SRon en co. ontwikkelen IC om seismometer uit te lezen op Mars

3 juni 2010

Samen met Axiom IC en Xensor Integration heeft SRon een uitleeschip ontwikkeld voor de seismometer die kandidaat is om mee te gaan met Esa’s toekomstige Exomars-missie. Omdat kleiner, lichter en zuiniger ook in de ruimtevaart beter is, hebben de partners alle functionaliteit geïntegreerd in één circuit. Jan-Rutger Schrader van het ruimteonderzoekinstituut legt uit hoe dit IC tot stand is gekomen.

Elektronica in de ruimtevaart moet voldoen aan hoge eisen voor betrouwbaarheid en fouttolerantie. Veel systemen worden redundant uitgevoerd, waarbij een chip dubbel op de printplaat komt. Faalt er een, dan kan worden overgeschakeld op de andere. Daarnaast mag er geen enkele modus of toestand zijn waar de elektronica niet uit zichzelf uit kan geraken. De Europese ruimtevaartorganisatie Esa accepteert instrumenten pas als ze een rigoureus testprogramma hebben doorlopen. Chipbehuizingen worden daarbij onder meer beproefd op uitgassen en mechanische stevigheid, aangezien de krachten bij de lancering kunnen oplopen tot 5g. Bovendien wordt alle debugcode verwijderd – van een Russische satelliet is nooit meer iets vernomen nadat het controlecentrum op aarde per ongeluk het debugcommando ‘radio uit’ had verstuurd.

Ook voor het IC-ontwerp gelden bijzondere voorwaarden. Waar bij commerciële toepassingen minimalisering van het chipoppervlak hoge prioriteit heeft om de kosten te drukken, is dat in het ruimteonderzoek van ondergeschikt belang omdat er slechts enkele stuks worden gelanceerd. Een laag vermogenverbruik en optimale ruisperformance zijn weer wel heel belangrijk en vaak een argument om te kiezen voor het relatief dure ontwerp- en testtraject van een IC op maat. Daarnaast is de ruimtevaart conservatief en risicomijdend: een schakeling die dezelfde prestaties levert en die al ‘vliegt’, en zich daarmee heeft bewezen, verdient de voorkeur. Omdat astrofysici echter altijd het onderste uit de kan willen, vooral als het gaat om ultralage ruisgetallen, blijft er vraag naar nieuwe IC-technologieën.

Verwarmen

In 2018 wil de Esa een satelliet lanceren om de biologische omgeving van Mars te karakteriseren. Kandidaat-instrument voor deze Exomars-missie is een seismometer die bestaat uit twee onderdelen: een voor zeer lange en een voor korte periodes, waarbij het verschil zit in het te registreren frequentiebereik van de trillingen. Om dit instrument aan te sturen en uit te lezen, zijn onder meer nodig: een motorregeling voor kalibratie en temperatuurcompensatie, een communicatiebus naar de telemetrie-elektronica en omzetters van analoog naar digitaal en omgekeerd.

Ruimteonderzoekinstituut SRon heeft zich toegelegd op de chip met de AD- en DA-converters. Deze is ontworpen om een massa-veerregelsysteem met hoge resolutie uit te lezen, zelfs bij grote variaties in de temperatuur. De gestelde eisen aan robuustheid, stralingshardheid, stroomverbruik en temperatuurstabiliteit vormden een flinke ontwerpuitdaging. Vanwege de complexiteit en grootte van de chip heeft SRon de hulp ingeroepen van de designhuizen Axiom IC uit Enschede en Xensor Integration uit Delft.

In samenwerking met Axiom IC en Xensor Integration heeft SRon een uitleeschip ontwikkeld voor een seismometer (inzet), kandidaat-instrument voor de Esa-missie naar Mars.

Het ontwikkelde mixed-signal IC bestaat uit vijf analoog-digitaalomzetters, twee digitaal-analoogconverters en een temperatuursensor op chip. De eerste lezen het signaal in, de tweede worden gebruikt voor kalibratie en temperatuurcompensatie van de seismometer. De omzetters hebben een resolutie van 24 bits. Effectief, dus exclusief ruisende bitjes, halen de ADC’s 22 bits en de DAC’s 18 bits.

Om deze effectieve converterresolutie te bereiken, hebben we in de AD-omzetter een stevig gevecht moeten voeren met de ruis. Een bekend probleem in elektronische circuits is de 1/f-ruis, die toeneemt naarmate de frequentie lager wordt. Voor de seismometer is het van belang om deze ruis te minimaliseren. In de ADC maken we daarom gebruik van chopping: we verplaatsen het signaal eerst naar een hogere frequentie alvorens het te digitaliseren. Hiermee lukt het ons om te voldoen aan de ruis-eis van één Least Significant Bit (LSB) per √Hz in het frequentiegebied van 0,1 tot 50 Hz. Over de band tot en met 50 Hz komt dat neer op zeven LSB’s, ofwel een spanning van slechts 1 µV RMS.

Een on-die sensor meet de temperatuur van de AD-converter.

Een bijkomende uitdaging was de temperatuurstabiliteit van de AD-converter. Op Mars kan het kwik ’s nachts tot ruim onder de -100 graden Celsius zakken. De Esa heeft de Exomars-apparatuur echter gespecificeerd om te werken tussen -55 en 85 graden Celsius. Dit operationele bereik is afgeleid van de Mil-specificatie. Strenger gaan toeleveranciers aan de ruimtevaart meestal niet, omdat er dan simpelweg te weinig keuze is in componenten. Bij een nachtelijke aankomst op Mars betekent dit wel dat heaters de elektronica eerst moeten verwarmen voor deze kan opstarten.

Over het volledige bereik van -55 tot 85 graden Celsius moeten we bovendien de vereiste resolutie halen. Dit hebben we gerealiseerd door aan de chip een speciale on-die sensor toe te voegen die de actuele temperatuur van de AD-converter registreert. De meetwaarden gebruiken we vervolgens om de digitale ADC-output te compenseren voor temperatuurafhankelijke offset en gain. Zo halen we de gewenste resolutie over een groot temperatuurbereik, met een verloop van slechts drie deeltjes per miljoen (ppm) per graad Celsius.

Het totale vermogenverbruik van de vijf ADC’s, twee DAC’s en temperatuursensor ligt onder 50 mW. Ter vergelijking: een oplossing op basis van losse componenten verstookt naar schatting 350 mW. De vermogenseis van 6 mW voor alleen de AD-omzetter heeft ons doen kiezen voor een continuous-time-sigma-delta-architectuur. Een continuous-time-converter is tot zeven keer zuiniger dan zijn discrete-time-tegenhanger.

Omklappen

Belangrijk is dat de circuits stralingshard zijn. Tijdens de vlucht staat de satelliet bloot aan ioniserende straling. De Exomars-apparatuur moet bestand zijn tegen een totale dosis van 18 krad. Bovendien kunnen de inslaande deeltjes eenmalige verstoringen aan de elektronica veroorzaken. Om de benodigde stralingshardheid te bereiken, hebben we speciale lay-outtechnieken gebruikt. Zo hebben we guard-ringen geplaatst die voorkomen dat er door inslaande ioniserende deeltjes een grote stroom gaat lopen tussen voeding en aarde. Zo’n latch-up kan de chip veel schade berokkenen.

In de analoog-digitaalomzetter hebben de chipontwerpers een stevig gevecht moeten voeren met de ruis.

Door energiedepositie van de inslaande deeltjes kan ook de inhoud van geheugenregisters verstoord raken. Dit probleem hebben we opgelost met een speciale digitale bibliotheek van Imec, bestaande uit And-poorten, flipflops en andere componenten. De digitale geheugencellen in dit pakket zijn voorzien van redundantie, zodat een enkele inslag van een deeltje geen bitje kan doen omklappen.

Met deze en andere technieken kunnen we in een standaard CMos-proces uiteindelijk zelfs een stralingshardheid halen van 10 Mrad. Dit niveau was niet nodig voor de Exomars-missie, maar komt goed van pas bij bijvoorbeeld de nieuwe deeltjesversneller van Cern in Genève. Daar worden dergelijke geharde chips veel gebruikt.

Jan-Rutger Schrader is senior mixed-signal-IC-ontwerper bij SRon Netherlands Institute for Space Research. Hij is groepsleider IC-design en verantwoordelijk voor het ontwerp van de on-chip temperatuursensor. Eerder maakte hij bij Cern een delaychip die nu wordt gebruikt in de Large Hadron Collider. Aan de IC-ontwikkeling bij SRon werkten mixed-signal-IC-designers Jan-Harm Nieland en Anne Stellinga mee. Het Netherlands Space Office heeft het project gefinancierd.

Jan-Rutger Schrader

Terug naar overzicht