Un circuito integrado de señal mixta es cualquier circuito integrado que tiene tanto circuitos analógicos como digitales en una única matriz semiconductora . [1] [2] [3] [4] Su uso ha crecido dramáticamente con el mayor uso de teléfonos celulares , telecomunicaciones , dispositivos electrónicos portátiles y automóviles con dispositivos electrónicos y sensores digitales .
Los circuitos integrados (CI) generalmente se clasifican en digitales (por ejemplo, un microprocesador ) o analógicos (por ejemplo, un amplificador operacional ). Los circuitos integrados de señal mixta contienen circuitos digitales y analógicos en el mismo chip y, a veces, software integrado . Los circuitos integrados de señales mixtas procesan señales analógicas y digitales juntas. Por ejemplo, un convertidor analógico a digital (ADC) es un circuito típico de señal mixta.
Los circuitos integrados de señales mixtas se utilizan a menudo para convertir señales analógicas en señales digitales para 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 ADC muy básico, y los más pequeños y energéticamente eficientes son los circuitos integrados de señal mixta.
Los circuitos integrados de señales mixtas son más difíciles de diseñar y fabricar que los circuitos integrados únicamente analógicos o digitales. Por ejemplo, un IC de señal mixta eficiente puede hacer que sus componentes digitales y analógicos compartan 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 no 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 conocimientos adicionales de 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 señales mixtas pueden permitir combinar elementos de sensores analógicos (como sensores de presión o diodos de imágenes) en el mismo chip con un ADC.
Normalmente, 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 por ejemplo 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 mayores que la velocidad más alta y la lógica digital más densa, y las tecnologías de implementación pueden estar de dos a cuatro generaciones por detrás de las últimas tecnologías de implementación exclusivamente digitales. Además, el procesamiento de señales mixtas puede necesitar elementos pasivos como resistencias, condensadores y bobinas, que pueden requerir metales especializados, 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 señales mixtas, como en teléfonos móviles , sistemas modernos de radio y telecomunicaciones , 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 vehículos automotrices y otros vehículos eléctricos. Los circuitos o sistemas de señales mixtas suelen ser soluciones rentables, como para la construcción de productos electrónicos de consumo modernos y en aplicaciones industriales, médicas, de medición y espaciales.
Ejemplos de circuitos integrados de señal mixta incluyen convertidores de datos que utilizan modulación delta-sigma , convertidores analógico-digital y convertidores digital-analógico que utilizan detección y corrección de errores , y chips de radio digitales . 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 teléfonos celulares , software de radio y circuitos integrados de enrutadores LAN y WAN .
Normalmente, los chips de señal mixta realizan alguna función o subfunción completa en un conjunto más grande, como el subsistema de radio de un teléfono celular , o la ruta de lectura de datos y la lógica de control láser SLED de un reproductor de DVD . Los circuitos integrados de señal mixta suelen contener un sistema completo en un chip . También pueden contener bloques de memoria en el chip (como OTP ), lo que complica la fabricación en comparación con los circuitos integrados analógicos. Un CI de señal mixta minimiza las interconexiones fuera del chip entre la funcionalidad digital y analógica del sistema (normalmente reduce el tamaño y el peso debido a un embalaje 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 señales mixtas generalmente se diseñan para un propósito muy específico. Su diseño requiere un alto nivel de experiencia y un uso cuidadoso de herramientas de diseño asistido por computadora (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.
Existen varios desafíos particulares en la fabricación de circuitos de señales mixtas:
Los dispositivos de señal mixta están disponibles como piezas estándar, pero a veces son necesarios circuitos integrados para aplicaciones específicas (ASIC) diseñados a medida. Los ASIC están diseñados para nuevas aplicaciones, cuando surgen nuevos estándares o cuando se implementan nuevas fuentes de energía [ se necesita aclaración ] en el sistema. Debido a su especialización, los ASIC normalmente solo se desarrollan cuando se estima que los volúmenes de producción son altos. La disponibilidad de bloques IP de señal mixta y analógica listos y probados de fundiciones o casas de diseño dedicadas ha reducido la brecha para realizar ASIC de señal mixta.
También existen microcontroladores y matrices de puertas programables en campo (FPGA) de señal mixta . [nota 1] En estos, el mismo chip que maneja la lógica digital puede contener estructuras de señales mixtas como convertidores de analógico a digital y de digital a analógico, amplificadores operacionales o bloques de conectividad inalámbrica. [8] Estos FPGA y microcontroladores de señal mixta están cerrando la brecha entre los dispositivos estándar de señal mixta, 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 de analógico a digital, la velocidad de conversión de digital a analógico o un número limitado de entradas y salidas. Sin embargo, pueden acelerar el diseño de la arquitectura del sistema, la creación de prototipos e incluso la producción (a pequeña y mediana escala). Su uso también puede ser respaldado por placas de desarrollo, comunidad de desarrollo y posiblemente soporte de software.
El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET o transistor MOS) fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Telephone Laboratories en 1959, y poco después se propuso el chip del circuito integrado MOS (MOS IC). Sin embargo, Bell inicialmente pasó por alto la tecnología MOS porque no la encontró práctica para aplicaciones telefónicas analógicas, antes de que Fairchild y RCA la comercializaran para electrónica digital como computadoras . [9] [10] La tecnología MOS eventualmente se volvió práctica para aplicaciones de telefonía con el circuito integrado de señal mixta MOS , que combina 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 los años 1970. [10] En 1974, Hodges y Gray trabajaron con RE Suarez para desarrollar la tecnología de circuito de condensador conmutado (SC) MOS, que utilizaron para desarrollar un chip convertidor digital a analógico (DAC), utilizando condensadores MOS e interruptores MOSFET para la conversión de datos. . [10] El convertidor analógico a digital (ADC) MOS y los chips DAC se comercializaron en 1974. [11]
Los circuitos MOS SC condujeron al desarrollo de chips de filtro códec de modulación de código de pulso (PCM) a finales de la década de 1970. [10] [12] El chip de filtro códec PCM CMOS (MOS complementario) de puerta de silicio , desarrollado por Hodges y WC Black en 1980, [10] ha sido desde entonces el estándar de la industria para la telefonía digital . [10] [12] En la década de 1990, las redes de telecomunicaciones , como la red telefónica pública conmutada (PSTN), se habían digitalizado en gran medida con filtros códec PCM CMOS de integración a muy gran escala (VLSI), ampliamente utilizados en sistemas de conmutación electrónica para telefonía. centrales telefónicas , centrales telefónicas privadas (PBX) y sistemas telefónicos clave (KTS); módems de usuario final ; aplicaciones de transmisión de datos tales como portadoras de bucle digital , multiplexores de ganancia de par , extensores de bucle telefónico , terminales de red digital de servicios integrados (RDSI), teléfonos inalámbricos digitales y teléfonos móviles digitales ; y aplicaciones como equipos de reconocimiento de voz , almacenamiento de datos de voz , correo de voz y contestadores automáticos digitales sin cinta . [12] El ancho de banda de las redes de telecomunicaciones digitales ha aumentado rápidamente a un ritmo exponencial, como lo observa la ley de Edholm , [13] impulsado en gran medida por el rápido escalamiento y miniaturización de la tecnología MOS. [14] [10]
Mientras trabajaba en los Laboratorios Bell 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 ) MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico ) submicrónico en el Laboratorio de Desarrollo Avanzado LSI. junto con Marty Lepselter, George E. Smith y Harry Bol. Como uno de los pocos diseñadores de circuitos en el 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 inicialmente fue recibido con escepticismo por parte de 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 incorporó a la UCLA , donde fue pionero en la tecnología RF CMOS a finales de los años 1980. Su trabajo cambió la forma en que se diseñarían los circuitos de radiofrecuencia (RF) , alejándose de los transistores bipolares discretos y acercándose a los circuitos integrados CMOS . [15]
Abidi estuvo investigando circuitos CMOS analógicos para procesamiento de señales y comunicaciones desde finales de los 80 hasta principios de los 90. A mediados de la década de 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 generalizarse. A partir de 2008, los transceptores de radio de todos los dispositivos de red inalámbrica y de los teléfonos móviles modernos se fabrican en masa como dispositivos RF CMOS. [15]
Los procesadores de banda base [16] [17] y los transceptores de radio de todos los dispositivos de redes inalámbricas y teléfonos móviles modernos se producen en masa utilizando dispositivos RF CMOS. [15] 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. [18] La tecnología RF CMOS es crucial para las comunicaciones inalámbricas modernas, incluidas las redes inalámbricas y los dispositivos de comunicación móviles . [19]