(EOL/Oswaldo Barajas).- Si de señales mixtas se trata en el desarrollo de Circuitos Integrados para Aplicaciones Específicas (ASIC, por sus siglas en inglés) el conocimiento sobre los actuales sistemas de simulación de ruido, características de los mismos sensores y su debida cualidad de interface sensorial, serán los mejores aliados para el ingeniero diseñador a fin de que logre consolidar un proyecto exitoso en términos de desempeño y reducción de ruido.
Este artículo vierte algunas sugerencias halladas en el caso de estudio realizado por el ingeniero francés Thierry Masson, experto por más de 23 años en el campo de señales mixtas con ASICs y interfaces sensoriales para las industrias automotriz, industrial y médico, siendo parte fundamental en el campo de desarrollo para la compañía en la cual laboró "e2v".
Tomando como referencia el documento sobre convertidores de datos Delta-Sigma, publicado en el año 1996 por los investigadores Steven R. Richard y Gabor C. Temes de la compañía John Wiley & Sons Inc., se indica que los ingenieros asociados al diseño de sistemas de señales mixtas con ASIC, deben recurrir al mejor método de desarrollo, además de emplear técnicas adecuadas de modelado para cada sub-bloque en cada de uno de los niveles para conocer ampliamente los requerimientos del sistema.
Para lograr niveles bajos de ruido, los desarrolladores deben examinar los modelos de suministros. Además es común la utilización por parte del grupo de diseñadores de propiedad intelectual en cada uno los pasos de la etapa de desarrollo, por lo que antes de conseguir patentes, es necesario un amplio conocimiento en las herramientas de simulación existentes actualmente en el mercado. En este mismo aspecto, hay proyectos en donde se requieren de convertidores de datos (Sigma-Delta), amplificadores de bajo ruido y referencias de voltaje estable, por mencionar algunos, que en conjunto serán parte esencial para llegar al objetivo.
Este artículo vierte algunas sugerencias halladas en el caso de estudio realizado por el ingeniero francés Thierry Masson, experto por más de 23 años en el campo de señales mixtas con ASICs y interfaces sensoriales para las industrias automotriz, industrial y médico, siendo parte fundamental en el campo de desarrollo para la compañía en la cual laboró "e2v".
Tomando como referencia el documento sobre convertidores de datos Delta-Sigma, publicado en el año 1996 por los investigadores Steven R. Richard y Gabor C. Temes de la compañía John Wiley & Sons Inc., se indica que los ingenieros asociados al diseño de sistemas de señales mixtas con ASIC, deben recurrir al mejor método de desarrollo, además de emplear técnicas adecuadas de modelado para cada sub-bloque en cada de uno de los niveles para conocer ampliamente los requerimientos del sistema.
Para lograr niveles bajos de ruido, los desarrolladores deben examinar los modelos de suministros. Además es común la utilización por parte del grupo de diseñadores de propiedad intelectual en cada uno los pasos de la etapa de desarrollo, por lo que antes de conseguir patentes, es necesario un amplio conocimiento en las herramientas de simulación existentes actualmente en el mercado. En este mismo aspecto, hay proyectos en donde se requieren de convertidores de datos (Sigma-Delta), amplificadores de bajo ruido y referencias de voltaje estable, por mencionar algunos, que en conjunto serán parte esencial para llegar al objetivo.
Fuentes de ruido
El criterio del ruido de salida de la cadena de medición es un factor importante, pues determinará la resolución final. El documento de Thierry Masson señala que las fuentes del ruido de salida provienen tanto de la cuantización del ADC y del ruido térmico de la electrónica, incluyendo el sensor. El ruido dependerá de los coeficientes de transferencia del modulador Delta-Sigma ytambién de la cantidad de post-filtrado que el sistema de conversión decimal provea. Entre tanto, el radio de coeficiente de sobre-muestreo debe ser solucionado desde los 128 a 1024. Este aspecto también dependerá directamente del propio elemento sensorial en el caso de que no sean solucionados los coeficientes de función de transferencia.
Un amplificador operacional es una gran fuente de ruido térmico.
En cuanto al ruido térmico, éste aparecen en el primer nivel al interior del modulador, mientras que las principales fuentes son manipuladas y el Amplificador Operacional (Op-Amp). Se indica que mientras que el convertidor Delta-Sigma trabaja con técnicas especializadas en datos de muestra, las frecuencias originadas promueven el ruido alrededor de las mismas en el mismo sistema, para lo cual entra en acción el modulador. La transformación o conversión del ruido térmico pasa a ser entonces un clásico kT/C, donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura y C la capacitancia. En el caso del Op-Amp, también se recogen ruidos térmicos sobre las frecuencias, sin embargo se entiende que dependerá en demasía del elemento de sensado tal como se muestra en la siguiente ilustración.
Fuente: http://electronicosonline.com/noticias/notas.php?id=A5307_0_1_0_C&page=8214
Las aplicaciones emergentes conducen los avances en los amplificadores
Mejoras en los niveles de ruido
Pero el orden establecido está cambiando; las exigencias cada vez mayores de un funcionamiento de bajo ruido en el diseño de los aparatos electrónicos de uso general está forzando la aparición de nuevas generaciones de circuitos integrados para amplificadores de bajo ruido que ofrecen mejor rendimiento general. Históricamente, la creación de un amplificador de bajo ruido hacía necesario que los diseñadores de circuitos integrados intercambiaran otros aspectos del funcionamiento como la velocidad, la corriente de polarización de entrada y el consumo de la energía. El tamaño del dado y de la cápsula de los dispositivos de bajo ruido tienden también a ser mayores que los de los amplificadores de uso general. En las aplicaciones de bajo ruido tradicionales, como en las comunicaciones por satélite, radar o GSM inalámbrico, tales inconveniencias han sido secundarias a la importancia de obtener el rendimiento de ruido requerido. Sin embargo, con las realidades comerciales modernas frecuentes en las últimas generaciones de aplicaciones de bajo ruido, surgen requisitos necesarios de bajo ruido de tensión y de bajo ruido de corriente, además de baja energía, precio económico y pequeño tamaño.
Otras exigencias importantes que afectan a los sistemas modernos incluyen el soporte de la oscilación de la tensión de entrada o salida de un carril a otro, para potenciar al máximo el rango dinámico de la señal ya que los amplificadores deben operar a partir de unas tensiones de alimentación del sistema progresivamente inferiores. Otros requisitos incluyen el rechazo de la alimentación de alta potencia, por ejemplo en los productos diseñados para operar a partir de una tensión de batería no regulada. Estos deben también operar sobre la gama total de tensión útil de la batería, ya que la tensión de alimentación decae progresivamente del nivel totalmente cargado. Satisfacer todos estos requisitos en un solo amplificador es un reto.
Las innovaciones del proceso en las tecnologías bipolar, JFET y CMOS han posibilitado nuevas familias de dispositivos que muestran propiedades muy optimizadas. Un ejemplo: los amplificadores bipolares líderes están adoptando una nueva tecnología de aislamiento por zanja en lugar de la estructura tradicional de capa de difusión para obtener una densidad de transistor mayor por dado. Esta tecnología ofrece mayor velocidad, adaptación, linealidad y estabilidad, además de reducir el ruido producido por la tensión y la corriente. Los beneficios incluyen menor consumo de energía, operar sobre una gama extendida de temperaturas sin que se requieran disipadores térmicos, y que los encapsualdos sean más pequeños, con lo cual se pueden obtener densidades mayores en los diseños de canal múltiple.
Los avances en la tecnología de fabricación JFET incluyen la construcción de transistores multipuerta para el rendimiento óptimo por área de transistor, lo cual ha permitido reducir el ruido de la tensión manteniendo simultaneamente un ruido de corriente ultra bajo. Con un ruido de tensión en el rango de 4-6nV/√Hz y un ruido de corriente de menos de 1fA/√Hz, los dispositivos de la última generación han obtenido un ruido total bajo sobre una amplia gama de impedancia de transductor. Presentan una solución especialmente robusta cuando se tratan de amplificar señales de bajo nivel procedentes de generadores de impedancia alta, especialmente de transductores capacitivos, como los hidrófonos, los acelerómetros de precisión o los fotodiodos.
El desarrollo del amplificador CMOS se está también enfocando en los avances en el nivel de silicio para eliminar los compromisos entre aspectos tales como baja derivación y bajo ruido, que también han sido difíciles de combinar en un sólo dispositivo. Otros avances de procesos incluyen el silicio con aislador (SOI) BiCMOS, que ofrece una precisión mejorada de CC, un bajo consumo de la energía y bajo ruido de tensión. Diseñados para tensiones de alimentación de 0,9V-12V, que incluye la optimización para una operación de 3,3V-5V, permiten la interconexión directa al convertidor A/D además de la compatibilidad con la química de la batería, como las de ión de Li, haciendo que sean muy adecuados para utilizar en los dispositivos portátiles.
Los analizadores de espectro serie 3280 ofrecen ahora demodulación digital para análisis de redes inalámbricas
La serie 3280 resulta ideal para pruebas en ingeniería de radio tanto en diseño, como en investigación y desarrollo y producción. La serie Aeroflex 3280 de analizadores de espectro ofrece ahora demodulación digital para análisis de redes inalámbricas 802.11a, b y g. La demodulación digital de los 3280 permite analizar las características de transmisión de los dispositivos inalámbricos.
La demodulación digital de la serie 3280 resulta fácil de manejar en sus dos modos. El modo Full-frequency conecta la salida IF de 421.4 MHz del panel posterior con la entrada del demodulador, con lo que el usuario demodula señales en todo el ancho de banda del analizador de espectro (3 GHz, 13.2 GHz o 26.5 GHz). El modo Dual-channel conecta directamente al panel frontal del equipo o, de forma opcional, a través de un conector del panel posterior, para crear un instrumento real de dos canales. El rango de frecuencias para entrada directa del demodulador es de 300MHz a 3GHz. Aunque la opción de demodulación digital de la serie 3280 no incluye salida directa de I y Q, el usuario que lo precise tiene acceso a una salida digital serie I&Q a través de un cable LVDS opcional (Low- Voltage Data Signal). Este cable opcional
se coloca internamente entre la salida LVDS del demodulador y el panel posterior del analizador de espectro. La serie 3280 de analizadores de espectro de 3 Hz a 26.5 GHz son conocidos por ofrecer muchas más prestaciones que las esperadas para su gama – ofreciendo impresionantes especificaciones en RF y microondas, conectividad excepcional y muchas otras prestaciones fáciles de usar a un precio asequible. La serie 3280 cuenta con un alto nivel de precisión, ±0.15 dB hasta 3 GHz. Otras prestaciones a resaltar son su Oscilador local de bajo ruido de fase, <-115 dBm/ Hz, 1GHz/ 10 kHz offset y producto de intermodulación de tercer orden de +18
dBm. La FI digital ofrece anchos de banda de resolución de 5 MHz a 1 Hz. El sistema operativo Windows® XP, el disco duro interno y su CD-ROM hacen de la serie 3280 una herramienta muy fácil de utilizar permitiendo un amplio rango de interfaces, incluyendo acceso a LAN, USB, RS-232, IEEE 488 (GPIB) y salida VGA, el puerto paralelo Centronics permite su conexión a impresora, y cuenta con conexiones para ratón y teclado. La serie 3280 cuenta con una gran pantalla TFT de 10.4 pulgadas con una amplia zona de visión, con lo que los datos
demuestran con gran visibilidad incluso con pantalla compartida y elevada luminosidad ambiente. Se pueden mostrar hasta tres trazas simultáneamente por ventana y hasta nueve marcadores, con posibilidad de abrir una ventana adicional con el listado de los marcadores.
Las funciones ya implementadas simplificarán las tareas más comunes a las que se destine el 3280, entre ellas: potencia decanal, potencia en canal adyacente, banda ocupada, máscara de espectro, medida de TOI, distorsión armónica, ancho de banda a X dB, medida de ruido de fase.
Avances en los circuitos integrados
Los avances que hicieron posible el circuito integrado han sido, fundamentalmente, los desarrollos en la fabricación de dispositivos semiconductores a mediados del siglo XX y los descubrimientos experimentales que mostraron que estos dispositivos podían reemplazar las funciones de las válvulas o tubos de vacío, que se volvieron rápidamente obsoletos al no poder competir con el pequeño tamaño, el consumo de energía moderado, los tiempos de conmutación mínimos, la confiabilidad, la capacidad de producción en masa y la versatilidad de los CI.
Entre los circuitos integrados más avanzados se encuentran los microprocesadores, que controlan todo desde computadoras hasta teléfonos móviles y hornos microondas. Los chips de memorias digitales son otra familia de circuitos integrados que son de importancia crucial para la moderna sociedad de la información. Mientras que el costo de diseñar y desarrollar un circuito integrado complejo es bastante alto, cuando se reparte entre millones de unidades de producción el costo individual de los CIs por lo general se reduce al mínimo. La eficiencia de los CI es alta debido a que el pequeño tamaño de los chips permite cortas conexiones que posibilitan la utilización de lógica de bajo consumo (como es el caso de CMOS) en altas velocidades de conmutación.
Con el transcurso de los años, los CI están constantemente migrando a tamaños más pequeños con mejores características, permitiendo que mayor cantidad de circuitos sean empaquetados en cada chip (véase la ley de Moore). Al mismo tiempo que el tamaño se comprime, prácticamente todo se mejora (el costo y el consumo de energía disminuyen a la vez que aumenta la velocidad). Aunque estas ganancias son aparentemente para el usuario final, existe una feroz competencia entre los fabricantes para utilizar geometrías cada vez más delgadas. Este proceso, y el esperado proceso en los próximos años, está muy bien descrito por la International Technology Roadmap for Semiconductors, o ITRS.
Bre siOn Circuit Techniques to Improve Noise Immunity
of CMOS Dynamic Logic
For ease of presentation, in this paper our discussion will be focused on one type of dynamic circuits known as domino CMOS logic circuits [3], which is probably the most widely used dynamic logic style. However, it is noted that the noisetolerant design techniques discussed in this paper can also be applied to other types of dynamic circuits. A typical n-type domino CMOS logic gate, as shown in Fig. (a), onsists of clock controlled transistors M1 and M2, a pull-down n-type transistor network, and an output driver. He operation of a domino CMOS logic gate can be divided into two phases. In the precharge phase when the clock CK is low, the dynamic node S is charged to logic high through M1 and the output of the gate Q is low. The evaluation phase starts when the clock goes high. In this phase, M1 is OFF and M2 is ON. The dynamic node S discharges or retains its charge depending on the inputs to the pull-down network. An example 2-input domino AND gate is illustrated in Fig. (b). Noise sources in dynamic logic circuits can be broadly classified into two basic types: i) gate internal noises, including charge sharing noise, leakage noise, and so on and ii) external noises, including input noise, power and ground noise, and substrate noise.
1) Charge sharing noise is caused by charge redistribution between the dynamic node and the internal nodes of the pull-down network. Charge sharing reduces the voltage level at the dynamic node causing potential false switching of a dynamic logic gate.
2) Leakage noise refers to the possible charge loss in the evaluation phase due to subthreshold leakage current. Leakage current increases exponentially with respect to transistor threshold voltage, which is continuously being down-scaled as the power-supply voltage reduces. Therefore, leakage in transistors can be a significant source of noise in wide dynamic logic gates designed using very deep submicron process technology.
3) Input noise refers to noise presented at the inputs of a logic gate. They are primarily caused by the coupling effect, also known as crosstalk, among adjacent signal wires. This type of noise has become a prominent source of failures for deep submicron VLSI circuits because of the aggressive interconnect scaling in the lateral dimensions with relatively unchanged vertical dimensions.
The simple feedback keeper technique is effective against noises and is easy to design. However, there is a fundamental dilemma in choosing the size of the keeper. On one hand, a strong keeper is required to achieve high gate noise tolerance. On the other hand, large keeper leads to significant contention during normal gate switching, therefore deteriorates gate performance. The conditional keeper techniques temporarily disable the keeper or reduce keeper strength to alleviate the contention problem. But dynamic gates equipped with those keepers are susceptible to input noise glitches because the dynamic node is not adequately protected during the gate switching time window. Noise immunity against input noises is very difficult to achieve without significant sacrifice in circuit performance because the gate should not act before it identifies whether the input is noise or real signal. This inevitable time needed to distinguish noise from real signal, which is obtained by monitoring the initial period of the input voltage waveform, causes degradation in circuit performance. The performance overhead due to the additional circuitry that helps improve input noise immunity cannot be completely eliminated. However, it can be reduced to a large extent. In this paper, we propose a new technique that enhances dynamic gate noise immunity against all types of noises including the input noise. The proposed technique incurs very little cost in performance.
NOISE MARGIN AND DELAY ANALYSIS
In this section, we analytically study the noise margin as well as the discharge time of domino logic gates with the proposed NDR keepers. For simplicity of analysis, we assume the – characteristic of the NDR keeper can be modeled using a piecewise linear waveform as shown in Fig. (a), where is the peak current, is the peak voltage, and is the voltage when the current first becomes negligible. The input signal is assumed to have a saturated ramp waveform with a rise time of . To facilitate manual analysis, we have further assumed this ramp input can be approximated by a step waveform, as shown in Fig. (b), where the sizes of the shadowed areas are matched.
Mejoras en los niveles de ruido
Pero el orden establecido está cambiando; las exigencias cada vez mayores de un funcionamiento de bajo ruido en el diseño de los aparatos electrónicos de uso general está forzando la aparición de nuevas generaciones de circuitos integrados para amplificadores de bajo ruido que ofrecen mejor rendimiento general. Históricamente, la creación de un amplificador de bajo ruido hacía necesario que los diseñadores de circuitos integrados intercambiaran otros aspectos del funcionamiento como la velocidad, la corriente de polarización de entrada y el consumo de la energía. El tamaño del dado y de la cápsula de los dispositivos de bajo ruido tienden también a ser mayores que los de los amplificadores de uso general. En las aplicaciones de bajo ruido tradicionales, como en las comunicaciones por satélite, radar o GSM inalámbrico, tales inconveniencias han sido secundarias a la importancia de obtener el rendimiento de ruido requerido. Sin embargo, con las realidades comerciales modernas frecuentes en las últimas generaciones de aplicaciones de bajo ruido, surgen requisitos necesarios de bajo ruido de tensión y de bajo ruido de corriente, además de baja energía, precio económico y pequeño tamaño.
Otras exigencias importantes que afectan a los sistemas modernos incluyen el soporte de la oscilación de la tensión de entrada o salida de un carril a otro, para potenciar al máximo el rango dinámico de la señal ya que los amplificadores deben operar a partir de unas tensiones de alimentación del sistema progresivamente inferiores. Otros requisitos incluyen el rechazo de la alimentación de alta potencia, por ejemplo en los productos diseñados para operar a partir de una tensión de batería no regulada. Estos deben también operar sobre la gama total de tensión útil de la batería, ya que la tensión de alimentación decae progresivamente del nivel totalmente cargado. Satisfacer todos estos requisitos en un solo amplificador es un reto.
Las innovaciones del proceso en las tecnologías bipolar, JFET y CMOS han posibilitado nuevas familias de dispositivos que muestran propiedades muy optimizadas. Un ejemplo: los amplificadores bipolares líderes están adoptando una nueva tecnología de aislamiento por zanja en lugar de la estructura tradicional de capa de difusión para obtener una densidad de transistor mayor por dado. Esta tecnología ofrece mayor velocidad, adaptación, linealidad y estabilidad, además de reducir el ruido producido por la tensión y la corriente. Los beneficios incluyen menor consumo de energía, operar sobre una gama extendida de temperaturas sin que se requieran disipadores térmicos, y que los encapsualdos sean más pequeños, con lo cual se pueden obtener densidades mayores en los diseños de canal múltiple.
Los avances en la tecnología de fabricación JFET incluyen la construcción de transistores multipuerta para el rendimiento óptimo por área de transistor, lo cual ha permitido reducir el ruido de la tensión manteniendo imultáneamente un ruido de corriente ultra bajo. Con un ruido de tensión en el rango de 4-6nV/√Hz y un ruido de corriente de menos de 1fA/√Hz, los dispositivos de la última generación han obtenido un ruido total bajo sobre una amplia gama de impedancia de transductor. Presentan una solución especialmente robusta cuando se tratan de amplificar señales de bajo nivel procedentes de generadores de impedancia alta, especialmente de transductores capacitivos, como los hidrófonos, los acelerómetros de precisión o los fotodiodos.
El desarrollo del amplificador CMOS se está también enfocando en los avances en el nivel de silicio para eliminar los compromisos entre aspectos tales como baja derivación y bajo ruido, que también han sido difíciles de combinar en un solo dispositivo. Otros avances de procesos incluyen el silicio con aislador (SOI) BiCMOS, que ofrece una precisión mejorada de CC, un bajo consumo de la energía y bajo ruido de tensión. Diseñados para tensiones de alimentación de 0,9V-12V, que incluye la optimización para una operación de 3,3V-5V, permiten la interconexión directa al convertidor A/D además de la compatibilidad con la química de la batería, como las de ión de Li, haciendo que sean muy adecuados para utilizar en los dispositivos portátiles.
Diego A. Cáceres M. C.I 19.235.570
CRF
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