Las nuevas aplicaciones de la electrónica exigen mucho más… con menos

Es muy frecuente que en nuestros sitios de trabajo haya una constante tendencia a la reducción en los recursos destinados al desarrollo de nuestras actividades. La razón principal es la necesidad de reducir los costos de diseño, de producción y el tiempo que toma a los nuevos productos estar disponibles en el mercado.

Lo anterior no limita las metas y compromisos respecto a la calidad, disponibilidad y el desarrollo de nuevos productos. Por otro lado, el desarrollo tecnológico a nivel mundial ha acelerado esta tendencia. En otros términos, el objetivo es incrementar las ganancias invirtiendo menos recursos. Este tema tiene muchas implicaciones, pero me gustaría aprovechar la oportunidad para mostrar ejemplos que muestran que ante la presencia de nuevos retos, se pueden encontrar soluciones que mejoran de forma eficiente algunos problemas que en primera instancia son complicados.

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Figura 1

Una clara dirección en el diseño y aplicación de los circuitos electrónicos es la reducción del tamaño y del consumo de energía. En gran medida, el procesamiento digital ha hecho posible la reducción del consumo de potencia, porque éste es directamente proporcional al voltage de alimentación. La reducción en la tensión de alimentación no ha afectado de forma importante al desempeño de las secciones digitales de los circuitos electrónicos porque los niveles lógicos aún están por encima del umbral de las compuertas lógicas. Por contrario, las secciones analógicas se han restringido de forma considerable porque una baja tensión de alimentación hace que los dispositivos activos no puedan procesar las señales con una dinámica apropiada.

Para el caso específico del transitor MOS, el escalamiento de las dimensiones hace que los efectos de canal corto sean prominentes. Como resultado, los transistores no pueden funcionar como fuentes de corriente ideales porque cuentan con una resistencia de canal bastante reducida. Otra consecuencia del escalamiento de los dispositivos es la reducción en la transconductancia. En conjunto, los bajos niveles de transconductancia, resistencia de canal y un límite fuerte en el rango de operación de los circuitos analógicos han complicado el diseño de nuevos productos.

Un notable ejemplo es la reducción de la ganancia en voltage en los amplificadores operacionales. Con los nuevos procesos de manufactura es muy complicado tener un amplificador de tensión con una ganancia mayor a cien. No obstante, casi todas las topologías de filtros, convertidores de datos, etcétera, están fundamentadas en un amplificador operacional de ganancia infinita. Lo anterior no indica, como se comentó en unos párrafos antes, que las especificaciones de los circuitos y aplicaciones puedan venir a menos. Todo lo contrario, los convertidores buscan una mayor resolución, los filtros bandas más angostas y además todos los circuitos deben ser confiables. En otras palabras, los circuitos integrados deben ser poco sensibles a las variaciones del proceso de manufactura, temperatura y tensión de alimentación.

Figura 2

Figura 2

Una solución es buscar un circuito que substituya al amplificador operacional, pero en la mayoría de los casos es necesario este elemento activo. ¿Qué otra cosa podemos hacer? Otra alternativa es buscar soluciones viejas a nuevos problemas. En el pasado se hicieron algunas propuestas para compensar el efecto de ganancia finita en amplificadores operacionales para circuitos que operan en tiempo discreto. En nuestro caso, observamos el comportamiento de los circuitos con amplificadores operacionales de baja ganancia y nos dimos cuenta de que la referencia analógica es inestable cuando hay una baja ganancia en el operacional. Una representación gráfica se muestra en la Figura 1a). En esta representación se muestra el impacto de la ganancia en DC de un amplificador operacional. Con base en este razonamiento, los nodos de tierra virtual en un amplificador con una ganancia grande son mucho más estables comparándolo con uno de baja ganancia.

Entonces, observando este efecto hemos propuesto monitorear la tierra virtual en un amplificador operacional. La Figura 1b) muestra una posible forma mediante la inyección de una corriente que compensa el efecto indeseable de la baja ganancia en DC del amplificador operacional. La inyección de la corriente se realiza a través de un circuito auxiliar que para el caso mostrado es una etapa de transconductancia. Esta solución permite que el efecto de la ganancia finita tenga menor impacto en la operación fundamental del circuito activo con un incremento mínimo en el consumo de recursos. La técnica abre la posibilidad del uso de amplificadores de una sola etapa, evitando los amplificadores de múltiples etapas que necesitan una compensación en frecuencia para asegurar su estabilidad. En la Figura 2 se muestra el resultado de la activación de la propuesta en un circuito integrado de aplicación específica. Hasta ahora, ha sido posible incorporar el compensador de ganancia finita en un circuito integrador analógico puesto que el integrador es una celda fundamental en muchos circuitos de procesamiento analógico y de control. El integrador mostrado es parte fundamental de un convertidor de datos en un proceso de manufactura de 65nm en una tecnología CMOS complementaria.

Este es solo un ejemplo de los retos a los que nos estamos enfrentando en la solución de los problemas que surgen con los nuevos procesos de manufactura en circuitos electrónicos integrados. Soluciones de esta naturaleza pueden encontrarse a partir de la experiencia de ingenieros de diseño especializados como los que se han preparado y se están preparando en la Facultad de Ciencias de la Electrónica en la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. Con el fin de impulsar el desarrollo tecnológico a través de una relación entre la investigación aplicada y el sector industrial, las soluciones a problemas de esta índole se han sometido a revisión para su protección ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Intelectual (IMPI). De estas solicitudes estamos comenzando a obtener los registros de patente. Sin duda éste es solo el inicio de un camino muy largo para incrementar la actividad del diseño electrónico de alto desempeño en nuestra entidad y por consecuencia en nuestro país.

 

vicrodolfo.gonzalez@correo.buap.mx