Introducción a los Sistemas Industriales

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 Telecomunicaciones
TAREA 3-1:
CIRCUITOS INTEGRADOS Y SISTEMAS CON SEÑAL MIXTA
Introducción a los Sistemas Industriales
Contenido
TAREA 3-1: CIRCUITOS INTEGRADOS Y SISTEMAS CON SEÑAL MIXTA ......... 3
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ................................................................................. 3
2. CONTENIDO..................................................................................................................... 3
2.1 Circuitos integrados ............................................................................................... 3
2.2 Módulos multichip ................................................................................................... 4
2.2 Integración a gran escala .................................................................................... 6
2.3 Circuitos de señal mixta ....................................................................................... 7
2.3 SOP vs SOC vs MCM ............................................................................................ 10
2.4 RF - SOP para comunicaciones wireless ..................................................... 15
3. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 19
4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS ....................................................................... 19
5. ENLACES DE INTERÉS ............................................................................................... 19
Índice de figuras
Figura 1 Cuatro procesadores y cuatro cachés externas en un módulo multichip de cerámica .. 4
Figura 2 Ejemplos de chips apilados (arriba) y chips de lado a lado (abajo). ................................ 5
Figura 3 Circuito integrado VLSI .................................................................................................... 6
Figura 4 Contraste de diseño de señal mixto tradicional y moderno ........................................... 7
Figura 5 Ejemplo de diseño SoC de circuitos de señal mixta ........................................................ 9
Figura 6 Comparación entre MCM, SIP, SOC y SOP .................................................................... 11
Figura 7 Tarjeta de red ................................................................................................................ 13
Figura 8 Oblea experimental en el PRC ....................................................................................... 15
Figura 9 Fabricación de sustrato en el Georgia Tech PRC ........................................................... 15
Figura 10 Arquitectura de un transmisor RF ............................................................................... 17
Figura 11 Mapa RF - SOP ............................................................................................................ 18
CIRCUITOS INTEGRADOS Y SISTEMAS CON SEÑAL MIXTA
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Introducción a los Sistemas Industriales
TAREA 3-1: CIRCUITOS INTEGRADOS Y SISTEMAS
CON SEÑAL MIXTA
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
El objetivo es conocer y estudiar las distintas maneras que hay para
diseñar los circuitos integrados.
2. CONTENIDO
2.1 Circuitos integrados
Un circuito integrado o un circuito integrado monolítico (también
referido como un CI, un chip, o un microchip) es un conjunto de circuitos
electrónicos en una pequeña placa ("chips") de material semiconductor,
normalmente silicio. Esto puede hacerse mucho más pequeño que un circuito
discreto hecho a partir de componentes independientes.
Los circuitos integrados se utilizan en casi todos los equipos
electrónicos de hoy y han revolucionado el mundo de la electrónica.
Ordenadores, teléfonos móviles y otros electrodomésticos digitales son ahora
elementos de la estructura de las sociedades modernas, hechos posibles por
el bajo costo de producción de los circuitos integrados.
Los circuitos integrados se pueden hacer muy compactos, tienen hasta
varios millones de transistores y otros componentes electrónicos en un área
del tamaño de una uña. El ancho de cada línea conductora en un circuito (el
ancho de línea) puede hacerse más pequeña y más pequeña a medida que
avanza la tecnología; en 2008 que cayó por debajo de 100 nanómetros y en
2013 se espera que sea en las decenas de nanómetros.
Los Circuitos integrados fueron posibles gracias a descubrimientos
experimentales que demuestran que los dispositivos semiconductores pueden
realizar las funciones de los tubos de vacío y a los avances tecnológicos a
mediados de siglo 20 en fabricación de dispositivos semiconductores. La
integración de un gran número de diminutos transistores en un pequeño chip
era una enorme mejora sobre el montaje manual de los circuitos discretos
utilizando componentes electrónicos. La capacidad de producción en masa de
circuitos integrados, su confiabilidad, y el enfoque de bloques de construcción
para el diseño de circuitos garantiza la rápida adopción de los circuitos
integrados estandarizados en lugar de diseños utilizando transistores discretos.
CIRCUITOS INTEGRADOS Y SISTEMAS CON SEÑAL MIXTA
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Introducción a los Sistemas Industriales
Hay dos ventajas principales de los circuitos integrados sobre los
circuitos discretos: el costo y el rendimiento. El costo es bajo debido a los
chips, con todos sus componentes, se imprimen como una unidad por
fotolitografía en lugar de la construcción de un transistor en cada momento.
Por otra parte, se utiliza mucho menos material para construir una matriz de
CI encapsulado que para la construcción de un circuito discreto. El
rendimiento es alto debido a los componentes que cambian rápidamente y
consumen poca energía (en comparación con sus contrapartes discretas) como
resultado del pequeño tamaño y la proximidad de los componentes. A partir
de 2012, son típicas las áreas de chips de unos pocos milímetros cuadrados
a cerca de 450 mm2, con un máximo de 9 millones de transistores por mm2.
2.2 Módulos multichip
Un módulo multichip (multichip module, MCM) es un encapsulado
especializado donde múltiples circuitos integrados (CIs), matrices de
semiconductores u otros componentes discretos, son empaquetados en un
substrato unificado, facilitando su uso como un solo componente (como si
fuera un CI más grande). El MCM en sí mismo a veces es referenciado como
un "chip" en los diseños, ilustrando así su carácter integrado.
Figura 1 Cuatro procesadores y cuatro cachés externas
en un módulo multichip de cerámica
CIRCUITOS INTEGRADOS Y SISTEMAS CON SEÑAL MIXTA
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Introducción a los Sistemas Industriales
Los módulos multichip vienen en una variedad de formas dependiendo
de la complejidad y la filosofía de desarrollo de sus diseñadores. Estos
pueden ir desde el uso de pre-empaquetados ICs en una pequeña placa de
circuito impreso (PCB), destinada a imitar las conexiones del empaquetado de
un chip existente hasta los paquetes de chips totalmente personalizados
integrando muchos chips en substrato de Interconexión de Alta Densidad (High
Density Interconnection, HDI).
El encapsulado del módulo multichip es una tarea importante en la
moderna miniaturización electrónica y en los sistemas microelectrónicos. Los
MCMs son clasificados de acuerdo a la tecnología usada para crear substratos
HDI.
• MCM-L - MCM laminado. El substrato es un PCB (Printed Circuit Board,
placa de circuito impreso) multicapa.
• MCM-D - MCM depositado. Los módulos están depositados en un
substrato base usando tecnología de película fina.
• MCM-C - MCM de substrato cerámico, por ejemplo, el LTCC.
Un desarrollo relativamente nuevo en la tecnología MCM es el también
llamado encapsulado de "pila de chips". En algunos CIs, las memorias en
particular, tienen una distribución de pines idénticas cuando se usan varias
veces dentro de un sistema. Un substrato cuidadosamente diseñado puede
permitir apilar estos chips en una configuración vertical, haciendo que la
"huella" del MCM sea mucho más pequeña (aunque a costa de un chip más
grueso o más alto). Dado que el área es a menudo una ventaja en la
miniaturización de los diseños electrónicos, la pila de chips es una opción
atractiva para muchas aplicaciones, como teléfonos celulares y Asistentes
Digitales Personales (PDA).
Figura 2 Ejemplos de chips apilados (arriba) y chips de lado a lado (abajo).
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2.2 Integración a gran escala
VLSI es la sigla en inglés de Very Large Scale Integration, integración en
escala muy grande.
La integración a una gran escala de sistemas de circuitos basados
en transistores en circuitos integrados comenzó en los años 1980, como parte
de las tecnologías de semiconductores y comunicación que se estaban
desarrollando.
Los primeros chip semiconductores contenían sólo un transistor cada
uno. A medida que la tecnología de fabricación fue avanzando, se agregaron
más y más transistores, y en consecuencia más y más funciones fueron
integradas en un mismo chip. El microprocesador es un dispositivo VLSI.
Figura 3 Circuito integrado VLSI
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2.3 Circuitos de señal mixta
Los circuitos de señal mixta son circuitos integrados que contienen
circuitos analógicos y digitales combinados en un solo semiconductor.
Hasta mediados de los 90, se trataban generalmente de circuitos integrados
para conversión analógica-digital, conversión digital-analógica, módems,
alimentación electrónica o circuitos integrados de búfer digital. Los circuitos de
sonido digital están controlados también por circuitos de señal mixta. Con el
nacimiento de las tecnologías celular y de redes, esta categoría incluye
también circuitos integrados para teléfonos celulares o móviles, emisiones de
radio por software y router WAN y LAN.
Los desafíos particulares de la señal mixta incluyen:
•
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 que en
el 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.
Figura 4 Contraste de diseño de señal mixto tradicional y moderno
CIRCUITOS INTEGRADOS Y SISTEMAS CON SEÑAL MIXTA
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NECESIDAD DE LOS SISTEMAS DE SEÑAL MIXTA
Las principales razones del uso de sistemas de señal mixta son:
•
Su menos costo.
•
Permite una complejidad que no es factible con sistemas analógicos o
digitales aislados.
•
Permite soluciones que no son posibles con enfoques separados.
ASPECTOS QUE REQUIEREN ATENCIÓN EN EL DISEÑO
El diseño de señal mixta no es algo nuevo. Ha estado presente cerca
de 20 años (más o menos), pero no ha habido un cambio en los tipos de
diseños de señales mixtas que se están desarrollando hasta ahora.
En el pasado, el diseño de señal mixta era normalmente un diseño
bastante reducido que se creó utilizando una metodología manual de
diseño. Los ingenieros de diseño dibujaban los diagramas esquemáticos y
realizaban simulaciones del diseño, mientras otros ingenieros se encargaban de
la distribución física en base a los esquemas y limitaciones proporcionadas
por los ingenieros de diseño. Un programa de edición para este tipo de
circuitos era Virtuoso de Cadence que contenía herramientas útiles para su
diseño.
A medida que el contenido digital de estos diseños de señal mixta
creció más allá de un número manejable de casos, un enfoque puramente
manual de se convirtió rápidamente en un importante problema. En su lugar,
los equipos de diseño miraron a soluciones más automatizadas de
implementación digital, basadas en la metodología estándar ASIC. Un ejemplo
del creciente uso de estas nuevas tecnologías ha hecho que empresas como
Cadence hayan creado un producto específico para estos diseños, llamado
Virtuoso Implementación Digital (conocida como VDI), que complementa
Virtuoso y permite la ejecución automática digital para un máximo de 50 mil
casos. VDI ha experimentado un rápido crecimiento, lo que refleja el
crecimiento de este tipo de diseño de señal mixta.
En los últimos dos años, ha habido un número creciente de sistemas de
señal mixta en chip (SoC) diseños muy grandes y muy complejos que
contienen múltiples componentes digitales y analógicas totalmente distribuidos
por todo el chip. Un ejemplo simple de un diseño de este tipo se muestra en
la Figura 1.
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Figura 5 Ejemplo de diseño SoC de circuitos de señal mixta
Surgen diseños adicionales y desafíos metodológicos asociados con el
desarrollo de este tipo de tecnologías avanzadas de chips SoC de señal mixta,
sobre todo en relación con el tamaño y complejidad funcional. Comenzando
con la verificación funcional precoz, donde los simuladores tienen el reto de
simular enormes listas de conexiones en grandes escalas de tiempo con el fin
de validar ampliamente que el diseño cumple con la especificación funcional.
Los retos continúan con la planificación física, implementación de señales
analógicas / digitales / mixta y, finalmente, validar el diseño antes de su
grabación.
La creación de grandes diseños significará que la administración de
energía será crítica, mientras que diseños con componentes totalmente
distribuidos analógicos y digitales hará necesario prestar una mayor atención a
la gestión del ruido. La tecnología de proceso avanzada, necesaria para que
esas grandes cantidades de funcionalidades que deben integrarse en el mismo
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Introducción a los Sistemas Industriales
chip, obliga aún más a prestar atención en el diseño de técnicas de
fabricación, pudiéndose esperar rendimientos más bajos.
Estos desafíos de diseño, además de las predicciones de la industria
que dicen que prácticamente cada diseño será un diseño de señales mixtas en
un futuro no muy lejano, están ganando la atención por razones obvias.
2.3 SOP vs SOC vs MCM
En el concepto de System on Package (SOP), el paquete de chips de
tamaño es el sistema. Mientras que los "sistemas" del pasado consistían en
cajas voluminosas de cientos de componentes que realizaban una tarea, el
concepto SOP consiste en un sistema de múltiples funciones.
Estas funciones incluyen la computación, la comunicación, los consumidores y
bio-médico-no una o la otra, pero todas estas funciones en un sistema de
paquetes de tamaño pequeño, no mayor que el tamaño de paquete del
procesador Pentium de Intel. Por lo tanto, SOP (System on Package) puede ser
considerado como "el paquete como sistema".
DIFERENCIAS
Entre las preguntas más frecuentes sobre la tecnología SOP es, "¿En
qué difieren SOP de SOC, SIP y MCM?
Los esquemas mostrados en la Figura 6 muestran los cuatro conceptos. El
concepto SOC, por ejemplo, trata de integrar numerosas funciones del sistema
en una plataforma de silicio, es decir, el chip.
Si este chip puede ser diseñado y fabricado de forma rentable con la
computación, comunicación y funciones de consumo como un procesador,
memoria, gráficos, antenas, filtros, conmutadores, guías de onda ópticas y
otros componentes necesarios para formar el sistema, entonces lo necesario
para el paquete se comporte como un sistema será alimentación y un sistema
de refrigeración.
Por lo tanto, si esto se puede realizar, SOC promete el sistema más
compacto y de bajo peso capaz de ser producido en masa. Este ha sido y
sigue siendo la hoja de ruta de las empresas de IC.
En consecuencia, la pregunta clave es si SOC puede conducir a sistemas de
productos finales rentables y completos como los teléfonos móviles de última
generación, portátiles y estaciones de trabajo.
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Figura 6 Comparación entre MCM, SIP, SOC y SOP
LÍMITES FUNDAMENTALES
Los investigadores de todo el mundo, mientras consiguen grandes
progresos, se están dando cuenta que la tecnología SOC en el largo plazo
presenta unos límites fundamentales de computación e integración de las
comunicaciones inalámbricas.
Los desafíos SOC incluyen tiempos de diseño largo, debido a las
complejidades de integración, los altos costes de fabricación de obleas, los
costes de la prueba, la complejidad de procesamiento de señal mixta y flujo
IP. Los altos costes de señal mixta se deben a componentes activos, pero
dispares, tales como transistores bipolares y CMOS, SiGe y a semiconductores
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mixtos como InGaAs y pasivos mixtos, tales como RF, componentes ópticos y
MEMS basados en osciladores RF que se deben integrar en un solo chip.
SIP (System in Package)
SIP (Sistema en paquete), que se define como el apilamiento vertical de
circuitos integrados similares o diferentes, en contraste con la naturaleza
horizontal de SOC, esto reduce algunas de las limitaciones del silicio.
Sin embargo, si todos los circuitos integrados en la pila están limitados
al procesamiento CMOS, el producto final está limitado por las barreras
celulares digitales y la integración Wireless de SOC. Sin embargo, hay
beneficios claros, incluyendo el diseño más simple, la verificación del diseño y
del proceso, menores tiempos de lanzamiento al mercado y flujos menores de
IP.
Debido a estas ventajas, unos 30 IC y empresas de fabricación se están
preparando a lo grande para producir módulos multichip basados en SIP.
REAGRUPACIÓN Good Die Bare
¿En qué se diferencian estos SIPs de los MCM? El MCM fue inventado
en IBM en la década de 1970 con el único propósito de reagrupar buenos
circuitos integrados directamente en un paquete de cerámica, ya que los chips
no pueden ser producidos con un rendimiento aceptable en la oblea de silicio
original.
Estos MCM originales son módulos horizontales o de dos
dimensiones. Los nuevos MCM basados en SIP, sin embargo, son MCM
verticales o tridimensionales. SIP parece venir en dos formas: una como un 3D
de apilamiento de similares circuitos integrados, tales como DRAM, y el
apilamiento de circuitos integrados distintos, tales como el procesador,
memoria DRAM y memoria flash, diseñados para abordar las necesidades del
sistema.
Si bien la tecnología de silicio es adecuada para las mejoras de
densidad de transistores de un año a otro, no es una plataforma óptima para
la integración de componentes ópticos y de RF.
CIRCUITOS INTEGRADOS Y SISTEMAS CON SEÑAL MIXTA
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VARIACIÓN SOP
Se puede pensar en SIP como una variación de SOP. El SIP aquí
presenta estrictamente chips de silicio interconectados, de la misma manera
que los MCM, y por lo tanto esta tecnología está limitada por CMOS. ¿Pero
qué pasaría si los paquetes SIP contribuyesen a los objetivos del sistema de
una manera que por sí sola no puede únicamente la tecnología CMOS, tales
como sistemas digitales embebidos, RF y funciones ópticas? Esta contribución
es, pues, una clara evolución hacia la SOP, ya que optimiza el rendimiento del
IC. Junto con las funciones de RF y óptica embebida, aporta una sinergia a
los sistemas en términos de coste, rendimiento y microminiaturización.
El paradigma SOP da un paso más en la superación de deficiencias
fundamentales como en la integración de SOC y SIP, que están limitados por
el procesamiento CMOS.
Si bien la tecnología de silicio es idónea por las mejoras en la
densidad de transistores de un año a otro, no es una plataforma óptima para
la integración de componentes de RF y ópticos.
PENSANDO EN LA NANOESCALA
El concepto SOP supera los límites fundamentales de SOC. La
integración de IC se mueve hacia la nanoescala aumentando la resistencia
del cableado, y los tiempos globales de retardo de cableado son demasiado
altos para las aplicaciones informáticas.
Este retraso conduce a la latencia, que puede evitarse moviendo el
cableado global desde la nanoescala en circuitos integrados a la microescala
en el paquete.
Los límites de integración inalámbrica del SOC también se manejan bien
por el SOP. Los componentes de RF, tales como condensadores, filtros,
antenas, interruptores y de alta frecuencia y de alto factor Q como
inductores, están mejor fabricados en el paquete en lugar de en el silicio.
Figura 7 Tarjeta de red
CIRCUITOS INTEGRADOS Y SISTEMAS CON SEÑAL MIXTA
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CONDENSADOR DE DESACOPLO
Para satisfacer la necesidad de condensadores de desacoplo necesarios
para suprimir el ruido de potencia esperada (asociada con circuitos de muy
alto rendimiento que utilizan más de 200W/chip), una parte importante del
área del chip tendría que ser dedicada solamente a condensadores de
desacoplo.
Las compañías de semiconductores no se dedican al negocio de los
condensadores, que están dentro del negocio de los transistores, y los más
altos factores Q reportados en el silicio son aproximadamente de 10 a 25, en
contraste con 250-500 logrados en paquetes.
La optoelectrónica, que encuentra uso en la actualidad sobre todo en
los backplane y que se utiliza para interconexiones de alta velocidad en la
placa, avanza en paquetes de chip a chip de alta velocidad, interconexiones
de alta velocidad sustituyen al cobre.
INVESTIGACIONES EN SOP
Desde que SOP tratará la integración de componentes activos y pasivos
de incrustación, la investigación es un fenómeno generalizado. La integración
de condensadores, inductores y resistencias está en marcha en más de 20
laboratorios de todo el mundo.
La figura 7 muestra el primer prototipo de un solo módulo de SOP, el
comunicador de Red Inteligente (INC), que incluye digital integrada, RF y
funciones ópticas en un único módulo.
Investigaciones en sistemas backplane optoelectrónicos embebidos
también están puestos en marcha. El centro de Investigación de Empaques de
Georgia Tech, (Figura 8) va un paso más allá para diseñar sistemas de señales
mixtas, la fabricación de cableado de densidad. El PRC también integra no
sólo condensadores y resistencias, también filtros, antenas y conmutadores, así
como optoelectrónica de chip a chip con guías de ondas embebidas,
detectores, rejillas y acopladores.
Investigaciones SOP en PRC están centradas en nueve áreas de
vanguardia, digital, RF, óptica, montaje, térmicos, prueba de señal mixta y
fiabilidad. El concepto SOP, creemos, será aplicado por las empresas de
paquetes y, así como por las empresas de semiconductores, estas último
como a nivel de oblea SOP (Figura 9).
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Figura 9 Fabricación de sustrato en el
Georgia Tech PRC
Figura 8 Oblea experimental en el PRC
2.4 RF - SOP para comunicaciones Wireless
La nueva revolución industrial, a menudo llamada "tercera ola" o
tecnología de la información (TI), está centrada en la fabricación. Los
productos de esta revolución requerirán diferentes tecnologías de sistemas
hardware: aquellos con multifunciones, como digitales, analógicos, de RF, y
circuitería óptica. El diseño de RF y microondas han sido establecidos como
tecnologías clave de esta revolución. La demanda creciente de mayor cantidad
de datos, voz y vídeo conduce a la tecnología de RF a frecuencias cada vez
más altas donde el ancho de banda para la capacidad del canal es fácil de
encontrar. Este tipo de aplicaciones de alto rendimiento emergentes como las
redes de comunicación personal, redes de área local inalámbricas (WLAN) y
Redes RF-ópticos han definido una tendencia hacia sistemas más flexibles y
reconfigurables. Imponiendo muy estrictas especificaciones nunca antes
alcanzadas en términos de bajo nivel de ruido, alta linealidad, bajo consumo
de energía, tamaño pequeño, peso reducido y bajo coste.
El módulo delantero RF es la base de estos sistemas, y su integración
plantea un gran desafío. La tecnología microelectrónica, desde la invención del
transistor, ha revolucionado muchos aspectos de los productos electrónicos.
Esta integración y la evolución de los costes ha llevado a la industria de la
microelectrónica a creer que este tipo de progreso puede continuar para
siempre, dando lugar a la llamada "system on chip" (SOC) para todas las
aplicaciones. Pero cada vez está más claro que la producción de una solución
completa para la nueva comunicación inalámbrica es todavía un sueño.
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Introducción a los Sistemas Industriales
Cuando se tiene en cuenta las características de un módulo RF
•
•
•
•
•
•
•
•
alto rendimiento hasta la frecuencia de funcionamiento de 100 GHz
un gran número de componentes discretos de altos rendimiento
flexibilidad de diseño
la arquitectura reconfigurable
bajo consumo de energía
compacidad
personalización del producto
corto tiempo en el mercado y de bajo coste
el enfoque de sistemas (SOP) se ha convertido en el más eficaz para
proporcionar una solución de integración realista, ya que se basa en la
tecnología de múltiples capas usando materiales de bajo coste y alto
rendimiento. Esquemas de interconexión multicapa con topología híbrida de
alta densidad, así como diversas estructuras compactas pasivas, incluyendo los
inductores, condensadores, y los filtros, se pueden integrar directamente en el
sustrato. Por lo tanto, un módulo de alto rendimiento se puede implementar y
al mismo tiempo lograr un coste y tamaño reducido.
Se ilustra a continuación el comportamiento del módulo integrado SOP
de próxima generación, incluyendo
• las características del concepto de SOP para el módulo RF
• los esfuerzos desarrollos de la biblioteca pasiva incrustado
• y los módulos de 3D para aplicaciones inalámbricas
• alto rendimiento, base orgánica, módulos multichip (MCM)
QUÉ ES RF SOP
En el futuro, la comunicación inalámbrica requerirá un mejor
rendimiento, menor coste y menor tamaño del módulo RF. Para cumplir con
estas especificaciones críticas, es común el uso de componentes discretos
pasivos, tales como onda acústica de superficie (SAW) filtros y bobinas de
empacadas. Aunque se ha realizado mucho esfuerzo en el desarrollo SOC en
áreas RF utilizando tecnologías básicas de Si, SOC se considera una solución
para aplicaciones limitadas, tales como Bluetooth. El reciente desarrollo de los
materiales y procesos en paquetes hace que sea posible llevar el concepto de
SOP al mundo de RF para satisfacer las necesidades estrictas de la
comunicación inalámbrica. RF-SOP sirve "para proporcionar una solución de
empaquetado completa para el módulo de RF mediante la integración de los
componentes y MMIC pasivos embebidos a nivel de paquete".
Para explicar este concepto, una configuración del sistema general de
CIRCUITOS INTEGRADOS Y SISTEMAS CON SEÑAL MIXTA
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un transmisor inalámbrico se muestra en la Figura 10.
Figura 10 Arquitectura de un transmisor RF
El módulo está compuesto de un circuito integrado monolítico de
microondas Chipset (MMIC) [amplificador de potencia (PA), un amplificador de
bajo ruido de potencia (LNA), mezclador de arriba a abajo (MIX), y un
oscilador controlado por voltaje (VCO)] y componentes pasivos (filtro, antena, y
elementos pasivos discretos de alto Q exteriores para bloques con estrictos
requisitos, tales como PA y el VCO).
El enfoque RF-SOP incluye
•
•
•
la sustitución de los componentes pasivos discretos por embebidos
la adición de más bloques funcionales, tales como una antena
la optimización del rendimiento del MMIC chipset mediante la sustitución
de componentes pasivos con componente pasivos de alto-Q embebidos
en el chip
La figura 11 es una hoja de ruta para el enfoque RF-SOP. Es importante
tener en cuenta que la elección de elementos pasivos en el chip o fuera del
chip depende de la banda de frecuencia, esquema de modulación, dispositivos
disponible y la tecnología de empacado.
CIRCUITOS INTEGRADOS Y SISTEMAS CON SEÑAL MIXTA
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Figura 11 Mapa RF - SOP
Por ejemplo, la linealidad y la eficiencia de PA determinarán la elección de un
circuito on chip/off chip que corresponda.
En VCO, la necesidad de un inductor de alta Q en chip se determina por la
especificación de ruido de fase que está llegando a partir de un esquema de
modulación. Las ventajas de RF-SOP son
• menor coste mediante el uso pasivo integrado en lugar de componentes
discretos
• flexibilidad de los diseños MMIC mediante el uso de sistemas pasivos de
alta Q
• minimizar la pérdida y los efectos parásitos mediante la reducción del
número de interconexiones
• la reducción del tamaño del módulo mediante la adopción de chips
multicapa
• facilidad de realización de módulos de RF de múltiples funciones en un
solo chip
• capacidad de manejo de alta potencia mejor que en chips MMIC
Sin embargo, todavía hay algunos problemas que hay que superar, como
• interferencia entre cada uno de los bloques en un chip
• demasiados grados de libertad en los chips multicapa para construir
una biblioteca de diseño
• restricciones de tamaño, si una antena está incluido en el chip
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3. CONCLUSIONES
Los sistemas de señal mixta son de gran importancia pues aúnan las
ventajas analógicas con las digitales. Este interés en estos sistemas ha
producido una notable evolución en su diseño pasando por distintas
metodologías VLSI, SOP, SOC. Cada uno de estos métodos de diseño tiene
diferencias que les hace más adecuados para ciertas aplicaciones que otros.
En aplicaciones que requieren de un módulo RF es más idóneo el diseño SOP
que el SOC por ejemplo.
4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS
5. ENLACES DE INTERÉS
Mixed-Signal Design Blog
http://www.cadence.com/community/blogs/ms/
SoC vs SoP
http://web.it.kth.se/~lrzheng/Projects/SOP_vs_SOC.pdf
CIRCUITOS INTEGRADOS Y SISTEMAS CON SEÑAL MIXTA
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