Aportaciones al diseño de circuitos para comunicaciones de baja tensión de alimentación y bajo consumo

• Autores: Fernando Muñoz Chavero
• Directores de la Tesis: Ramón González Carvajal (dir. tes.), Antonio J. Torralba Silgado (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2002
• Idioma: español
• Número de páginas: 216
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  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen

  • Una de las líneas de investigación por el Grupo de Tecnología Electrónica (GTE) de la Universidad de Sevilla es la realización microelectrónica de circuitos para comunicaciones con énfasis en baja tensión de alimentación y bajo consumo de potencia.

    En los últimos años los sistemas de comunicación han experimentado un avance expectacular. La reducción de la escala de integración de los circuitos integrados ha permitido aumentar la velocidad y la funcionalidad que incorporan los circuitos de comunicaciones. Todo ello ha posibilitado el desarrollo de nuevos servicios impensables hace dos décadas (bluetooth, GPRS, radio digital, etc). Si bien a esta nueva era de las comunicaciones se le ha dado en llamar la era digital, no hay que perder de vista que todos estos sistemas necesitan enviar y recibir señales del exterior, lo que hace necesario que incorporen una interfaz entre el mundo analógico y el digital.

    Además existe un interés creciente por los circuitos mixtos en tecnología digital CMOS. Esto se debe a las números ventajas de integrar la parte digital y analógica del sistema en un mismo circuito integrado, como:

    - El sistema está más protegido a copias e ingeniería inversa.

    - Aumenta la protección ante posibles fallos.

    - El tamaño el sistema total se reduce, y esto tiene mucha importancia en equipos portátiles.

    - Se puede mejorar las prestaciones generales del sistema. Por ejemplo, se puede utilizar circuitos digitales para aumentar la precisión de la parte analógica.

    Todas estas razones hacen muy importante el diseño de circuitos analógicos utilizando tecnologías digitales. Además las prestaciones requeridas a la parte analógicas de los sistemas de comunicaciones son cada vez mayores. Esto es debido principalmente a varias razones:

    1. Por un lado las especificaciones respecto a ancho de banda requerido por los estándares de comunicaciones es cada vez mayor, necesitando cada vez mayor rango dinámico y ancho de banda.

    2. Además, la tendencia actual en el diseño de sistemas mixtos es pasar la señal a digital lo antes posible. Esto permite realizar gran parte de las funciones que se realizaban analógicamente (como por ejemplo la selección de canal) pasen a hacerse de forma digital. Mejorando la flexibilidad y programabilidad del sistema. Sin embargo, esto hace que el rango dinámico de los convertidores analógico-digitales aumente enormemente, aumentando mucho la potencia consumida. Por este motivo es tan importante hoy en día el desarrollo de convertidores A/D con un gran rango dinámico y bajo consumo.

    Estas razones hacen que los requerimientos los circuitos de conversión y acondicionamiento de señal sean cada vez mayores. Pero a esto hay que unir la necesidad de diseñar estos circuitos con baja tensión de alimentación y bajo consumo. Esto es debido principalmente a la creciente demanda de sistemas portátiles de bajo peso y gran autonomía, y a las limitaciones de las nuevas tecnologías digitales respecto a la máxima tensión de alimentación.

    En los últimos años se ha podido observar en la industria una tendencia a aumentar la escala de integración de los circuitos integrados basada en la disminución de las dimensiones mínimas de los transistores. Los problemas técnicos derivados de esta disminución no sólo están relacionados con el proceso de fabricación y la maquinaria asociada, sino que también afectan a los circuitos fabricados en las nuevas tecnologías.

    Dos de los problemas más importantes que aparecen están relacionados con la tensión de alimentación de los circuitos. Por un lado, la disminución de las dimensiones en los transistores provoca que los gradientes de tensión que se producen sean mayores, por lo que se pueden llegar a provocar efectos no deseados como la rotura de los dispositivos. Por otro lado, al aumentar la escala de integración, crece la disipación de calo por milímetros cuadrado. En los circuitos digitales la disipación de calor es proporcional a , siendo Vdd la tensión de alimentación. Por tanto, vemos que ambos efectos dependen de la tensión de alimentación, y que se pueden mitigar si se reduce su valor.

    Además, gran parte de las nuevas aplicaciones de comunicaciones utilizan baterías o celulares solares para alimentarlos y, en el caso de estas últimas, las tensiones disponibles son muy bajas (del orden de 0,5 V). La disminución de la tensión de alimentación en circuitos portátiles contribuye a la disminución del tamaño y peso de las baterías que es una característica muy importante a la hora de hacer un producto atractivo.

    Todo ello hace muy interesantes el desarrollo de circuitería analógica capaz de utilizar la misma tensión de alimentación que los circuitos digitales.

    El funcionamiento de un circuito analógico con una tensión de alimentación reducida produce en la práctica una degradación en sus prestaciones (ancho de banda, rango de señal) y esto es incompatible con la mejora de prestaciones anteriormente mencionado en los circuitos de comunicaciones. Por tanto este campo de investigación es muy popular hoy en día, debido a que en un futuro serán necesarias nuevas técnicas que permitan que los circuitos analógicos de muy baja tensión tengan mejores prestaciones que os circuitos analógicos actuales.

    La reducción de la tensión de alimentación ha llevado a la búsqueda de nuevas técnicas de diseño que nos permitan realizar circuitos que sean capaces de funcionar con baja tensión de alimentación. Los esfuerzos no sólo han ido encaminados al desarrollo de celdas digitales, sino que también son necesarias celdas analógicas básicas como amplificadores operacionales y de transconductancia y sistemas que lo emplean como convertidores AD y DA, filtros, etc. De esta forma se podrán diseñar circuitos mixtos capaces de operar con una única fuente de tensión de pequeño valor, que es la forma preferida por la industria a l hora de diseñar equipos móviles con baterías portátiles.

    En esta Tesis Doctoral nos hemos planteado la necesidad de realizar circuitos analógicos capaces de operar con una tensión de alimentación cercana a la tensión umbral de un transistor. Uno de los motivos por el que buscamos acercarnos a este límite es que algunos fabricantes ya han comprobado la posibilidad que sus tecnologías digitales operen a esa tensión, por lo que en un futuro próximo podrán existir circuitos digitales industriales con esas propiedades.

    El objetivo de esta Tesis ha consistido en el desarrollo de sistemas útiles de comunicaciones que utilicen muy baja tensión de alimentación (menor que las utilizadas hoy día) y consuman la menor potencia posible.

    Este Tesis Doctoral se ha estudiado el proceso completo de diseño de sistemas de comunicaciones por lo que se han realizado aportaciones originales tanto en el desarrollo de celdas básicas de baja tensión de alimentación y/o bajo consumo así como en la implementación a nivel de sistema de arquitecturas que permitan su uso eficiente. Todas las aportaciones realizadas no son solamente obra del autor de esta Tesis. Sino de un grupo de trabajo dedicado a la investigación en circuíos analógicos de procesamiento de señal al que pertenece el doctorando.

    En el primer capítulo se proponen celdas básicas novedosas que capaces de funcionar a muy baja tensión de alimentación y/o bajo consumo. Como aportaciones originales fundamentales caben destacar el diseño de etapas de salida de amplificadores operacionales con control de corriente estática y diseño de amplificadores de transconductancia de baja tensión de alimentación y para aplicaciones en filtrado de alta frecuencia. Estas celdas constituyen ejemplos de la utilización de técnicas de baterías flotantes y transistores de puerteas flotantes en el desarrollo de celdas de muy baja tensión de alimentación. Algunos de los esquemas de partida ya fueron propuestos en una Tesis Doctoral anterior realizada en el Grupo de Tecnología Electrónica, por lo que la presente Tesis es la continuación de una línea de investigación de diseño de baja tensión.

    En el segundo capítulo se utilizan los amplificadores operacionales propuestos en el primer capítulo para desarrollar convertidores analógico/digitales de 1.1 V de tensión de alimentación. Este capítulo demuestra experimentalmente la utilidad práctica de las celdas desarrolladas en el primer capítulo para el diseño de sistemas de comunicaciones. Las prestaciones obtenidas tanto en consumo como en resolución sitúan el convertidor diseñado dentro de los mejores publicados hasta la fecha.

    Por último, en el tercer capítulo, se profundiza en el estudio de arquitecturas de convertidores sigma-delta que permitan una reducción significativa en el consumo total de un receptor de comunicaciones. Se ha tomado como ejemplo un receptor compatible con el estándar �BlueTooth�. Este tipo de sistemas incluye un filtrado previo de la señal antes de ser procesada por el convertidor Analógico/Digital. Este filtro tiene una incidencia muy importante en el consumo total del sistema. Utilizando la arquitectura de realimentación múltiple en un modulador Sigma-Delta de tiempo continuo, se puede conseguir realizar un filtrado a la vez que la conversión analógico-digital, reduciendo los requerimientos del filtrado previo de la señal y, por tanto el consumo total del sistema.

    La principal aportación original de la Tesis en este campo es el desarrollo de una técnica novedosa de degradación gradual que permite la estabilidad a gran señal de este tipo de moduladores. Esta técnica ha sido implementada utilizando baja tensión de alimentación en un modulador de cuarto orden y señal compleja. Este trabajo ha sido desarrollado en el departamento de mixed-signal design en Philips Research Laboratories (Eindhoven).