ES2317732B1 - Procedimiento para la obtencion de la frecuencia central en amplificadores sintonizados integrados en un cristal semiconductor mediante la medicion de temperatura. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la obtención de la frecuencia
central en amplificadores sintonizados integrados en un cristal
semiconductor mediante la medición de temperatura.
La presente invención describe un procedimiento
para la obtención de la frecuencia central en amplificadores
sintonizados integrados en un cristal semiconductor mediante la
medición de temperatura. La Fig. 1 muestra un cristal semiconductor
(1) que puede contener diferentes circuitos analógicos i/o
digitales (2, 3, 4, 5), siendo uno de ellos un amplificador
sintonizado (2). El funcionamiento de dicho amplificador provoca
una disipación de potencia y ésta un incremento de temperatura en
la superficie del cristal semiconductor. Con una adecuada secuencia
de estímulos mediciones de ciertas componentes frecuenciales de
dicha temperatura realizadas cerca del circuito amplificador (7),
permiten obtener la frecuencia central del amplificador, es decir,
la frecuencia para que la ganancia del amplificador sea máxima. La
medida de la temperatura puede hacerse bien mediante sensores de
temperatura integrados en el mismo cristal semiconductor, bien
mediante sensores externos.
Description
Procedimiento para la obtención de la frecuencia
central en amplificadores sintonizados integrados en un cristal
semiconductor mediante la medición de temperatura.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para la caracterización eléctrica, específicamente la
obtención de la frecuencia central, de amplificadores electrónicos
analógicos sintonizados integrados en un cristal semiconductor
mediante la medición de temperatura. El sector de la técnica es el
de caracterización de circuitos electrónicos analógicos, en
concreto, circuitos electrónicos amplificadores analógicos
sintonizados integrados en un cristal semiconductor.
El procedimiento actual para la caracterización
de amplificadores, al que en este documento denominamos
procedimiento clásico, se basa en la medida directa de magnitudes
eléctricas (tensión y/o corriente) en los nodos de entrada y salida
de señal del amplificador. Es por tanto un requerimiento obligado
que estos nodos en los que se haga la medida sean accesibles para
los instrumentos de medida. Adicionalmente, estos nodos pueden
tener que estar adaptados a las necesidades de los instrumentos de
medida, por ejemplo, determinados valores de impedancia de salida,
siendo las más corrientes 50 y 75 ohmios.
La patente [1] propone la utilización de
mediciones de temperatura para la caracterización eléctrica de
circuitos analógicos integrados en un cristal semiconductor.
Utilizando mediciones de temperatura, la presente patente propone un
procedimiento específico para obtener una característica eléctrica
concreta, la frecuencia central, de un circuito analógico integrado
en un cristal semiconductor, específicamente en amplificadores
sintonizados.
En cuanto a la utilización de la magnitud
temperatura en circuitos analógicos integrados, la patente [2]
propone un procedimiento para la detección de anomalías
estructurales en circuitos analógicos integrados, consistente en la
medida dinámica (en el tiempo) de la temperatura en diferentes
puntos de la superficie del cristal semiconductor, llevada a cabo
mediante circuitos sensores de temperatura integrados en el mismo
cristal del circuito que se verifica.
[1] P 200501512 Procedimiento para la
caracterización eléctrica de circuitos analógicos integrados en un
cristal semiconductor mediante la medición de temperatura.
[2] P 200002735 Procedimiento de verificación
estructural de circuitos integrados analógicos basado en la
observación interna y concurrente de temperatura.
El procedimiento de caracterización clásico
tiene algunos inconvenientes: el primero de ellos, la necesidad de
accesibilidad externa de los nodos de entrada y salida del
amplificador a caracterizar. Adicionalmente, mediciones de
amplificadores de radio frecuencia requieren la adaptación a 50 o
75 ohmios de los nodos de salida, lo que conlleva un incremento del
consumo en el circuito a caracterizar, mayor complejidad de diseño
y mayores costes de fabricación.
La utilización de mediciones de temperatura para
extraer la frecuencia central de amplificadores sintonizados
presenta como ventaja el no requerir tener observabilidad directa
de los nodos de salida del amplificador. Adicionalmente, no requiere
cargar eléctricamente los nodos de salida del amplificador ni
adaptarlos a una impedancia baja como puede ser 50 o 75 ohmios.
Para obtener la frecuencia central de un
amplificador sintonizado mediante mediciones de la temperatura, la
presente patente propone estimular el puerto de entrada del
amplificador con una señal eléctrica que sea suma de dos señales
sinusoidales cuyas frecuencias sean, respectivamente,
f_{1} y f_{2}.
El presente procedimiento propone observar la
amplitud de la componente espectral de la temperatura a la
frecuencia (f_{1}-f_{2}). La temperatura se tiene
que medir en las proximidades del circuito amplificador.
Específicamente, se deberá medir la temperatura cerca de algún
dispositivo del amplificador cuya amplitud de la componente
espectral de la potencia disipada a la frecuencia
(f_{1}-f_{2}) verifique que, primero, esta
amplitud tenga una gran dependencia con la ganancia del amplificador
de forma directa y, segundo, que tenga una magnitud suficiente para
asegurar la viabilidad de las mediciones de temperatura con el
sistema sensor seleccionado. Las ecuaciones que relacionan la
amplitud de la componente espectral de la potencia disipada por los
diferentes dispositivos a la frecuencia
(f_{1}-f_{2}) en función de la ganancia del
amplificador a las frecuencias f_{1} y f_{2}
depende de la topología específica del amplificador considerado, de
la tecnología utilizada y de la polarización del amplificador.
El valor específico de la frecuencia
(f_{1}-f_{2}) se selecciona de forma que su valor
tiene que estar dentro de la banda de los acoplos térmicos en
circuitos integrados. Este requisito garantiza que la amplitud de
la componente espectral de potencia disipada por los dispositivos
circuito amplificador a la frecuencia
(f_{1}-f_{2}) pueda ser observada mediante
mediciones de la amplitud de la misma componente espectral de la
temperatura.
La frecuencia central del amplificador se
obtendrá midiendo la amplitud de la componente espectral de la
temperatura a la frecuencia (f_{1}-f_{2}) en el
lugar seleccionado mientras se realiza un barrido de la frecuencia
de las señales sinusoidales aplicadas a la entrada del
amplificador. Esta patente propone realizar el barrido manteniendo a
un valor constante la diferencia (f_{1}-f_{2}).
Las frecuencias f_{1} y f_{2} se barrerán en toda
la banda de utilización del amplificador sintonizado. Al observar
la amplitud de la componente espectral de la temperatura a la
frecuencia (f_{1}-f_{2}), la frecuencia central se
obtendrá a partir de los valores de f_{1} y f_{2}
que maximizan la medición de la amplitud de la componente espectral
a la frecuencia (f_{1}-f_{2}) de la
temperatura.
La medición de la temperatura puede hacerse
mediante sensores externos al cristal semiconductor, o mediante
sensores integrados en el mismo cristal semiconductor. En ambos
casos, los sensores tienen que tener una buena sensibilidad en la
frecuencia de medida de la temperatura.
\vskip1.000000\baselineskip
La Fig. 1 es un ejemplo de cristal semiconductor
(1) que incluye diferentes circuitos
analógicos-digitales (2, 3, 4, 5). Uno de los
circuitos analógicos es un amplificador sintonizado (2). En este
circuito, el nodo de salida del amplificador (9) no es accesible
desde pines del circuito integrado (8), no siendo posible la
obtención de la frecuencia central del amplificador mediante la
técnica clásica. La Fig. 2 es un ejemplo de cristal semiconductor
(1) con un único circuito analógico: un amplificador en topología de
surtidor común, formado por un dispositivo activo (10) y una
resistencia de carga (11). En ambas figuras se indican, a título de
ejemplo, posibles puntos cercanos al amplificador (7, 15) donde se
puede medir la temperatura para la obtención de la frecuencia
central de dicho amplificador. En la Fig. 2, el circuito
amplificador se estimula con la suma de dos señales sinusoidales,
de frecuencias f_{1} (17) y f_{2} (18). La figura
3 muestra un ejemplo de resultado de medición de la amplitud de la
componente frecuencial de la temperatura a la frecuencia
(f_{1}-f_{2}) realizada en el punto (15) de la
Fig. 2. Las unidades del eje vertical (20) serían proporcional a la
amplitud de la componente espectral de la temperatura medida. El
eje horizontal indica diferentes valores de f_{1} (21) en
los que se ha realizado la medición de temperatura, teniendo en
cuenta que f_{2} también se modifica de forma que
(f_{1}-f_{2}) se mantiene constante. El punto de
máxima amplitud (23) coincide con el valor de la frecuencia central
del amplificador
(22).
(22).
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención se refiere a un
procedimiento para la obtención de la frecuencia central en
amplificadores sintonizados. La Fig. 1 muestra un cristal
semiconductor (1) con diferentes circuitos analógicos en su
interior. A modo de ejemplo, hay un amplificador sintonizado (2),
un mezclador (3), un oscilador (4), un filtro (5) y un convertidor
analógico a digital (6). En el circuito hay unas entradas/salidas a
nivel eléctrico (8) que pueden ser utilizadas bien para alimentar
los circuitos, bien para introducir señales que contienen
información, o bien para polarizar los diferentes circuitos
ubicados en el cristal semiconductor. Si se quisiera obtener la
frecuencia central del amplificador, seria necesario que el nodo
(9) de salida de señal del amplificador fuese accesible desde el
exterior, a fin de poder conectar los instrumentos de medida y
poder realizar una caracterización con el procedimiento clásico.
Adicionalmente, en algunas aplicaciones se precisaría que dichos
nodos tuviesen una impedancia adaptada a un determinado valor (por
ejemplo, 50 o 75 Ohmios), con los costes de diseño y consumo que
ello conlleva. El procedimiento descrito en la presente propone
medir la amplitud de ciertas componentes espectrales de la
temperatura en puntos cercanos al amplificador (7) y, a partir de
esta medida, obtener la frecuencia central del amplificador. La
principal ventaja que ello conlleva es que no se realiza una carga
eléctrica de los nodos internos del circuito, siendo además
innecesario que dichos nodos sean observables desde el
exterior.
La Fig. 2 muestra un ejemplo más específico. En
el cristal semiconductor (1) hay un único circuito analógico, en
este caso un amplificador en surtidor común. Este amplificador está
formado por un componente activo (10), en este caso un transistor
NMOS, y una resistencia de carga (11) de valor R_{b}. Los
pines del chip sirven para alimentar el circuito (12), para
introducir la señal eléctrica a amplificar (14) y para obtener la
señal eléctrica amplificada (13). Este amplificador tiene como
característica principal que su dispositivo activo se puede modelar
con una transconductancia lineal K(f) cuyo valor es
dependiente del valor de la frecuencia, f, de forma
sintonizada y con una frecuencia central denominada
f_{max}.
Siguiendo el procedimiento descrito en la
presente invención, la señal eléctrica de entrada está formada por
la suma (16) de dos tensiones sinusoidales (17-18).
Las expresiones matemáticas que modelan las dos tensiones
sinusoidales son: para la (17)
A \cdot
Cos(2\pi\ f_{1} \cdot
t)
Y para la (18):
A \cdot
Cos(2\pi\ f_{2} \cdot
t)
\newpage
Si se realiza un análisis eléctrico del circuito
en pequeña señal, con las hipótesis presentadas, la amplitud de la
componente frecuencial a (f_{1}-f_{2}) de la
potencia disipada por el dispositivo activo (10) es:
\frac{A_{v}
(f_{1}) \cdot A_{v} (f_{2})}{R_{b}} \cdot
A^{2}
dónde
A_{v}(f_{1}) es la ganancia de tensión del
amplificador a la frecuencia f_{1} y
A_{v}(f_{2}) es la ganancia de tensión del
amplificador a la frecuencia
f_{2}.
La amplitud de la componente espectral de la
temperatura a la frecuencia (f_{1}-f_{2}) medida
en (15) cerca del dispositivo activo (10) es directamente
proporcional a la amplitud de la componente espectral de la
potencia disipada por este dispositivo a la misma frecuencia, o
sea, directamente proporcional a la ganancia del amplificador a las
frecuencias f_{1} y f_{2}.
La fig. 3 muestra un ejemplo de graficación de
mediciones de temperatura realizadas para la obtención de la
frecuencia central del amplificador sintonizado de la fig. 2. Las
mediciones se han realizado en el punto (15), cerca del dispositivo
activo (10). Para realizar las mediciones, tanto la frecuencia
f_{1} como la frecuencia f_{2} se han barrido
desde el valor mínimo (24) hasta el valor máximo (25) de
frecuencias que limitan la banda de utilización del amplificador
sintonizado. Durante este barrido, la diferencia
(f_{1}-f_{2}) se ha mantenido constante y se han
realizado mediciones de la amplitud de la componente frecuencial de
la temperatura a (f_{1}-f_{2}). Precisamente, el
eje vertical de la fig. 3 (20) es proporcional a la amplitud de la
componente espectral de la temperatura medida en (15) a la
frecuencia (f_{1}-f_{2}). El eje horizontal de la
fig. 3 (21) son los valores de la frecuencia f_{1}
considerados: para valores de frecuencias f_{1} y
f_{2} próximos, se puede considerar que f_{1}
\cong f_{2}. Entonces la medición de la temperatura es
aproximadamente proporcional a:
\frac{A_{v}
(f_{1})^{2}}{R_{b}} \cdot
A^{2}
Dentro de la banda de barrido de los valores de
f_{1}, la ganancia será máxima en el valor de
f_{1} que verifique que la medida de la amplitud de la
componente frecuencial de la temperatura a
(f_{1}-f_{2}) sea máxima (23), coincidiendo el
valor de f_{1} con la frecuencia central del amplificador
(22), denominada f_{max}.
Para medir la temperatura en esta realización se
puede utilizar bien sensores de temperatura integrados en el mismo
cristal semiconductor o sensores externos. En la literatura
especializada, por ejemplo [3], está reportado cómo pueden hacerse
mediciones espectrales de temperatura en cristales
semiconductores.
[3] Josep Altet, Stefan Dilhaire,
Sebastian Volz, Jean-Michel Rampnoux,
Antonio Rubio, Stephane Grauby, Luis David Patino
Lopez, Wilfrid Claeys, Jean-Bernard
Saulnier, "Four different approaches for the measurement of
IC surface temperature: application to thermal testing",
Microelectronics Journal 33, (2002),
689-696.
Claims (4)
1. Un procedimiento para la obtención de la
frecuencia central de amplificadores analógicos sintonizados
caracterizado porque el circuito analógico se estimula con
una señal eléctrica que está formada por la suma de dos señales
sinusoidales de frecuencias f_{1} y f_{2}.
2. Un procedimiento para la obtención de la
frecuencia central de amplificadores analógicos sintonizados basado
en la reivindicación 1 que se caracteriza porque se mide la
amplitud de la componente espectral de la temperatura a la
frecuencia (f_{1}-f_{2}) en las proximidades del
circuito semiconductor.
3. Un procedimiento para la obtención de la
frecuencia central de amplificadores analógicos sintonizado basado
en las reivindicaciones 1 y 2 que se caracteriza porque la
amplitud de la componente espectral de la temperatura se mide
mientras se hace un barrido de frecuencias de las dos señales
sinusoidales aplicadas a la entrada en la banda de interés.
4. Un procedimiento para caracterizar
circuitos analógicos integrados, basado en la reivindicaciones 1 y
2 en que las mediciones de temperatura se realizan mediante
mediciones de cualquier magnitud física (por ejemplo, dilatación,
variación de índices de reflexión, velocidad de propagación del
sonido) cuya causa de variación sea una variación de la
temperatura.
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