Circuitos VLSI en las telecomunicaciones

PAC- Performance-centered Adaptive Curriculum for Employment Needs
Programa ERASMUS: Acción Multilateral - 517742-LLP-1-2011-1-BG-ERASMUS-ECUE
MASTER DEGREE:
Industrial Systems Engineering
ASIGNATURA ISE3:
Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)
MÓDULO 3:
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
TAREA 3-1:
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
Contenido
TAREA 1-1: Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas ...............................................3
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ...........................................................................................................................3
2. CONTENIDO (Formato Título 2) ........................................................................................................................3
2.1 Presentación de la tecnología ...................................................................................................................3
2.2 Señales mixtas en el mundo de las comunicaciones ..............................................................5
2.3 Bandas de frecuencias usadas .................................................................................................................7
2.4 Desarrollo “Sistem on Packet” (SoP) .....................................................................................................8
2.5 Tecnologías para integrar dispositivos de comunicaciones móbiles ........................... 11
2.6 Sistema de radiofrecuencia(RF) sore el paquete SoP ........................................................... 14
2.7 Desarrollo histórico ......................................................................................................................................... 17
3. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS ................................................................................................................... 21
4. ENLACES DE INTERÉS ............................................................................................................................................ 21
Índice de figuras
Figura 1: Distribución mundial de productos con “mixed-signal” .... Fehler! Textmarke nicht
definiert.
Figura 2: Conifguracón A ..................................................................................................................................................6
Figura 3: Conifguracón B ..................................................................................................................................................6
Figura 4: Configuración C .................................................................................................................................................6
Figura 5: Diagrama de bloques para un módulo multichip....................................................................7
Figura 6: Arquitectura de un dispositivo móvil ............................................................................................... 10
Figura 7: Esquema de implementación de Tecnologia SoP .................................................................. 15
Figura 8: Representación para la sintesís de un dispositivo de radiofrecuencias(RF) ....... 16
Figura 9: Esquema de integreación de los elementos en un dispositvo móbil ..................... 17
Figura 10: Evolución de la integración de los componente ................................................................. 18
Índice de tablas
Tabla 1: Elementos áctivos ..............................................................................................................................................8
Tabla 2: Elementos pasivos .............................................................................................................................................9
Tabla 3: Comparación entre tecnologias de integración ........................................................................ 12
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
2
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
TAREA3-1: Circuitos integrados y sistemas con
señales mezcladas
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
En este módulo se va a ver como las tecnólogía al ir evolucionando a
permitido integrar la tenología de circuitos de señal mixta en dispositivos. En
concreto se va a ver como esta tecnología se ha aplicado al mundo de la
telecomunicación ya sea para dispositivos móviles o bien redes de sensores
comunidados por wifi, por poner algunos ejemplos. Además se ira viendo como
gracias a la tecnología VLSI( very large scale integration) se ha conseguido
miniaturizar estos dispositivos creando auntenticos campos de trabajo basados
en la nanoescala.
Veremos los componentes de estos circuitos necesarios para realizar
el paso de señales análogicas y digitales y en que rango de frecuencia
trabajaran. Se intentara al acabar el módulo que el estudiante adquiera una
buena idea de como funcionan estos sitemas así como la partes de los que
costan.
2. CONTENIDO
2.1 Presentación de la tecnología.
En los últimos años la combinación entre las tecnologías de
dispositivos con procesadores de alta velocidad y la de comunicación a traves
de redes sin cables (wireless) lidera el mercado tanto que se ha producido
una revolución en cuanto a la producción de dispositivos que integran estos
dos tipos de tecnología.
El resultado de esta fusión ha producido la aparición del desarrollo
de productos, los cuales intengran el ser ordenadores con las funciones de
comunicación. Este campo tiene como base la aparición del mercado de
circuitos integrados para señales mixtas.
En el siguiente diagrama se muestra una representación de como esta
repartido el mercado en refenrencia a este tipo de productos que integran
ambos tipos de tecnologías en el mundo.
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
3
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
Figura 1: Distribución mundial de productos con “mixed-signal”
“MIXED SIGNAL” Es un termino que representa la integración entre diferentes
tipos de señales.
Los circuitos de señal mixta son circuitos integrados que contienen
circuitos analógicos y digitales combinados en un solo semiconductor.
Hasta mediados de los 90 esta tecnología era usada para convertir
señales analógicas en digitales o digitales en analógicas, modems,
alimentación electrónica , por citar algunos ejemplos. Con la aparición de las
tecnologías celular de redes estos circuitos fuerón también usados para la
creación de circuitos integrados para la creación de móbiles, así como la
aparición también de tecnología ‘WAN o LAN.
Esta tecnología incluye algunos puntos a tener en cuenta:

La tecnología de CMOS es generalmente óptima para el desempeño digital
y escalado mientras los transistores bipolares son generalmente óptimos
para el desempeño analógico, pero hasta la última década ha sido difícil la
combinación de estos de forma rentable o diseñar ambos sistemas
analógico y digital en una sola tecnología sin problemas graves de
rendimiento. La aparición de tecnologías como la CMOS de altas
prestaciones, CMOS SOI y SiGe han facilitado su desarrollo al eliminar
muchos de los requisitos técnicos que antes eran necesarios.

Probar el funcionamiento correcto de los circuitos integrados de señal
mixta sigue siendo complejo, costoso y a menudo debe realizarse de uno
en uno..

Las metodologías sistemáticas de diseño, en comparación con los métodos
de diseño digital, son mucho más primitivas en el diseño analógico y de
señal mixta. Generalmente, el diseño analógico de circuitos no puede ser
automatizado al nivel que se consigue en los circuitos digitales. Combinar
las dos tecnologías multiplica esta complicación.
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
4
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
Viviendo en un mundo analógico todas las señales que enviamos y
recibimos serán analógicas siendo lo más apropiado para su tratamiento la
digitalización para el almacenamiento.
La integración de diferentes tipos de señales en un circuito integrado
es recomendado para combinar las propiedades de la comunicación y
computación o para la creación de redes inteligentes de sensores.
Algunos ejemplos de todo este que hemos hablado podemos verlo en
el mercado a través de los siguientes productos:
 Móbiles, terminales wireless son ejemplos donde las ondas
analógicas(radiofrencuencias)
y
señales
digitales
son
procesadas
simultaneamente.

Otro ejemplo importante son los “Converter” ADC o DAC,dependiendo
de si se realizan una transformación a digital o analógico.En estos
converters las señales son procesadas mediante un Chip.
2.2 Señales mixtas en el mundo de las comunicaciones.
El siguiente paso que aparece en este desarrollo de las señales mixtas
es la miniaturización de computadores de alta velocidad y redes wireless para
su acoplamiento en la producción de dispositivos móviles.
Con la proliferación de standards de comunicación para diversas
aplicaciónes, tál como los sistemas integrados de comunicación de
computadoras. Estos dispositivos han de soportar varios protocolos de
comunicación en diferentes rangos de frecuencia, para poder lograr una
conexión omnipresente. Un ejemplo lo podemos ver entre las señales GPS que
los saltelites envian constantemente a los dispostivos, mientras que los
protocolos bluetooth se usan para la sincronización de los contenidos en el
calendario del telefono con una de las computadoras de la oficina.
Esta asociación entre lás capacidades de comunicación y computación
que estos dipositivos requieren, incrementa la necesidad de integración de los
microprocesadores de alta velocidad, memoria y circuitos integrados de radiofrecuencia en un módulo multi chip con antena y rádio en dispositivos
perfericos.
Como ejemplo de esta asociaciones podemos encontrar en el mercado
actual diferentes asociaciones de estos elementos configurando “paquetes” los
cuales integran de forma global los elementos necesarios.
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
5
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
Figura A Presenta módulo multichip wireless comprendiendo un RF-IC y un
multiplexing digital. Los dispositivos periféricos son integrados en el paquete.
Figura 2: Conifguracón A
Figura B- Muestra un módulo multi chip con un chip microprocesador y
memoria externa montada y hermética en un paquete. Conexiones eléctricas
optimizadas y la insercción de capacitadores incrementa la rápida respuesta
entre el procesador y la memoria.
Figura 3: Configuración B
Figura C- Ilustra un módulo multichip combinado, contiene un módulo con
microprocesadores de alta velocidad y memoria en un paquete, módulo
wireless RF en otro paquete, ambos localizados uno sobre el otro.
Figura 4: Configuración C
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
6
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
Todas estas estructuras están destinadas para conseguir cumplir de la
mejor manera posible las características principales de los dispositivos de
comunicación,que són:
 Función

Volumén y peso

Precio

Realizabilidad
No necesariamente en este orden.
2.3 Bandas de frecuencia usadas.
Cada aplicación requiere de una diferente frecuencia de ancho de
banda, así en la imagen inferior podemos observar un diagrama en bloques de
un módulo multichip el cúal posee bloques para cada tipo de frecuencia.
Figura 5: Diagrama de bloques para un módulo multichip.
Podemos diferenciar los tipos de bloques por las siguientes secciones de
frecuencia:
 Frecuencias de 850, 900, 1800 y 1900 para servir a un sistema global
para la comunicación móvil(GSM-USA), extendido GSM(EGSM), sistema
digital celular (DCS) y servicios de comunicación personal (PCS) –
Protocolos para los servicios de comunicación personal.

Ancho de banda CDMA(WCDMA) trabajando a 2,1 GHz
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
7
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones

Wireless local area network(WLAN)- standard 802.11 a/b/g trabajando a
2,4 y 5,2 GHz

Global positioning System (GPS) 1575 MHz

Ultra- banda ancha(UWB) –soporta frecuencia de 3.1 a 10.6 GHz
2.4 Desarrollo “Sistem on Packet” (SoP).
Debido al rápido desarrollo de las comunicaciones móbiles se ha
producido una miniaturización asombrosa en los módulos-multichip,
actualmentte su altura no debe exceder los 1,2 mm y tiende a decrecer
constantemente. Similar tendencia puede verse con los ordenadortes portatiles,
donde el WLAN y WiMax con un gran número de canales para transmitir y
recibir señales estan comprimidos en un chip en miniatura.
En la actualidad podemos diferenciar entres dos tipos de dispositivos
que integran los dispositivos de comunicación, estos son áctivos y pasivos.
2.4.1 Áctivos
Los componentes áctivos son aquellos que son capaces de controlar
los circuitos o de realizar ganancias. Fundamentalmente son los generadores
eléctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos últimos, en general,
tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión
aplicada y la corriente demandada no es lineal.
Los
componentes
áctivos
semiconductores
derivan
del diodo de Fleming y del triodo de Lee de Forest. En una primera
generación aparecierón las válvulas que permitierón el desarrollo de aparatos
electrónicos como la radio o la televisión. Posteriormente, en una segunda
generación, aparecerían los semiconductores que más tarde darían paso a
los circuitos integrados (tercera generación) cuya máxima expresión se
encuentra en los circuitos programables (microprocesador y microcontrolador)
que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad sean
circuitos que llevan integrados millones de componentes.
En la actualidad existe un número elevado de componentes activos,
siendo usual, que un sistema electrónico se diseñe a partir de uno o varios
componentes activos cuyas características lo condicionará. Esto no sucede con
los componentes pasivos. En la siguiente tabla se muestran los principales
componentes activos junto a su función más común dentro de un circuito.
Tabla:1 Elementos áctivos
Componente
Función más común
Amplificador
Amplificación,
regulación,
conversión
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
de
8
señal,
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
operacional
conmutación.
Biestable
Control de sistemas secuenciales.
Diodo
Rectificación de señales, regulación, multiplicador de
tensión.
Memoria
Almacenamiento digital de datos.
Microprocesador
Control de sistemas digitales.
Microcontrolador
Control de sistemas digitales.
Pila
Generación de energía eléctrica.
Puerta lógica
Control de sistemas combinacionales.
Transistor
Amplificación, conmutación.
Triac
Control de potencia.
2.4.2 Pásivos
Son aquellos que no necesitan una fuente de energía para su correcto
funcionamiento. No tienen la capacidad de controlar la corriente en un
circuito. Los componentes pasivos se dividen en:
Tabla 2: Elementos pasivos
Componente
Función más común
Condensador
Almacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancia.
Inductor o Bobina
Almacenar o atenuar el cambio de energía debido a su
poder de autoinducción.
Resistor o
Resistencia
División de intensidad o tensión, limitación de intensidad.
En el tamaño de los dispositivos de comunicación, los componentes
áctivos no definen el tamaño de los dispositivos de comunicaciones móviles.
Debido a la miniaturización de los transistores la densidad de
transistores ha incrementado
con las generaciones, esto permite la
miniaturizacion de los IC , no de el sistema. Los elementos críticos que
afectan al tamaño de los dispositivos que untilizan señales mixtas son los
elementos pasivos correspondientes al grupo de los que trabajan con
radiofrecuenias así como los bloques analógicos perifericos.
Estos dispositivos son los que delimitan y determinan el tamaño de
los dispositivos, no los áctivos ya que como hemos visto su miniaturización
hoy en día en máxima.
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
9
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
Hay dificultades tecnológicas y constructivas en la integración de
todos los componentes pasivos en un chip de silicio(o de otro tipo usado
para esto efecto táles como: GaAs, SiGe). Por eso la miniaturización de
sistemas con señales mezcladas requiere nuevas tecnologías de montaje y
empaquetado.
Ya que la aplicación de todo el sistema sobre un chip es imposible se
ha desarrollado una tecnología denominado Sistem on Package. En esta
tecnología se crea unión de módulos compactos herméticos los cuales
encierran cientos de componentes. En este sistema los elementos pasivos se
integran en el sustrato y los transistores estan integrados en el compuesto de
silicio, además estos elementos se encuentran conectados mediante una
técnica de ultracableado, una vez conseguido todo esto el bloque se
hermetiza quedando el sistema formando un elemento único. Estos elemento
se pueden diseñar para usos especificos.
La figura de abajo muestra la arquitectura de un dispositivo móvil,
contiene circuito transmisor un recibidor y un procesador.
Figura 6: Arquitectura de un dispositivo móvil
Este dispositivo esta provisto de una antena común la cual es usada
para transmitir y recibir señales. Los canales pueden ser aislados por un
interruptor de radiofrecuencias despues de la antena o con el apropiado filtro.
Las radiofrecuencias periféricas es un punto crítico para el buen
funcionamiento del dispositivo, en concreto para el
funcionamiento de el
módulo-rádio, por ello este requiere filtros de alto factor Q. La parte
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
10
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
transmisora, contiene amplificadores de bajo ruido (LNAs), mixers, osciladores
controladores de voltaje(VCOs) y moduladores, esta integrado en la tecnología
de sicilio CMOs. El poder amplificador esta realizado separadamente al usar
Galio-arsenico. Para llevar a cabo interacción entre la digital y la frecuencia IC,
el procesador y la memoria, producido con la tecnologia CMOs, estos son
realizados como chip diferentes. Debido a los altos rendimientos para los
parametros de el módulo de Radiofrecuencia (Q-factor, perdidas internas y
nivel de ruido), los componentes en esta parte de la arquitectutra son
discretos y ellos limitan las capacidades de reducción del tamaño del
dispositivo.
Las principales ventajas en el diseño
teléfonos móbiles por el método SoP son:

Posibilidad
de
integración
de
e
implementación
componentes
RF
para
de
los
dispositivos
perifericos.
Ejemplo: Los diplexores, combinando altos y bajos filtros permeables en
su
circuito
recibidor
y
minimizando
la
influencia
de
rango
de
frencuencias vecinas.

Inclusión
en
el
módulo
multi-chip
de
super
circuitos
integrados
especializados, producidos con diferentes tecnologías y en diferentes
materiales( SI, GaAs, etc) con elementos pasivos construidos en el
interior. Por ejemplo poderosos amplificadores(PAs), amplificadores de
bajo ruido (LNAs) y controladores de voltaje
oscilatorio(VCOs), el cual
tiene bobinas y resonadores construido en el chip.

Realización de conexiones analógicas a análogicas y digital a digital.
Como un ejemplo la conexión a traves del sustrato, logrando la
interacción entre el digital y el circuito integrado de radiofrecuencias.
La metodología del diseño módulos multi-chip va en función de la
tecnología seleccionada para la producción de estos. Esto es porque la
tecnología seleccionada define las reglas del diseño para el sustrato, así como
el ancho de lineas conductoras y resistivas, grueso de las capas dielectricas,
tipo y
tamaño del circuitos integrado en los componentes discretos de los
chips.
2.5
Tecnologías
para
comunicaciones móbiles.
integrar
dispositivos
de
Hay 5 tecnologias diferentes de realización para la integración en los
dispositivos y los sistemas de comunicaciones móbiles:
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
11
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
 PWB: Usar elementos discretos sobre placas de conexion imprimida.
 SoC: (Sitema sobre el chip)- Todos los componentes pasivos y activos
son integrados en silicio.
 LTCC: Módulos multi-chip(baja temperatura cobalto quemado cerámica)
 TFOS:
 PWB:
Módulos multichip con uso finas capas sobre silicio.
Módulos multichip para usar substratos orgánicos.
Una comparación entre las cinco tecnologías se muestra en la tabla
sin dar detalles desde el punto de vista de los diseñadores.
Tabla 3: Comparación entre tecnologias de integración
Tecnología
Ventajas
Desventajas
PWB
-Más accesible
Baja
-Valores
bajos
densidad,
y variedad
en
medios de el factor Q parametros
para
los
gran
los
de
los
elementos elementos
pasivos.
SOC
-Densidad
-Alta
Esta tecnología no puede
integración
circuitos digitales
en cubrir
todas
necesidades
sistemas
las
de
de
los
señales
mixtas.
LTCC
-Altos
Factor
valores
Q
de
para
elementos pasivos.
-Alto
TFOS
nivel
el Problemas
con
el
los coeficiente de expansión
térmica.
de Contracción
integración
Dificultades
para
crear
-Alta densidad
placas.
-Alta densidad
Bajos valores del factor
Q
Baja
integración
debido
al pequeño tamaño del
sustrato
PCB
-Altos valores para el Fuga de tensiones
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
12
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
factor
Q
de
los
elementos pasivos.
-Alta densidad
-Posibilidad de realizar
placas extensas
Los
diplexores,
dispositios
de
transformadores
radiofrencuencia
y
circuitos
contienen
comparadores.
Antenas,
Estos
filtros,
componentes
pueden ser montados sobre una placa de circuito impresa por el método de
superficie de ensamblaje. La integración de estos componentes en un circuito
integrado o en el sustrato común de un módulo es necesario para reducir el
tamaño del sistema.
Excluyendo las antenas, la aplicación de los otros componentes es
dictada por los parametros de sus elementos constitutivos (inductancias y
capacitancias). A causa de las limitaciones del tamaño, estos elementos no
pueden ser usados para la realización de transmisiónes de elementos lineales
en el rango de frecuencias desde 1 a 10 GHz. La acción de las bobinas y
capacitadores esa definida por su factor Q, el cual esta influenciado por las
perdidas del dispositivo.
Las tecnologías de silicio IC limita el factor Q de las bobinas de 5 a
15 a cuasa del sustrato semiconductor, generando corrientes arremolinadas, la
cuál reduce la inductancia e incrementa las perdidas. Por eso es obligatoria
para inductancias y capacitadores ser integradas fuera del chip de silicio
sobre el sustrato común. El estandard para imprimir placas de circuitos
laminados no puede ser usado para la integración a causa de las perdidas de
conducción
(causado
por
la
superficie
desigual,
el
perfil
de
los
hilos
conductores y la tolerancia) y perdidas dieléctricas, las cuales reducen el
factor Q de las bobinas y capacitadores. Por eso materiales dieléctricos de
alta calidad son usados como sustratos para módulo multi-chip de altas
frecuencias, metales con alta conductividad y procesos, aseguran una buena
superficie de tratamiento y perfiles rectangulares.
Polimeros liquidos cristalinos (LCP) son usados para la realización de
estos dispositivos. Este material tiene una permitividad relativa de 2,95 y
perdidas sobre 0,002 en el rango de 1 a 10 GHz, la absorción de humedad es
menos de 0.04% y el coeficiente de expansión térmica, coincide con uno de el
PCB. Es usado para la metalizacion
el cobre, definiendo uniforme perfiles de
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
13
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
las lineas con mínima rugosidad en la superficie. Para usar este material los
siquientes elementos pueden ser integrados en los módulos de multichip-RF:
bobinas, capacitadores, filtros, transformadores, circuitos filtros transformadores
y filtros ajustables.
2.6
Sistema
paquete(SoP)
de
Radiofrecuencia(RF)
sobre
el
A la RadioFrecuencia pertenece el espectro de frecuencia de 300 KHz
hasta 300GHz. “SoP” es un sistema tecnológico de miniaturización, el cuál
integra todos los módulos y los conecta antes de realizar el encapsulado. La
idea
de
SoP
se
halla
en
dos
bases
fundamentales;
miniaturización
y
optimización de elementos en un circuito integrado y sustrato común.
Con
las
modernas
tecnologías
de
comunicación
de
las
Radiofrecuencias las principales aplicaciones estan en los sistemas wireless y
son determinantes para el desarrollo; el precio, funcionalidad y tamaño.
La
miniaturización
de
elementos
con
microcableado
y
su
implementación en módulos de Radiofrecuencia son factores clave en el
desempeño de estas condiciones. SoP lleva a cabo tál función a buen precio,
funcionalidad y en un pequeño tamaño de construcción para unir los
dispositivos
con
el microcableado.La
base
fundamental
de
el
SoP esta
relacionada sobre todo con la integración, la cual ejemplariza al más alto nivel
la realizabilidad, bajo precio y pequeño tamaño.
.
Los elementos RF incluyen bobinas, capacitores, resistores, antenas ,
filtros, interruptores y transformadores, etc... realizados con sustratos cerámicos
y orgánicos.
Debido
a
la
creciente
necesidad
de
combinar
computación,
comunicación, sesores y funciones biomedicas en un sistema, apareció este
método SoP.. Táles sistemas
no son solo para teléfonos móviles sino tambien
para sistemas miniaturizados, capaces de llevar a cabo un número grande de
funciones(telefonos Wireless, Wireless networks, sistemas de navegacion y
sistemas de sensores).
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
14
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
La limitación para la implementación de esta ultra tecnología sistemas
multifuncional esta determinada no por la complejidad de los extralargos
CMOS digitales o circuitos de funciones mixtas integrados, sino
por los
componentes montados en el substrato y contenidos en el sistema, como
muestra la figura de abajo.
Figura 7: Esquema de implementación de Tecnologia SoP
Los
sistemas
de
radio
frecuencia
usan
elementos
pasivos
para
comparar, amplificar, filtrar y desviar. Los telefonos móviles por ejemplo
constan de 6 o 10 elementos activos y 40 o 600 elementos pasivos
dependiendo del nivel de integración. Los elementos pasivos son diseñados
para lal superficie de montaje(SMDs) y han reducido el, pero al ser estos más
del 90% de elementos en el sistema. Ellos toman aproximadadmente el 80 %
del area de la placa base( y 70 % del precio del sistema). Los SoP hacen
posible reducir el tamaño de parte de el sistema, el cual es minimizado al
usar la tecnologia CMOS. El uso de el concepto SoP mejora espectacularmente
el precio y las dimensiones.
La figura muestra un sistema de comunicación RF, en el cual el
concepto de SoP puede ser usado para incrementar las funciones y reducir
los tamaños. En la banda base del circuito integrado, realizado con silicio con
tecnologia 65 nm Cmos, un microprocesador, DSP, SRAM y memoria flash son
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
15
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
construidos sobre el. En la parte de radio frecuencia del sistema la capacidad
de mniaturiazación es un poco más limitada.
Figura 8: Representación para la sintesís de un dispositivo de radiofrecuencias(RF)
Desde que los circuitos de RF comprimen tales elementos como filtros,
poderosos amplificadores y RF interruptores con alta linealidad, el uso de la
tecnologia CMOS es imposible de aplicar con exito. En este caso el SoP
propone una solución, la cuál no puede ser realizada por SoC( sistema sobre
el chip) o por tecnologias tradicionales. La parte para el procesamiento digital
en el sistema es realizada por la tecnología CMOS, mientras que los procesos
de
radio
frecuencia(TRANS
celvery/
PHY)
esta
fabricado
ambos
por
componentes producidos en tecología CMOS y construidos elementos de hilos
finos
táles
como
antenas,
transformadores,
osciladores,
mixers
y
amplificadores, los cuales pueden ser eficientemente enfundados usando el
concepto SoP.
La figura 9 ilustra la distribución de los elementos en el chip y sobre
el sustrato común (el paquete) en un módulo RF, continuando el concepto
SoP. Este módulo es la base para muchas aplicaciones. Tál ejecución tiene
dos desventajas: precio y realización de la parte de la Radio frecuencia. La
primera desventaja es debida a el alto precio de los circuitos digítales
integrados RF con señales mixtas
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
16
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
Figura 9: Esquema de integreación de los elementos en un dispositvo móbil
.
La limitación en el funcionamiento de táles circuitos Integrados RF son
debidas a malos parametros obtenidos de algunos elementos, táles como
bobinas y capacitadores con bajo factor Q, el cuál puede ser realizado en
silicio. The SoP puede ser usado para varios circuitos integrados, no
requiriendo integración total y permitiendo llevar a cabo las mejores
propiedades de los elementos. Además the SoP permite la miniaturiazación de
el sistema completo de radio frecuencia. La idea de optimización entre los dos
métodos esta ilustrada también en la figura 9 de arriba.
2.7 Desarrollo histórico
La primera generación (1G) de telefónos móviles usarónn análoga
tecnología de modulación y fue solo eficaz para ejecutar comunicaciones de
voz.
La segunda generación (2G) usó tecnología modular dígital
y pudo
solo transmitir una cantidad limitada de datos y fue usada mayoritariamente
para comunicaciones por voz. Debido a ventajas de la tecnología digital
había
la posibilidad de que un gran número de usuarios tuvieran acceso simultaneo
.
La evolución a la tercera generación (3G) incremento los estandares
de los móviles. El rango de frecuencia accesible para transmitir información,
pero también incremento el precio de forma sustancial.
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
17
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
Los
tradicional
dispositivos
servicio
de
móviles
desarrollan
comunicación
por
y
excepto
para
ofrecer
voz,
reciben
gradualmente
el
los
terminales el acceso acceso a internet y los tamaños son más finos y
pequeños, como el ofrecido por Motorola Razor y Samsung ultra-thin (11,9nm).
La ultima version de los teléfonos celulares es el iphone de Apple con el “más
sencillo interface” para el usuario.
Para llegar a esta miniaturización y funcionalidad, en las últimas tres
decadas la cantidad de componentes encapsulados ha sido mayor y con
mayor tecnología. Gracias a los drásticos cambios para el volumen del
ensamblaje de elementos thin-layer, extra largoscircuitos especializados
y
módulos multichip se puede hablar hoy de una amplia gama de dispositivos
que integran tecnólogias de comunicación Esta histórica evolución en el
ensamblaje y tecnología de encapsulado esta presente en la figura de abajo.
Figura 10: Evolución de la integración de los componentes
En 1970 los elementos eran voluminosos y los encapsulados eran “two
side DIP”, y pasaron a los de cuatro partes en carcasa plana (QFP). La
siguiente generación de tecnología es la única para la superficie de montaje
de elementos áctivos discretos y elementos pasivos. El siguiente paso incluye
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
18
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
la integración de elementos discretos en packetes individuales, el cual conduce
a dispositivos pasivos integrados. Con el desarrollo de módulos multichip
(MCM) en 1980, donde de 100 a 140 chips son enlazados sobre una sustrato
de thin-layer de cerámica, la tecnologia de carcasa
progresos
ha hecho considerables
comparados con el ensamblaje discreto. La siguiente generación de
integración es llamada “housing at level of sustrate” y es actualmente envuelta
sobre el sustrato, solo 20% más grande que el encapsulado del chip.
Los elementos discretos táles como capacitores o filtros siguen los
mismo principios de miniaturización. La tecnología inicial, usada por elementos
discretos,
fue
la
tecnología
de
thin-layer
cerámica
con
consecutivos
aplicaciones
de los hilos. El siguiente paso fue IPD, descrito arriba, donde un
número
elementos
de
individuales
son
integrados
en
un
pacquete.
La
construcción interna de elementos thin layer esta dividida en unas pocas
categorias: construidas internas en cerámica, paquetes orgánicos o dispositivos
sobre silicio y sustrato de vidrio. La tecnología SoP, descrita anteriormente, es
para
toda
la
integración
de
elementos
finas
capas
–
pasivos,
activos,
estructuras termales y fuentes de suministros. La avanzanda miniaturización
con la aparición de la SoP tecnologia.
La SoP sugiere una plataforma ideal para la miniaturización de
elementos de radio frecuencia y es mucho mejor en parametros finales que
las tecnologias alternativas tales como SoB (system on Board), SiP ( sistem in
package) o SoC(Sistem on chip). Las ventajas la tecnología SoP son:

Diseño, modelado y simulación

Materiales y procesador para elementos de capas finas

Realizabilidad de los sustratos producidos
Una tarea principal de el SoP es llevar a cabo fuertes sistemas
miniaturizados,
tecnologías
para
integración
y
selección
de
apropiados
materiales y elementos para la integración. Los materiales del sustrato tienen
que asegurar excelentes propiedades de alta frecuencia
eléctrica, resistencia
mecánica y química, resistencia térmica y buen precio. Las tecnologías que
satisfacen todos estas condiciones pueden ser divididas en dos categorias:
Cerámicas y sustratos orgánicos.
La mayoría de tecnologias cerámicas fueron usadas hasta el 2000,
pero las orgánicas ofrecen una combinación de menor precio y alta calidad
de realización para generar homogeneas y heterogeneas estructuras SoP. Los
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
19
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
substratos
cerámicos
incluyen
cerámicas
de
baja
temperatura
y
alta
temperatura (LTCC y HTCC), mientras las orgánicas incluyen polimieros táles
como polímeros líquidos cristal (LCP)
LCPs se estan empezando a usar recientemente para materiales de
sustratos
de
altas
frecuencias.
Estas
poseen
características
eléctricas
remarcables, que aseguran una constante dieléctrica relativa de ( ~ 2,97) y
tienen muy bajas perdidas dieléctricas. La temperatura estable es de 125
grados con un bajo rango
de frecuencia (por encima de 110 GHz). El
coeficiente de expansión térmica de los polimeros puede ser ajustable para
que coincida con la unidad, de cobre, silicio o Ga-As. La implementanción de
polimeros es más barata que usar los materiales de cerámica. Los polímeros
tienen menos absorción de agua y son fisicamente estables por encima de
315°. Debido a la viabilidad de dos tipos de sustratos LCP, la realización de
ciertas arquitecturas thinlayer son posibles.
HTCC y LTCC son usados mayormente en sistemas de microondas
para varias frecuencias de ondas. LTCC permite usar por encima de 100 hilos
conductores de AgPd, Cu o Au y posee una combinacion de propiedades
electricidad,
temperatura,
química
y
mecanica
la
cuál
no
puede
ser
reemplazado por otros materiales. Algunas caracteristicas del LTCC son:

Estable Constante dieléctrica para altos rango de radio frecuencia.

Bajas perdidas dielectricas.

integracion vertical con pequeñas aperturas
en un gran numeros de
hilos

Bajas propiedades de absorción.
Además de los sistemas miniaturizados producidos por el concepto
SoP se puede decir que los nuevos materiales y procesos químicos, los cuales
pueden ser conducidos a la miniaturización no solo por ultra finas capas sino
tambien llevarse a cabo por la propiedades de las radiofrecuencias de los
elementos, los cuales no han sido llevados a cabo tan profundamente, son
muy importantes.
La capa fina con nanomateriales con propiedades sin prececentes
relacionadaos con la capacidad, inductancia y resistencia conducirá a una
amplia variedad de nuevas aplicaciones, la cuál no ha sido ni siquiera
imaginada hasta el momento.
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
20
Circuitos VLSI en las telecomunicaciones
3. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS´#
[1] Cisco. Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update,
2009-2014, 9 de febrero de 2010.
[2] VLSI circuits in telecommunications, Plataforma Dipseil
4. ENLACES DE INTERÉS
· http://www.tutorialspoint.com/wimax/wimax_wifi_comparison.htm
. http://www.tutorialspoint.com/wimax/what_is_wimax.htm
Circuitos integrados y sistemas con señales mezcladas
21