Acoplamiento del sustrato

En un circuito integrado , una señal puede acoplarse de un nodo a otro a través del sustrato. Este fenómeno se conoce como acoplamiento de sustrato o acoplamiento de ruido de sustrato .

La presión por reducir costos, lograr placas de circuitos más compactas y añadir funcionalidades para el cliente ha incentivado la inclusión de funciones analógicas en circuitos integrados (CI) MOS principalmente digitales, formando CI de señal mixta . En estos sistemas, la velocidad de los circuitos digitales aumenta constantemente, los chips se empaquetan con mayor densidad, se añaden capas de interconexión y se incrementa la resolución analógica. Además, el reciente aumento de las aplicaciones inalámbricas y su creciente mercado introducen un nuevo conjunto de objetivos de diseño ambiciosos para la implementación de sistemas de señal mixta. En este caso, el diseñador integra circuitos analógicos de radiofrecuencia (RF) y digitales de banda base en un solo chip. El objetivo es fabricar circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC) de un solo chip en silicio, donde todos los bloques se fabrican en el mismo chip. Una de las ventajas de esta integración es la baja disipación de potencia para la portabilidad, debido a la reducción del número de pines del encapsulado y la capacitancia de los cables de conexión asociados. Otra razón por la que una solución integrada ofrece un menor consumo de energía es que el enrutamiento de señales de alta frecuencia fuera del chip suele requerir una adaptación de impedancia de 50 Ω, lo que puede resultar en una mayor disipación de potencia. Otras ventajas incluyen un mejor rendimiento de alta frecuencia debido a la reducción de los efectos parásitos de interconexión del encapsulado, una mayor fiabilidad del sistema, un menor número de encapsulados y una mayor integración de los componentes de RF con los circuitos digitales compatibles con VLSI. De hecho, el transceptor de un solo chip ya es una realidad.

El diseño de estos sistemas, sin embargo, es una tarea compleja . Existen dos desafíos principales en la implementación de circuitos integrados de señal mixta. El primero, específico de los circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC), consiste en fabricar elementos pasivos en el chip de alta calidad, como inductores de alto factor Q. El segundo, aplicable a cualquier circuito integrado de señal mixta y tema de este capítulo, consiste en minimizar el acoplamiento de ruido entre las distintas partes del sistema para evitar cualquier mal funcionamiento. En otras palabras, para una integración exitosa de sistemas de señal mixta en un chip, el acoplamiento de ruido causado por un aislamiento no ideal debe minimizarse para que los circuitos analógicos sensibles y los circuitos digitales ruidosos puedan coexistir eficazmente y el sistema funcione correctamente. Cabe destacar que, en los circuitos de señal mixta, tanto los circuitos analógicos sensibles como los circuitos digitales inyectores de ruido de alta frecuencia y gran amplitud pueden estar presentes en el mismo chip, lo que genera un acoplamiento de señal no deseado entre estos dos tipos de circuitos a través del sustrato conductor. La menor distancia entre estos circuitos, resultado de la constante miniaturización tecnológica (véase la ley de Moore y la Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para Semiconductores ), agrava el acoplamiento. El problema es grave, ya que las señales de distinta naturaleza e intensidad interfieren entre sí, afectando así al rendimiento general, que exige mayores frecuencias de reloj y mayor precisión analógica.

El principal problema de acoplamiento de ruido de señal mixta proviene del acoplamiento de señales digitales de rápida variación a nodos analógicos sensibles. Otra causa importante de acoplamiento de señal no deseado es la diafonía entre los propios nodos analógicos debido a señales analógicas de alta frecuencia y alta potencia. Uno de los medios a través de los cuales se produce el acoplamiento de ruido de señal mixta es el sustrato. Las operaciones digitales provocan fluctuaciones en la tensión del sustrato subyacente, que se propaga a través del sustrato común, causando variaciones en el potencial del sustrato de los dispositivos sensibles en la sección analógica. De manera similar, en el caso de la diafonía entre nodos analógicos, una señal puede acoplarse de un nodo a otro a través del sustrato. Este fenómeno se conoce como acoplamiento de sustrato o acoplamiento de ruido de sustrato .

Existe una amplia bibliografía sobre sustratos y acoplamiento de señales mixtas. Algunos de los temas más comunes son:

• Diferenciar entre el ruido aleatorio inherente a los dispositivos electrónicos y el ruido determinista generado por los circuitos.
• Se examinan los fenómenos físicos responsables de la generación de señales no deseadas en un circuito digital y los mecanismos de su transmisión a otras partes del sistema. El sustrato es el mecanismo de acoplamiento más común, pero también se analizan el acoplamiento capacitivo , la inductancia mutua y el acoplamiento a través de las fuentes de alimentación.
• Comparación de diversos enfoques de modelado y técnicas de simulación. Existen numerosos modelos posibles para la generación de ruido digital, la red de impedancia del sustrato y la sensibilidad del receptor (no previsto). Las técnicas elegidas influyen significativamente en la velocidad y precisión del análisis.
• Las técnicas de análisis de sustrato y de señal mixta pueden aplicarse a la síntesis de la ubicación y la distribución de potencia.

• Manual de automatización del diseño electrónico para circuitos integrados , por Lavagno, Martin y Scheffer, ISBN 0-8493-3096-3Un estudio del campo de la automatización del diseño electrónico . Este artículo se basa, con permiso, en el capítulo 23 del libro 2, Acoplamiento de ruido de señal mixta en el diseño de sistemas en chip: modelado, análisis y validación , de Nishath Verghese y Makoto Nagata.

• Libro técnico: " Acoplamiento de ruido en circuitos integrados: un enfoque práctico para el análisis, el modelado y la supresión ", por Cosmin Iorga, Ph.D., 286 páginas, tapa dura.