Un circuito integrado de señal mixta es cualquier circuito integrado que tiene circuitos analógicos y circuitos digitales en una única matriz semiconductora . [1] [2] [3] [4] Su uso ha crecido drásticamente con el aumento del uso de teléfonos celulares , telecomunicaciones , electrónica portátil y automóviles con electrónica y sensores digitales .
Los circuitos integrados (CI) se clasifican generalmente como digitales (por ejemplo, un microprocesador ) o analógicos (por ejemplo, un amplificador operacional ). Los CI de señal mixta contienen circuitos tanto digitales como analógicos en el mismo chip y, a veces, software integrado . Los CI de señal mixta procesan señales analógicas y digitales juntas. Por ejemplo, un convertidor analógico a digital (ADC) es un circuito de señal mixta típico.
Los circuitos integrados de señal mixta se utilizan a menudo para convertir señales analógicas en señales digitales, de modo que los dispositivos digitales puedan procesarlas. Por ejemplo, los circuitos integrados de señal mixta son componentes esenciales para los sintonizadores de FM en productos digitales, como los reproductores multimedia, que tienen amplificadores digitales. Cualquier señal analógica se puede digitalizar utilizando un convertidor analógico-digital muy básico, y los circuitos integrados de señal mixta más pequeños y con mayor eficiencia energética son los circuitos integrados de señal mixta.
Los circuitos integrados de señal mixta son más difíciles de diseñar y fabricar que los circuitos integrados exclusivamente analógicos o exclusivamente digitales. Por ejemplo, un circuito integrado de señal mixta eficiente puede tener sus componentes digitales y analógicos compartiendo una fuente de alimentación común. Sin embargo, los componentes analógicos y digitales tienen necesidades de energía y características de consumo muy diferentes, lo que hace que este sea un objetivo nada trivial en el diseño de chips.
La funcionalidad de señal mixta involucra tanto elementos activos tradicionales (como transistores ) como elementos pasivos de buen rendimiento (como bobinas , capacitores y resistencias ) en el mismo chip. Esto requiere una comprensión adicional del modelado y opciones de tecnologías de fabricación. Es posible que se necesiten transistores de alto voltaje en las funciones de administración de energía en un chip con funcionalidad digital, posiblemente con un sistema de procesador CMOS de bajo consumo . Algunas tecnologías avanzadas de señal mixta pueden permitir la combinación de elementos de sensores analógicos (como sensores de presión o diodos de imágenes) en el mismo chip con un ADC.
Por lo general, los circuitos integrados de señal mixta no necesitan necesariamente el rendimiento digital más rápido. En cambio, necesitan modelos más maduros de elementos activos y pasivos para simulaciones y verificaciones más precisas, como para la planificación de la capacidad de prueba y las estimaciones de confiabilidad. Por lo tanto, los circuitos de señal mixta generalmente se realizan con anchos de línea más grandes que la lógica digital más densa y de mayor velocidad, y las tecnologías de implementación pueden estar entre dos y cuatro generaciones por detrás de las últimas tecnologías de implementación solo digitales. Además, el procesamiento de señales mixtas puede necesitar elementos pasivos como resistencias, capacitores y bobinas, que pueden requerir metal especializado, capas dieléctricas o adaptaciones similares de los procesos de fabricación estándar. Debido a estos requisitos específicos, los circuitos integrados de señal mixta y los circuitos integrados digitales pueden tener diferentes fabricantes (conocidos como fundiciones ).
Existen numerosas aplicaciones de circuitos integrados de señal mixta, como en teléfonos móviles , sistemas de radio y telecomunicaciones modernos , sistemas de sensores con interfaces digitales estandarizadas en chip (incluidos I2C , UART , SPI o CAN), procesamiento de señales relacionadas con la voz, electrónica aeroespacial y espacial, Internet de las cosas (IoT), vehículos aéreos no tripulados (UAV) y automóviles y otros vehículos eléctricos. Los circuitos o sistemas de señal mixta suelen ser soluciones rentables, como para construir productos electrónicos de consumo modernos y en aplicaciones industriales, médicas, de medición y espaciales.
Entre los ejemplos de circuitos integrados de señal mixta se incluyen los convertidores de datos que utilizan modulación delta-sigma , los convertidores analógico-digitales y los convertidores digital-analógicos que utilizan detección y corrección de errores , y los chips de radio digital . Los chips de sonido controlados digitalmente también son circuitos de señal mixta. Con la llegada de la tecnología celular y de redes, esta categoría ahora incluye circuitos integrados de telefonía celular , radio por software y enrutadores LAN y WAN .
Por lo general, los chips de señal mixta realizan una función completa o una subfunción en un conjunto más grande, como el subsistema de radio de un teléfono celular o la ruta de datos de lectura y la lógica de control SLED láser de un reproductor de DVD . Los CI de señal mixta a menudo contienen un sistema completo en un chip . También pueden contener bloques de memoria en chip (como OTP ), lo que complica la fabricación en comparación con los CI analógicos. Un CI de señal mixta minimiza las interconexiones fuera del chip entre la funcionalidad digital y analógica en el sistema (generalmente reduce el tamaño y el peso debido al empaquetado minimizado y un sustrato de módulo más pequeño ) y, por lo tanto, aumenta la confiabilidad del sistema.
Debido al uso tanto de procesamiento de señales digitales como de circuitos analógicos, los circuitos integrados de señal mixta suelen estar diseñados para un propósito muy específico. Su diseño requiere un alto nivel de experiencia y un uso cuidadoso de herramientas de diseño asistido por ordenador (CAD). También existen herramientas de diseño específicas (como simuladores de señales mixtas) o lenguajes de descripción (como VHDL-AMS ). Las pruebas automatizadas de los chips terminados también pueden ser un desafío. Teradyne , Keysight y Advantest son los principales proveedores de equipos de prueba para chips de señal mixta.
La fabricación de circuitos de señal mixta presenta varios desafíos particulares:
Los dispositivos de señal mixta están disponibles como piezas estándar, pero a veces se necesitan circuitos integrados específicos para aplicaciones (ASIC) diseñados a medida. Los ASIC están diseñados para nuevas aplicaciones, cuando surgen nuevos estándares o cuando se implementan nuevas fuentes de energía [ aclaración necesaria ] en el sistema. Debido a su especialización, los ASIC generalmente solo se desarrollan cuando se estima que los volúmenes de producción serán altos. La disponibilidad de bloques IP de señal analógica y mixta listos y probados de fundiciones o casas de diseño especializadas ha reducido la brecha para realizar ASIC de señal mixta.
También existen matrices de puertas programables en campo (FPGAs) de señal mixta y microcontroladores . [nota 1] En estos, el mismo chip que maneja la lógica digital puede contener estructuras de señal mixta como convertidores analógico-digitales y digital-analógicos, amplificadores operacionales o bloques de conectividad inalámbrica. [8] Estos FPGAs y microcontroladores de señal mixta están cerrando la brecha entre los dispositivos de señal mixta estándar, los ASIC totalmente personalizados y el software integrado; ofrecen una solución durante el desarrollo del producto o cuando el volumen del producto es demasiado bajo para justificar un ASIC. Sin embargo, pueden tener limitaciones de rendimiento, como la resolución de los convertidores analógico-digitales, la velocidad de la conversión digital-analógica o un número limitado de entradas y salidas. No obstante, pueden acelerar el diseño de la arquitectura del sistema, la creación de prototipos e incluso la producción (a escalas pequeñas y medianas). Su uso también puede ser respaldado por placas de desarrollo, comunidad de desarrollo y posiblemente soporte de software.
El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, después de que Frosch y Derick descubrieran y utilizaran la pasivación superficial con dióxido de silicio para crear los primeros transistores planares, los primeros en los que el drenador y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. [9] [10] [11] [12] [13] La invención del circuito integrado de silicio por Robert Noyce y Jack Kilby fue posible gracias al proceso planar desarrollado por Jean Hoerni. [14] A su vez, el proceso planar de Hoerni se inspiró en el método de pasivación superficial desarrollado en Bell Labs por Carl Frosch y Lincoln Derick en 1955 y 1957. [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]
La tecnología MOS finalmente se volvió práctica para aplicaciones de telefonía con el circuito integrado de señal mixta MOS , que combina el procesamiento de señales analógicas y digitales en un solo chip, desarrollado por el ex ingeniero de Bell David A. Hodges con Paul R. Gray en UC Berkeley a principios de la década de 1970. [22] En 1974, Hodges y Gray trabajaron con RE Suarez para desarrollar la tecnología de circuito de capacitores conmutados (SC) MOS , que utilizaron para desarrollar un chip convertidor de digital a analógico (DAC), utilizando capacitores MOS e interruptores MOSFET para la conversión de datos. [22] Los chips convertidores de analógico a digital (ADC) y DAC MOS se comercializaron en 1974. [23]
Los circuitos MOS SC llevaron al desarrollo de chips de filtro de códec de modulación de código de pulso (PCM) a fines de la década de 1970. [22] [24] El chip de filtro de códec PCM CMOS (MOS complementario) de compuerta de silicio , desarrollado por Hodges y WC Black en 1980, [22] ha sido desde entonces el estándar de la industria para la telefonía digital . [22] [24] En la década de 1990, las redes de telecomunicaciones como la red telefónica pública conmutada (PSTN) se habían digitalizado en gran medida con filtros de códec PCM CMOS de integración a muy gran escala (VLSI), ampliamente utilizados en sistemas de conmutación electrónica para centrales telefónicas , centrales privadas (PBX) y sistemas telefónicos clave (KTS); módems de extremo de usuario ; aplicaciones de transmisión de datos como portadoras de bucle digital , multiplexores de ganancia de par , extensores de bucle telefónico , terminales de red digital de servicios integrados (ISDN), teléfonos inalámbricos digitales y teléfonos celulares digitales ; y aplicaciones tales como equipos de reconocimiento de voz , almacenamiento de datos de voz , correo de voz y contestadores automáticos digitales sin cinta . [24] El ancho de banda de las redes de telecomunicaciones digitales ha aumentado rápidamente a un ritmo exponencial, como lo observa la ley de Edholm , [25] impulsado en gran medida por el rápido escalamiento y miniaturización de la tecnología MOS. [26] [22]
Mientras trabajaba en Bell Labs a principios de la década de 1980, el ingeniero paquistaní Asad Abidi trabajó en el desarrollo de la tecnología VLSI ( integración a muy gran escala ) de transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico ( MOSFET ) submicrónicos en el Laboratorio de Desarrollo Avanzado de LSI, junto con Marty Lepselter, George E. Smith y Harry Bol. Como uno de los pocos diseñadores de circuitos del laboratorio, Abidi demostró el potencial de la tecnología de circuitos integrados NMOS submicrónicos en circuitos de comunicación de alta velocidad y desarrolló los primeros amplificadores MOS para velocidades de datos de Gb/s en receptores de fibra óptica . El trabajo de Abidi fue recibido inicialmente con escepticismo por los defensores del arseniuro de galio y los transistores de unión bipolar , las tecnologías dominantes para circuitos de alta velocidad en ese momento. En 1985, se unió a la UCLA , donde fue pionero en la tecnología CMOS de RF a fines de la década de 1980. Su trabajo cambió la forma en que se diseñarían los circuitos de radiofrecuencia (RF) , alejándose de los transistores bipolares discretos y avanzando hacia los circuitos integrados CMOS . [27]
Abidi investigó circuitos CMOS analógicos para el procesamiento de señales y las comunicaciones desde finales de los años 1980 hasta principios de los años 1990. A mediados de los años 1990, la tecnología RF CMOS de la que fue pionero fue ampliamente adoptada en las redes inalámbricas , a medida que los teléfonos móviles comenzaron a ser de uso generalizado. A partir de 2008, los transceptores de radio en todos los dispositivos de redes inalámbricas y teléfonos móviles modernos se producen en masa como dispositivos RF CMOS. [27]
Los procesadores de banda base [28] [29] y los transceptores de radio en todos los dispositivos de redes inalámbricas y teléfonos móviles modernos se producen en masa utilizando dispositivos RF CMOS. [27] Los circuitos RF CMOS se utilizan ampliamente para transmitir y recibir señales inalámbricas en una variedad de aplicaciones, como tecnología satelital (como GPS ), Bluetooth , Wi-Fi , comunicación de campo cercano (NFC), redes móviles (como 3G , 4G y 5G ), transmisión terrestre y aplicaciones de radar automotriz , entre otros usos. [30] La tecnología RF CMOS es crucial para las comunicaciones inalámbricas modernas, incluidas las redes inalámbricas y los dispositivos de comunicación móvil . [31]
fairchild planar Creando Silicon Valley.