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Intersil: Satellitentelemetrie

Welcher Multiplexer ist der richtige?

21. Juni 2016, 10:34 Uhr | Von Kiran Bernard und Joshua Broline

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Vor- und Nachteile von Multiplexern

Derzeit stehen zahlreiche Optionen zur Verfügung, um die Anforderungen an Analog-Multiplexer in der Satellitenindustrie zu erfüllen. Keine davon ist allerdings ideal. Eine Option ist der Einsatz eines High-Voltage-Multiplexers, da dessen Eingangsbereich den Anforderungen eines Low-Voltage-Sensors mehr als genügen würde. Dazu ist aber eine negative Versorgungsschiene allein für den Multiplexer erforderlich.

Diese Option kommt heute in zahlreichen Low-Voltage-Anwendungen zum Einsatz, aber die negative Versorgungsschiene ist unerwünscht. Eine weitere Option ist ein Multiplexer, der bei niedrigeren Spannungen arbeitet. Es gibt 5-V-Optionen, aber bei fast allen muss sich der Entwickler zwischen einem geringen Durchlasswiderstand und einem geringen Eingangsleckstrom entscheiden. Dabei muss jeder Entwickler eine Abwägung treffen: Ist der Schalter ein, verzerrt der Durchlasswiderstand das Eingangssignal. Ist der Schalter aus, sorgt der Leckstrom für eine konstante Stromentnahme aus der Batterie. Je nach Wahl ergeben sich genauere Sensormessungen oder eine längere Batterielebensdauer – beides ist für Satelliten entscheidend.

Wie bei anderen Low-Voltage-Bausteinen werden die Laufzeitverzögerungen geringer. Ein Multiplexer, der damit Schritt hält, ist eindeutig ein Vorteil. High-Voltage-Multiplexer weisen wesentlich längere Verzögerungen auf, da die Bausteine größer sind. Schnellere Adressübergabezeiten sorgen für eine Datenerfassung fast in Echtzeit – ein wichtiger Punkt, denn damit können Backup- oder Schutzsysteme schneller reagieren, falls Sensoren einen kritischen Zustand melden.

Umgang mit der Strahlenbelastung

Schnell ist heute jedoch nicht mehr gut genug. Im Weltraum sind ICs einer Strahlung ausgesetzt, die eine ordnungsgemäße Funktion der Bausteine gefährdet. Ein schneller Multiplexer nützt wenig, wenn er nicht mit Single-Event-Effekten (SEE) oder Total-Ionizing-Dosen (TID) umgehen kann. TID verändern in CMOS-Bausteinen die Schwellenwerte, während SEE eher bei Low-Voltage-Bausteinen ein Problem darstellen, wenn sie mit kleineren Prozessstrukturen gefertigt werden. Eine Multiplexer-Fehlfunktion kann manchmal eine kleine Störung sein, ein anderes Mal aber zu einem Totalausfall führen.

Kann der Analog-Multiplexer mit Single-Event-Transienten (SET) nicht umgehen, kann sein Ausgang kurzzeitig auf einen anderen Kanal übergehen – ohne Wissen des Mikroprozessors. Dieser kann die Daten dann fehlinterpretieren. Sobald der Ausgang wieder funktioniert, liest das System die Daten wieder normal ein. Ein Fehler wie dieser ist ein kleines Ärgernis und kann herausprogrammiert werden. Dabei muss sichergestellt sein, dass das Signal länger als eine vordefinierte Zeit anliegt, bevor es als gültig gelesen wird. Dies erhöht die Reaktionszeit, da Laufzeitverzögerungen hinzukommen.

Wenn ein Analog-Multiplexer die Möglichkeit hat, mit SEEs umzugehen, würde dies die programmierte Verzögerung fast erübrigen und der Mikroprozessor könnte alle eingehenden Daten als gültig behandeln. Single Event Burnout (SEB) und Single Event Latch-up (SEL) können die normale Funktion eines Analog-Multiplexers unterbrechen. Ein SEB führt dazu, dass der Multiplexer nicht funktioniert. Ein SEL kann durch einen Reset (Power Cycle) aufgehoben werden, führt aber zu sofortigen oder latenten Schäden. Die Schwellenwertverschiebung durch TIDs kann den Betrieb des Multiplexers komplett stoppen. Allerdings sind Low-Voltage-Bausteine weniger anfällig bezüglich Schwellenwertverschiebungen, da sie dünnere Gate-Oxide aufweisen.