um analisador de resposta baseado em um duplo integrador é adotado, permitindo que a avaliação do sinal gerado pelo oscilador seja feita internamente, utilizando-se os recursos programáveis do próprio FPAA. Os resultados obtidos para as análises interna e externa são então comparados. O segundo FPAA estudado, da Anadigm Company, é um dispositivo a capacitores chaveados que tem como característica a programabilidade funcional. Por esta razão o desenvolvimento de uma técnica de teste estrutural é dificultado, pois não se conhece detalhes da arquitetura do componente. Por esta razão, uma técnica de teste funcional, conhecida como Transient Response Analysis Method, é aplicada ao teste deste FPAA. Neste método o circuito sob teste é dividido em blocos funcionais de primeira e segunda ordem e a resposta transiente destes blocos para um dado estímulo de entrada é analisada. O bloco sob teste é então duplicado e um esquema de auto-teste integrado baseado em redundância é desenvolvido, com o intuito de se obter um sinal de erro. Este sinal de erro representa a diferença das respostas transientes dos blocos duplicados. Como proposta para se aumentar a observabilidade do sinal de erro o mesmo é integrado ao longo tempo, aumentando a capacidade de detecção de falhas quando utilizado este método. Em ambas estratégias o objetivo principal do trabalho é testar os blocos analógicos programáveis dos FPAAs explorando ao máximo a programabilidade dos dispositivos e utilizando recursos pré-existentes para auxiliar no teste. Os resultados obtidos mostram que as estratégias desenvolvidas configuram boas alternativas para o auto-teste integrado deste tipo de componente. / This work addresses the test of programmable analog devices. Several analog test methodologies are studied and some of them are applied in the developed strategies. In order to validate these strategies, two commercial FPAAs (Field Programmable Analog Arrays), of different vendors and distinct models, are considered as devices under test. The first studied device is a continuous-time FPAA from Lattice Semiconductors. One important characteristic of such device is the structural programmability. For this reason the test strategy applied to this FPAA is based in a structural method known as OBT (Oscillation-Based Test). In this method, blocks of the circuit under test are individually converted into oscillators. The parameters of the generated signal, such as the frequency and amplitude, can be expressed as function of the components used in the oscillator implementation. This way, it is possible to detect faults in the FPAA simply observing such parameters. This method is firstly studied considering an external analysis of the signal parameters. However, in a second moment, an internal response analyzer, based on a double integrator, is built with the available programmable resources of the FPAA. This way, overall test cost is reduced, while the fault coverage is increased with no area overhead. The obtained results considering the external analysis and the built-in response evaluation are compared. The second considered FPAA, from Anadigm Company, is a switched capacitor device whose programming characteristic is strictly functional. Thus, a structural test method cannot be easily developed and applied without the previous knowledge of he device architectural details. For this reason, a functional test method known as TRAM (Transient Response Analysis Method) is adopted. In this method the Circuit Under Test (CUT) is programmed to implement first and second order blocks and the transient response of these blocks for a given input stimuli is analyzed. Taking advantage of the inherent programmability of the FPAAs, a BIST-based scheme is used in order to obtain an error signal representing the difference between the fault-free and faulty Configurable Analog Blocks (CABs). As a proposal to augmenting the observability, the error signal is integrated, enhancing de fault detection capability when using this method. In both developed strategies the main objective is to test the CABs of the FPAAs exploiting the device programmability, using the existing resources in order to aid the test. The obtained results show that the developed strategies represent good alternatives to the built-in self-test of such type of device.

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.

Neste trabalho o teste de dispositivos analógicos programáveis é abordado. Diversas metodologias de teste analógico existentes são estudadas e algumas delas são utilizadas nas estratégias desenvolvidas. Dois FPAAs (Field Programmable Analog Arrays) comerciais de fabricantes e modelos distintos são utilizados para validar as estratégias de teste propostas. O primeiro dispositivo estudado é um FPAA de tempo contínuo (capaz de implementar circuitos contínuos no tempo) da Lattice Semiconductors. Tal dispositivo é marcado pela característica estrutural de sua programabilidade. Por esta razão, a estratégia a ele aplicada é baseada em um método de teste também estrutural, conhecido como OBT (Oscillation-Based Test). Neste método o circuito é dividido em blocos simples que são transformados em osciladores. Os parâmetros do sinal obtido, tais como a freqüência de oscilação e a amplitude, têm relação direta com os componentes utilizados na implementação do oscilador. Desta maneira, é possível detectar falhas no FPAA observando os parâmetros do sinal gerado. Esta estratégia é estudada inicialmente considerando uma análise externa dos parâmetros do sinal. Como uma alternativa de redução de custos e melhoria na cobertura de falhas, um analisador de resposta baseado em um duplo integrador é adotado, permitindo que a avaliação do sinal gerado pelo oscilador seja feita internamente, utilizando-se os recursos programáveis do próprio FPAA. Os resultados obtidos para as análises interna e externa são então comparados. O segundo FPAA estudado, da Anadigm Company, é um dispositivo a capacitores chaveados que tem como característica a programabilidade funcional. Por esta razão o desenvolvimento de uma técnica de teste estrutural é dificultado, pois não se conhece detalhes da arquitetura do componente. Por esta razão, uma técnica de teste funcional, conhecida como Transient Response Analysis Method, é aplicada ao teste deste FPAA. Neste método o circuito sob teste é dividido em blocos funcionais de primeira e segunda ordem e a resposta transiente destes blocos para um dado estímulo de entrada é analisada. O bloco sob teste é então duplicado e um esquema de auto-teste integrado baseado em redundância é desenvolvido, com o intuito de se obter um sinal de erro. Este sinal de erro representa a diferença das respostas transientes dos blocos duplicados. Como proposta para se aumentar a observabilidade do sinal de erro o mesmo é integrado ao longo tempo, aumentando a capacidade de detecção de falhas quando utilizado este método. Em ambas estratégias o objetivo principal do trabalho é testar os blocos analógicos programáveis dos FPAAs explorando ao máximo a programabilidade dos dispositivos e utilizando recursos pré-existentes para auxiliar no teste. Os resultados obtidos mostram que as estratégias desenvolvidas configuram boas alternativas para o auto-teste integrado deste tipo de componente. / This work addresses the test of programmable analog devices. Several analog test methodologies are studied and some of them are applied in the developed strategies. In order to validate these strategies, two commercial FPAAs (Field Programmable Analog Arrays), of different vendors and distinct models, are considered as devices under test. The first studied device is a continuous-time FPAA from Lattice Semiconductors. One important characteristic of such device is the structural programmability. For this reason the test strategy applied to this FPAA is based in a structural method known as OBT (Oscillation-Based Test). In this method, blocks of the circuit under test are individually converted into oscillators. The parameters of the generated signal, such as the frequency and amplitude, can be expressed as function of the components used in the oscillator implementation. This way, it is possible to detect faults in the FPAA simply observing such parameters. This method is firstly studied considering an external analysis of the signal parameters. However, in a second moment, an internal response analyzer, based on a double integrator, is built with the available programmable resources of the FPAA. This way, overall test cost is reduced, while the fault coverage is increased with no area overhead. The obtained results considering the external analysis and the built-in response evaluation are compared. The second considered FPAA, from Anadigm Company, is a switched capacitor device whose programming characteristic is strictly functional. Thus, a structural test method cannot be easily developed and applied without the previous knowledge of he device architectural details. For this reason, a functional test method known as TRAM (Transient Response Analysis Method) is adopted. In this method the Circuit Under Test (CUT) is programmed to implement first and second order blocks and the transient response of these blocks for a given input stimuli is analyzed. Taking advantage of the inherent programmability of the FPAAs, a BIST-based scheme is used in order to obtain an error signal representing the difference between the fault-free and faulty Configurable Analog Blocks (CABs). As a proposal to augmenting the observability, the error signal is integrated, enhancing de fault detection capability when using this method. In both developed strategies the main objective is to test the CABs of the FPAAs exploiting the device programmability, using the existing resources in order to aid the test. The obtained results show that the developed strategies represent good alternatives to the built-in self-test of such type of device.

Floating-gate transistors similar to those used in FLASH and EEPROM can be used to build reconfigurable analog arrays. The charge on the floating gate can be modified to pass or block a signal in a cross-bar switch matrix, or it can be finely tuned to eliminate a threshold difference across a chip or set a bias. By using such a compact and versatile reconfigurable analog memory element, the number of analog circuit components included on an integrated circuit that is field-programmable is significantly higher. As a result, large-scale FPAAs can be built with the same impact on analog design that FPGAs have had on digital design. In my research, I investigate the areas floating-gate transistors can be used to impact FPAA design and implementation. An FPAA can be broken up into two basic components, elements of connection and elements of computation. With respect to connection, I show that a floating-gate switch can be used in a cross-bar matrix in place of a transmission gate resulting in less parasitic capacitance and a more linear resistance for the same size transistor. I illuminate the programming issues relating to injecting a floating-gate for use as a switch, including the drain selection circuitry and rogue injection due to gate induced drain leakage. With respect to computation, I explain how a Multiple-Input Translinear Element, or MITE, can be augmented to fit in an FPAA framework. I also discuss two different MITE implementations compatible with CMOS technology, a subthreshold MOS design and a BJT MITE that uses a lateral BJT. Beyond FPAA components, I present two alternative FPAA systems. The first is a general purpose reconfigurable analog system that uses standard analog design components that have been augmented with floating-gates. The second FPAA is built upon MITE circuits, and is focused on supporting direct system synthesis. I conclude with a discussion of a future large-scale MITE FPAA.

The purpose of this research is to present a low-power wireless communication receiver with an enhanced performance by relieving the system complexity and performance degradation imposed by a quantization process. With an overwhelming demand for more reliable communication systems, the complexity required for modern communication systems has been increased accordingly. A byproduct of this increase in complexity is a commensurate increase in power consumption of the systems. Since the Shannon's era, the main stream of the methodologies for promising the high reliability of communication systems has been based on the principle that the information signals flowing through the system are represented in digits. Consequently, the system itself has been heavily driven to be implemented with digital circuits, which is generally beneficial over analog implementations when digitally stored information is locally accessible, such as in memory systems. However, in communication systems, a receiver does not have a direct access to the originally transmitted information. Since the received signals from a noisy channel are already continuous values with continuous probability distributions, we suggest a mixed-signal system in which the received continuous signals are directly fed into the analog demodulator and the subsequent soft-decision Viterbi decoder without any quantization involved. In this way, we claim that redundant system complexity caused by the quantization process is eliminated, thus gives better power efficiency in wireless communication systems, especially for battery-powered mobile devices. This is also beneficial from a performance perspective, as it takes full advantage of the soft information flowing through the system.

We investigated two design strategies that would allow us to efficiently process audio signals on embedded systems such as mobile phones and portable electronics. In the first strategy, we exploit properties of the human auditory system to process audio signals. We designed a sound enhancement algorithm to make piezoelectric loudspeakers sound "richer" and "fuller," using a combination of bass extension and dynamic range compression. We also developed an audio energy reduction algorithm for loudspeaker power management by suppressing signal energy below the masking threshold. In the second strategy, we use low-power analog circuits to process the signal before digitizing it. We designed an analog front-end for sound detection and implemented it on a field programmable analog array (FPAA). The sound classifier front-end can be used in a wide range of applications because programmable floating-gate transistors are employed to store classifier weights. Moreover, we incorporated a feature selection algorithm to simplify the analog front-end. A machine learning algorithm AdaBoost is used to select the most relevant features for a particular sound detection application. We also designed the circuits to implement the AdaBoost-based analog classifier.