Rad-Hard CMOS-Kristalloszillator: 300 krad TID-beständiger Taktgeber für Weltraumelektronik

Es besteht Bedarf an strahlungsharten, kristallstabilisierten Taktquellen mit mindestens 300 krad Gesamtionisierungsdosis (TID)-Immunität. Eine gängige Lösung war das Spot-Shielding eines Commercial-Off-The-Shelf-Teils oder dessen Einbau in einen Tresor. Rad-harte Taktquellen werden für Hauptplatinen (MEBs) und Ausleseelektronik benötigt, die in gefährlichen Weltraumumgebungen operieren müssen. Fernerkundung und Telemetrie erfordern, dass die Ausleseschaltungen bei den Sensoren ko-lokalisiert sind, die durch beliebige Distanzen von der Datenverarbeitungselektronik getrennt sein können.

Ein lokal erzeugtes Taktsignal ermöglicht der Ausleseeinheit, eigene Taktsignale zu generieren und die resultierenden Daten an einen entfernten Empfänger zu übertragen. Wäre ein kristallstabilisiertes Trägersignal verfügbar, könnte die Ausleseeinheit ein Taktsignal ableiten, das ein ganzzahliges Teilergebnis dieses Trägers ist, und die aus dem Taktsignal generierten Daten zur Modulation des Trägers nutzen. Der strahlungsharte CMOS-Kristalloszillator (RHBD) kann direkt oder frequenzskaliert als Taktgeber für eine Anwendungsschaltung verwendet werden.

Der RHBD CMOS-Kristalloszillator ist ein komparatorbasierter Pierce-Oszillator, der einen piezoelektrischen Kristall für präzise und stabile Frequenzerzeugung nutzt. Das Oszillatorschema unterscheidet sich von klassischen Pierce-Oszillatoren, die mindestens einen Inverter für die erforderliche Verstärkung benötigen. Im RHBD CMOS-Kristalloszillator liefert ein High-Speed-Komparator die Verstärkung, wobei Kristall und linearisierender Rückkopplungswiderstand zwischen Komparatorausgang und invertierendem Eingang geschaltet sind. Der nicht-invertierende Eingang des Komparators kann von einer DC-Signalquelle gespeist werden, z. B. einem Widerstandsteiler, einer Spannungsreferenz oder einem Digital-Analog-Wandler (DAC), für einen variablen Common-Mode im Rückkopplungssignal oder ein variables Tastverhältnis des Taktsignals. Die Möglichkeit, das Tastverhältnis des Oszillatorsignals anzupassen, erlaubt dem System, strahlungsinduzierte Änderungen wie Eingangsoffset zu kompensieren.

Der Komparator ist ein monolithisches CMOS Rail-to-Rail-Design mit einem proportional-zur-absoluten-Temperatur (PTAT) Bias-Zell, gefertigt mit Enclosed-Layout-Transistoren (ELT) und doppelten Guard-Ringen. Die ELTs bieten hohe Immunität gegen TID-induzierten Leckstrom, die doppelten Guard-Ringe Immunität gegen Single-Event-Latch-Up (SEL). Zusammen gewährleisten ELTs, doppelte Guard-Ringe und Tastverhältnisanpassung einen robusten Betrieb der Schaltung auch bei hoher TID und schweren Ionen.

Die NASA sucht aktiv Lizenznehmer zur Kommerzialisierung dieser Technologie. Kontaktieren Sie NASA's Licensing Concierge unter E-Mail-Adresse oder rufen Sie an unter 202-358-7432, um Lizenzgespräche zu initiieren.