ES2542727A1 - Procedimiento para la medición del ancho de banda 3db en amplificadores sintonizados o de banda estrecha mediante mediciones de temperatura en pequeña señal - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la medición del ancho de banda a 3dB en amplificadores sintonizados o de banda estrecha mediante mediciones de temperatura en pequeña señal. La presente invención se refiere a un procedimiento para la medición del ancho de banda a 3dB de amplificadores sintonizados o de banda estrecha mediante mediciones de temperatura en pequeña señal. La Fig. 1 muestra un circuito integrado (1) que contiene un amplificador sintonizado (2). La figura también muestra el generador que suministra una tensión continua para alimentar al amplificador (3) y el generador de señal (4) que proporciona al amplificador dos funciones sinusoidales cuyas frecuencias difieren en Δf hercios. Mediciones de la amplitud de componente espectral de la temperatura a la frecuencia Δf en puntos seleccionados del circuito integrado, en este caso el punto (6), permiten la medición del ancho de banda a 3dB del amplificador sin necesidad de utilizar equipos de medición de señales analógicas a alta frecuencia.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para la medición del ancho de banda 3dB en amplificadores sintonizados o de banda estrecha mediante mediciones de temperatura en pequeña señal

imagen1

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Sector de la técnica

La presente invención se refiere a un procedimiento para la medición del ancho de banda 3db de amplificadores sintonizados o de banda estrecha mediante mediciones de temperatura en pequeña señal. El sector de la técnica es el de caracterización y test de circuitos electrónicos 10 analógicos, en concreto, circuitos amplificadores sintonizados para aplicaciones de alta frecuencia.

Estado de la técnica

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Los amplificadores sintonizados o de banda estrecha tienen dos figuras de mérito relevantes: la frecuencia central y el ancho de banda a 3dB. La frecuencia central, denominada f0, viene caracterizada por ser a la que el amplificador ofrece una ganancia máxima. El ancho de banda a 3 dB, denominado BW3dB, se caracteriza mediante dos frecuencias de corte denominadas fCH y fCL. El ancho de banda se calcula mediante la diferencia BW3dB = fCH – fCL. Las dos frecuencias de 20 corte verifican: fCH es mayor que f0 y a esta frecuencia la ganancia del amplificador se ha atenuado 3dB respecto a la ganancia. fCL es menor que f0 y a esta frecuencia la ganancia del amplificador se ha atenuado 3dB respecto a la ganancia que el amplificador tienen a la frecuencia central.

Para medir la BW3dB en amplificadores, se aplica a la entrada del amplificador una señal sinusoidal de amplitud constante y frecuencia variable. Se mide a la salida del amplificador la 25 amplitud y diferencia de fase de la señal sinusoidal de la misma frecuencia de la señal de entrada. Ganancia se define como el cociente entre la amplitud de la señal medida a la salida respecto a la amplitud de la señal aplicada a la entrada. Al graficar la ganancia en función de la frecuencia de entrada en decibelios, se puede obtener el ancho de banda.

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Así pues, el procedimiento de caracterización actual, al que en este documento denominamos procedimiento clásico, se basa en la medida directa de magnitudes eléctricas (tensión y/o corriente). Es por tanto un requerimiento obligado que los nodos en los que se haga la medida sean accesibles para poder conectar a ellos los instrumentos de medida. Adicionalmente, se requiere el disponer de equipos de medición de alta frecuencia (radio frecuencia o ondas 35 milimétricas) si el amplificador tiene su frecuencia central dentro de este rango de frecuencias.

En cuanto a la utilización de la magnitud temperatura para realizar caracterización y test en circuitos analógicos integrados, la patente [1] P200002735 Procedimiento de verificación estructural de circuitos integrados analógicos basado en la observación interna y concurrente de temperatura, propone un procedimiento para la detección de anomalías estructurales en circuitos 40 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.

En cuanto a la utilización de mediciones de temperatura para obtener las características de 45 circuitos analógicos integrados, la patente [2] P200501512 Procedimiento para determinar las características eléctricas de circuitos analógicos integrados y la referencia [3] “Strategies for built-in characterization testing and performance monitoring of analog RF circuits with temperature measurements”, 2010 Meas. Sci. Technol. 21 075104 proponen un procedimiento para medir un incremento de temperatura en el cristal semiconductor que es función de las características 50 eléctricas de los circuitos construidos en el mismo cristal, pudiéndose extraer características eléctricas de estos circuitos a partir de mediciones de temperatura. Un requisito que demandan

estos procedimientos es: en [2] se necesita que la señal aplicada al circuito contenga como mínimo dos componentes sinusoidales de diferente frecuencia, ambas dentro de la banda de trabajo del circuito a caracterizar; mientras que el procedimiento descrito en [3] expone cómo medir la frecuencia central en amplificadores de bajo ruido (denominados Low Noise Amplifiers LNA) sintonizados. 5

Descripción de la invención

El procedimiento de caracterización clásico presenta dos grandes inconvenientes. El primero de ellos es la necesidad de accesibilidad al nodo de salida del amplificador para realizar la medida 10 eléctrica. Y el segundo es, en el caso de que el amplificador sea de aplicaciones de radio frecuencia (RF) o de ondas milimétricas, la necesidad de disponer de equipos de alta frecuencia para medir la potencia media suministrada a la carga.

Las altas prestaciones a las que han llegado las tecnologías de fabricación de circuitos integrados, 15 fundamentalmente las basadas en transistores de efecto de campo MOS como las CMOS y sus derivadas las BiCMOS, juntamente con los exigentes requerimientos del mercado en cuanto a bajo coste de fabricación y bajo consumo, están provocando una tendencia en el diseño y fabricación de sistemas electrónicos a integrar el mayor número posible de componentes y circuitos en un número mínimo de chips, minimizando al mismo tiempo el número de entradas y 20 salidas externas. Todo esto está provocando una disminución en la accesibilidad de nodos del sistema integrado, con las consiguientes limitaciones en la fase de caracterización y en la de test de los circuitos internos del chip mediante medición directa de tensiones y corrientes de los mismos. Adicionalmente, la necesidad de disponer de diseños que trabajen a frecuencias de trabajo cada vez mayores, implican el uso de tecnologías de fabricación con capacidad de fabricar 25 dispositivos de dimensiones submicrónicas. En estas tecnologías, las variaciones de proceso son grandes, hecho que demanda que, para aumentar el rendimiento de fabricación y/o optimizar las prestaciones del diseño, sea necesaria una calibración del mismo. En ciertas aplicaciones, esta calibración se tiene que hacer de forma regular, siendo necesaria la realización de mediciones de campo. 30

Una solución que permite caracterizar eléctricamente un circuito analógico en campo y/o de forma concurrente, consiste en incluir dentro del mismo cristal semiconductor un circuito sensor que realice la medición de la característica deseada (en este caso el ancho de banda a 3dB). Esta estrategia presenta dos mayores inconvenientes: el primer inconveniente, la dificultad de diseñar 35 circuitos sensores para medir las características de circuitos de alta frecuencia (circuitos de radio frecuencia y circuitos milimétricos) con alta fiabilidad, bajo coste de diseño y bajo coste de fabricación (hecho que implica que tienen que ocupar poca área del circuito integrado, es decir, tener pocos dispositivos). La segunda dificultad es la necesidad de realizar un co-diseño del circuito a caracterizar y del circuito sensor, ya que el hecho de cargar alguno de los nodos que 40 procesa información analógica del circuito a caracterizar con un circuito sensor, va a alterar en mayor o menor medida las prestaciones del circuito a caracterizar. Es bien conocido que cuanta más alta es la frecuencia de trabajo de un circuito analógico, más sensible es a variaciones de los valores de impedancia de los nodos que constituyen el circuito. Para minimizar estos efectos, se necesita diseñar conjuntamente el circuito a caracterizar y el circuito sensor, incrementando los 45 costes y la complejidad del diseño.

La utilización de mediciones de temperatura para realizar la caracterización de circuitos analógicos se basa en la relación lineal que existe entre el incremento de temperatura (respecto a la temperatura ambiente) experimentado en la superficie del cristal semiconductor y la potencia 50 disipada por los dispositivos existentes en este cristal semiconductor.

La figura 2 muestra una topología de amplificador sintonizado, la más simple, que se va a utilizar para describir el principio de funcionamiento del método presentado en esta patente (este procedimiento se puede aplicar para cualquier topología de amplificador sintonizado). Este amplificador está formado por un transistor tipo MOS (7) y por un carga (8) formada por el paralelo de una resistencia (R), bobina (L) y capacidad (C) que resuena a la frecuencia f0. El procedimiento 5 expuesto en la patente puede ser empleado para amplificadores que estén formados por otro tipo de dispositivos activos, tales como transistores bipolares. Asumiendo un modelo lineal de primer orden para el transistor, la ganancia de tensión de pequeña señal del amplificador, Av, se puede escribir como:

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| | | |

Donde ZL es la impedancia de la carga RLC del amplificador y gm es el factor de transconductancia de pequeña señal del amplificador. El incremento de temperatura que este circuito generará sobre la superficie del cristal semiconductor que forma el circuito integrado donde está ubicado dependerá de la potencia disipada por los componentes que forman el circuito. Para que el circuito funcione, necesita que este sea polarizado en continua, aplicando 15 tensiones de alimentación (3) y de polarización en la entrada (9). Para aplicar el procedimiento expuesto en esta patente, la señal alterna aplicada a la entrada del amplificador (9) tiene que contener la suma de dos funciones sinusoidales del tipo:

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donde t es tiempo, A es la amplitud de la señal de entrada y f1 es la frecuencia del primer tono, mientras que la frecuencia del segundo tono es f2 = f1 +f.

La potencia disipada por el transistor MOS se puede escribir como la suma de diferentes funciones coseno de diferentes frecuencias. En concreto, si nos centramos en la componente 25 espectral de la potencia disipada por el transistor MOS a la frecuencia f, después de analizar el circuito, se obtiene que:

| ((| | | | ) ( ) (| | | | ) ( ) )

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donde i es la fase de la carga RLC a la frecuencia fi (i puede valer o 1 o 2), y | | es el módulo de la impedancia de la carga a la frecuencia fi. Asumiendo que f es mucho más pequeño que el ancho de banda del amplificador (esta hipótesis es correcta si el amplificador es de alta frecuencia), entonces en la expresión anterior se verifica: | | | |

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Y la potencia disipada por el transistor MOS se simplifica a: | | | ( ) | ( )| ( )

La expresión anterior muestra:

1. La potencia disipada por el transistor MOS a la frecuencia f es directamente proporcional a la ganancia del amplificador a la frecuencia f1. 40

2. Al ser el incremento de la temperatura en la superficie del cristal semiconductor proporcional a la potencia disipada por el transistor MOS, la amplitud de la componente espectral de la temperatura en la superficie del cristal semiconductor a la frecuencia f es proporcional a la ganancia del amplificador a la frecuencia f1.

3. Para medir el ancho de banda del amplificador, se tiene que hacer un barrido de los dos tonos. 5 f1 se barre desde un valor inicial hasta un final dentro de la banda de interés, manteniendo el valor de f constante durante todo el barrido. De esta forma durante todo el barrido los dos tonos aplicados al amplificador están espaciados f.

4. Simultáneamente a la realización del barrido, se mide la amplitud de la componente espectral a frecuencia f de la temperatura en la superficie del cristal semiconductor, cerca de donde está 10 ubicado el transistor MOS (6). Tal y como muestra la figura 4, se representa la medición de la temperatura en una escala logarítmica, de forma que se representa como 20·log(tempertura medida) en el eje vertical y frecuencia f1 en el eje horizontal

5. La frecuencia (22) donde se produce el máximo incremento de temperatura (23) corresponde a la frecuencia central del amplificador 15

6. Las dos frecuencias de corte, superior (25) e inferior (24), del amplificador se pueden determinar al observar en qué valores de frecuencia la temperatura ha disminuido 6dB (3 dB corresponden directamente a la disminución de la ganancia, y se tienen que sustraer 3dB adicionales ya que cuando el amplificador trabaja a las frecuencias de corte la fase de la carga RLC es , verificándose que √ siendo 20·log(1/ √2) = -3dB). 20

Descripción de los dibujos

La figura 1 muestra un circuito integrado (1) con un amplificador sintonizado (2). El amplificador está alimentado por una tensión continua (3). A la entrada del amplificador se conecta un 25 generador de señal alterna (4), que es amplificada y suministrada a una carga (5). Mediciones de temperatura en (6) permiten caracterizar el ancho de banda del amplificador.

La figura 2 muestra el esquemático de un posible amplificador sintonizado, compuesto por un transistor (7), una carga RLC formada por una resistencia R, una bobina L y una capacidad C (8). 30 El amplificador necesita, para su correcto funcionamiento, un generador de tensión de alimentación (3). El terminal (9) es la entrada del amplificador y el (10) es el terminal de salida del amplificador.

La figura 3 muestra un circuito integrado (1) con un amplificador sintonizado (2). El amplificador 35 está alimentado por una tensión continua. A la entrada del amplificador se conecta un generador se señal alterna (4). En el circuito integrado hay ubicado un sensor diferencial de temperatura. Este sensor consta de dos transductores de temperatura (16 y 17) que son los puntos en donde se realiza la medición de temperatura. El sensor consta de circuitería de polarización y procesado (15), de forma que la tensión entregada a la salida (18) es proporcional a la diferencia de la 40 temperatura de los puntos (16) y (17). La tensión de salida del sensor (18) es leída por un equipo de medida eléctrico que pueda proporcionar la amplitud de una componente espectral de la tensión de salida del sensor de temperatura (19), por ejemplo, un amplificador tipo “lock-in”.

La figura 4 muestra un ejemplo de las mediciones realizadas con el procedimiento descrito en esta patente. El eje de las abscisas representa frecuencia (21), el eje vertical representa amplitud de la 45 componente espectral de la tensión de salida del sensor de temperatura a la frecuencia f. Esta amplitud está expresada en dB. La frecuencia central (22) corresponde al punto del eje horizontal donde la lectura de la temperatura es máxima (23). La frecuencia de corte superior (25) corresponde a la frecuencia donde la temperatura ha disminuido en 6dB respecto al valor máximo. La frecuencia de corte inferior (24) corresponde al punto donde la temperatura ha disminuido en 50 6dB respecto al valor máximo.

Descripción de la aplicación preferida.

La presente invención describe un procedimiento para la medición del ancho de banda 3dB en amplificadores sintonizados o de banda estrecha mediante las mediciones de temperatura en 5 pequeña señal. La figura 3 muestra un circuito integrado (1) que contiene un amplificador sintonizado o de banda estrecha (2). Integrado en el mismo cristal semiconductor hay un sensor diferencial de temperatura. Los sensores diferenciales son aquellos que proporcionan una señal eléctrica a su salida proporcional a la diferencia de temperatura entre dos transductores. En este caso, los transductores de temperatura se indican en (16) y (17). El amplificador tiene conectado a 10 su entrada un generador de señal (4) que es capaz de introducir a la entrada del amplificador un mínimo de dos funciones sinusoidales de igual amplitud y de frecuencias f1 y f2, de forma que se verifique que f2= f1 + f.

Se realiza un barrido de las frecuencias f1 y f2, de forma que durante todo el barrido el valor de f 15 permanece constante.

Mientras se realiza el barrido, se observa la tensión de salida proporcionada por el sensor de temperatura. Se observa la amplitud de la componente espectral de la tensión de salida del sensor a la frecuencia f. Esto se denomina observar las componentes en pequeña señal del sensor de 20 temperatura o de la temperatura en la superficie del cristal semiconductor. Esta medición se puede realizar con diferentes equipos (19), por ejemplo, mediante un amplificador tipo lock-in, un osciloscopio o un voltímetro, sin que esta lista limite la aplicación del procedimiento presentado por esta patente.

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La figura 4 muestra cómo se representan las mediciones que se van realizando. En el eje horizontal (21) se representan los valores de f1. En el eje vertical (23) se representa las mediciones de amplitud de la componente espectral de la temperatura a la frecuencia f. Se representa la amplitud de la temperatura en decibelios (20·log(amplitud_temperatura)). Al ser un amplificador de banda estrecha, esta gráfica presenta tres puntos característicos: la frecuencia 30 central del amplificador (22) es la frecuencia donde se observa la máxima amplitud registrada (23). La frecuencia de corte superior (25) corresponde al punto de frecuencia superior a la central tal que la amplitud de la tensión proporcionada por el sensor ha disminuido en 6dB respecto al valor máximo (23). La frecuencia de corte inferior (24) corresponde a la frecuencia de valor inferior a la frecuencia central donde la tensión proporcionada por el sensor ha disminuido 6dB respecto al 35 valor máximo (23).

El ancho de banda 3dB del amplificador (2) se obtiene mediante la diferencia entre la frecuencia de corte superior menos la diferencia de corte inferior.

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Claims (2)

1. REIVINDICACIONES

   1. Un procedimiento para la medición del ancho de banda 3dB en amplificadores sintonizados o de banda estrecha mediante las mediciones de temperatura en pequeña señal, que comprende: 5

   a) En la entrada del amplificador se aplican un mínimo de dos señales sinusoidales de frecuencias f1 y f2, de forma que se verifique que f2= f1 + f.

   b) Se realiza un barrido de la frecuencia de las dos señales sinusoidales dentro de la banda de interés, de forma que se verifique para todo el barrido que f es constante. 10

   c) Se observa la amplitud de la componente espectral de la temperatura a la frecuencia f durante todo el barrido.

   d) Se representa esta amplitud en función del valor de la frecuencia f1.

   e) Se denomina frecuencia central al valor de la frecuencia f1 tal que la lectura de la amplitud de la componente espectral de la temperatura a la frecuencia f es máxima. 15

   f) Se obtienen las dos frecuencias de corte, superior e inferior, que verifican que la amplitud de la componente espectral de la temperatura a la frecuencia f ha disminuido en 6dB respecto al valor máximo obtenido en el paso anterior.

   g) El ancho de banda 3dB se obtiene mediante la resta entre el valor de la frecuencia de corte superior y la frecuencia de corte inferior. 20
2. 2. Un procedimiento para estimar características eléctricas de circuitos analógicos integrados basado en la reivindicación 1, en que las mediciones de temperatura se realizan mediante mediciones de cualquier magnitud física (por ejemplo, dilatación, variación de índices de reflexión, variación de índices de refracción, velocidad de propagación del sonido) cuya causa 25 de variación sea una variación de la temperatura.