Los circuitos integrados (CI) han dominado la industria electrónica desde que se introdujeron a finales de la década de 1950. Todo parece indicar que estas pequeñas cajas negras seguirán dominando el mercado, y el diseño de circuitos integrados analógicos, en particular, ha cobrado cada vez más importancia con el paso de los años.
A pesar de ello, cuando la mayoría de la gente piensa en circuitos integrados, lo hace en circuitos digitales como procesadores informáticos o microcontroladores. Este artículo debería ayudar a corregir esta situación. Revisaremos las características de los circuitos integrados analógicos, repasaremos algunas de las áreas de aplicación de estos circuitos y, por último, examinaremos los requisitos y retos específicos de su diseño.
Antes de empezar a hablar del circuito integrado analógico, debemos definir «analógico».
¿Qué es una señal analógica?
Una señal analógica es una forma de onda continua en la que un atributo fluctuante, como la tensión o la presión, se corresponde con otra variable dependiente del tiempo. En otras palabras, una variable es análoga a la otra. La señal pasa de un valor a otro y atraviesa todos los valores intermedios, de cero a toda la amplitud.
¿Qué es un circuito integrado analógico?
Los circuitos integrados analógicos son circuitos electrónicos que procesan señales analógicas. Son las piezas básicas de la mayoría de los dispositivos electrónicos y manipulan señales como el audio, la temperatura, la luz y el voltaje. A diferencia de los circuitos integrados digitales, que procesan señales de encendido/apagado, los circuitos integrados analógicos trabajan con toda la gama de valores de una señal.
Los circuitos integrados analógicos son responsables de funciones como la amplificación, el filtrado, la mezcla, la modulación y la demodulación. Se utilizan mucho en aplicaciones en las que es esencial un procesamiento de señales preciso y eficaz.
Ejemplos y aplicaciones de circuitos integrados analógicos
Reguladores de tensión y corriente: Se suele utilizar en circuitos de potencia en los que la salida debe permanecer constante independientemente de la variación de la tensión de entrada. El circuito integrado regulador garantiza una salida constante. Los reguladores de tensión se utilizan habitualmente en todos los sistemas de alimentación.
Amplificadores operacionales (op-amp): Los amplificadores operacionales se utilizan para amplificar la señal de entrada a un nivel superior al requerido por la carga. También pueden filtrar señales no deseadas. La aplicación más común de los amplificadores operacionales son los amplificadores de audio.
Convertidores de datos: Estos circuitos integrados se utilizan para convertir señales analógicas en señales digitales y se conocen como convertidores analógico-digitales (ADC). Estos circuitos integrados se utilizan cuando la señal de entrada es continua (sonido, calor, etc.) y debe convertirse en un flujo digital para su procesamiento. La aplicación más común es la radio.
Amplificadores de audio: Los circuitos integrados amplificadores de audio se utilizan en aplicaciones de radiofrecuencia en las que la señal analógica recibida es muy débil. Aceptan la baja frecuencia de entrada y la elevan a un nivel superior al requerido por el circuito. Estos chips se utilizan habitualmente en sistemas de comunicación.
Comparación entre circuitos integrados analógicos y digitales
- Representación de señales: Los circuitos integrados analógicos trabajan con señales continuas cuyo valor cambia con el tiempo. En cambio, los circuitos integrados digitales utilizan señales discretas que se representan en forma binaria (0 ó 1).
- Componentes de los circuitos: Los circuitos analógicos utilizan resistores, inductores, condensadores, etc., mientras que los principales componentes de los circuitos digitales son puertas lógicas.
- Precisión y exactitud: Los circuitos integrados analógicos son susceptibles al ruido y a la degradación de la señal, lo que puede afectar a su precisión. Los sistemas analógicos también son susceptibles a factores ambientales como los cambios de temperatura. En cambio, los circuitos integrados digitales ofrecen una gran precisión y exactitud debido a la naturaleza discreta de las señales digitales. Los sistemas digitales son más resistentes al ruido y a las interferencias externas.
- Complejidad y funcionalidad: El diseño de circuitos analógicos complejos puede suponer un reto debido a la variación continua de la señal de entrada. Estos circuitos integrados se utilizan habitualmente en amplificadores de audio, sensores y filtros analógicos. Los circuitos integrados digitales permiten operaciones lógicas complejas, por lo que son adecuados para microcontroladores, almacenamiento de memoria y tareas de procesamiento de señales digitales.
- Eficiencia energética: Los circuitos analógicos consumen más energía, pero pueden ser más eficientes energéticamente que los digitales. Los circuitos digitales pueden ser eficientes energéticamente durante periodos de baja actividad (cuando los transistores están principalmente en modo de espera), pero consumen más energía durante la conmutación y el cálculo activo.
¿Cómo diseñar circuitos integrados analógicos?
El proceso de diseño de circuitos integrados analógicos implica múltiples etapas y un profundo conocimiento de la electrónica y los semiconductores. El proceso de diseño de un chip analógico debe tener en cuenta los retos de implementación al principio del ciclo de diseño y utilizar software de simulación para predecir el comportamiento. Las etapas del diseño son las siguientes:
- Conceptualización y especificaciones: El proceso comienza definiendo el propósito y la funcionalidad del CI. Los ingenieros colaboran estrechamente con los clientes y expertos en la materia para esbozar los requisitos de rendimiento del circuito, las limitaciones de potencia, las condiciones de funcionamiento y las aplicaciones de destino.
- Diseño esquemático: Crear un esquema de alto nivel del circuito utilizando transistores, resistores, capacitores, etc. Este esquema describe las interconexiones entre los distintos componentes y sus funciones.
- Verificación: Antes de pasar a la fabricación física, los ingenieros deben utilizar software de simulación spice para simular el comportamiento del circuito. Este paso ayuda a identificar posibles problemas, perfeccionar el diseño y optimizar el rendimiento.
- Diseño: Tras el esquema, los ingenieros lo traducen en un diseño físico mediante herramientas de diseño asistido por ordenador (CAD). La disposición implica la colocación de componentes, el diseño de interconexiones y, lo que es más importante, la integridad del diseño. Para crear un diseño robusto y fiable, los ingenieros tienen en cuenta factores como los efectos parásitos, las interferencias electromagnéticas (EMI), la disipación del calor, la descarga electrostática (ESD), la electromigración (EM), la caída de IR, etc. Este es el paso que más tiempo consume, en el que los diseñadores deben investigar a fondo el diseño antes de pasar al siguiente paso.
- Fabricación: Consiste en construir capas de materiales para crear los dispositivos semiconductores y las interconexiones. El producto final se somete a un control de calidad antes de salir al mercado.
Desafíos del diseño de circuitos integrados analógicos
Los circuitos analógicos siguen creándose a mano porque hay que tener en cuenta muchos parámetros. El diseño de circuitos digitales está muy automatizado, ya que se utilizan lenguajes de descripción de hardware que pueden producir diseños de circuitos físicos a partir de código.
Además, aunque el tamaño de los transistores ha disminuido continuamente de acuerdo con la ley de Moore, los circuitos analógicos no han podido aprovechar estos nodos avanzados en la misma medida que los circuitos digitales. Los circuitos digitales actuales se fabrican a 3 nm, y es probable que se hagan aún más pequeños. Los circuitos analógicos, en cambio, se diseñan actualmente entre 65 y 28 nm.
El encogimiento de los transistores provoca efectos parásitos de alto orden que son una plaga en los circuitos analógicos, aunque no dificultan mucho el rendimiento digital. Por este motivo, los circuitos integrados analógicos tardan más en pasar de un nodo tecnológico a otro.