Desde teléfonos móviles y acceso inalámbrico a Internet hasta radares y sistemas de navegación, el mundo está cada vez más conectado mediante transmisiones de radiofrecuencia (RF). Como la tecnología sigue mejorando, los circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC) se han convertido en chips complejos, tanto por sí mismos como integrados en soluciones de sistema en chip (SoC) de gran tamaño. Los RFIC están diseñados para funcionar a altas frecuencias, normalmente entre varios cientos de MHz y varios GHz.
El objetivo del diseño de un circuito de radio es transmitir y recibir señales entre el origen y el destino con una calidad aceptable y sin incurrir en un coste elevado. Esto puede lograrse diseñando un circuito utilizando métodos de diseño probados. Un circuito integrado de radiofrecuencia suele constar de amplificadores, filtros, mezcladores, osciladores y moduladores/demoduladores en un único chip.
El diseño de circuitos de RF es una tecnología discreta que utiliza tanto técnicas de diseño analógico de baja frecuencia como métodos empleados en el diseño de circuitos de microondas. La diferencia clave entre el diseño de microondas y el diseño analógico de baja frecuencia radica en la importancia de los principios de las líneas de transmisión. El diseño de microondas se basa en gran medida en conceptos de líneas de transmisión, mientras que el diseño analógico de baja frecuencia no. Como resultado, la selección de los niveles de impedancia y la descripción del tamaño de la señal, el ruido y la distorsión se ven afectados.
Componentes de un diseño de circuito integrado de radiofrecuencia
Los principales componentes de un diseño RFIC son:
- Antena: se utiliza para transmitir y recibir señales de radiofrecuencia.
- Filtro: restringe las señales en una banda de frecuencias específica. Puede ser un filtro paso banda (BPF) que permite el paso de un rango de frecuencias específico, un filtro paso bajo (LPF) que permite el paso de frecuencias por debajo de un nivel específico, o un filtro paso alto (HPF) que permite el paso de frecuencias por encima de un nivel específico.
- Adaptación de impedancias: iguala las impedancias de la fuente y la carga para minimizar la reflexión de la señal o maximizar la transferencia de potencia.
- Amplificador de bajo ruido (LNA): amplifica las señales débiles y filtra la respuesta al ruido, ya que la señal recibida no es lo suficientemente fuerte como para pasar directamente a través del mezclador.
- Modulador: se utiliza para la modulación de la señal. Codifica la señal de una forma determinada para cumplir los requisitos del canal de comunicación. Sirve como «convertidor ascendente» en un transmisor, en el que combina una señal analógica de baja frecuencia con la señal del oscilador local para generar una señal de RF.
- Demodulador: descodifica la señal en el receptor. Extrae la señal portadora de información original de la onda portadora modulada.
- Amplificador de potencia: se utiliza para amplificar la salida del mezclador a una potencia superior para la transmisión. El alcance de la cobertura aumenta con la eficacia de la transmisión.
- Conmutador de RF: encamina las señales de alta frecuencia a través de las vías de transmisión.
Casos de uso y ventajas de los RFICs
- Comunicación y conectividad inalámbrica: Los RFICs se utilizan ampliamente para la comunicación inalámbrica en teléfonos móviles, dispositivos de Internet de las Cosas (IoT), electrodomésticos, etc. Los dispositivos habilitados para RFIC se han convertido en una parte integral de la vida cotidiana. La integración compacta, la gestión de la energía y la transferencia de datos a alta velocidad son algunas de sus mayores ventajas.
- Sistemas de radar para automóviles: Los RFICs se utilizan en sistemas de radar de automoción para aplicaciones como la evitación de colisiones, el control de crucero adaptativo y la asistencia al aparcamiento. Gracias a su formato compacto, pueden montarse fácilmente en los vehículos para mejorar la seguridad.
- Redes de sensores inalámbricos: Los RFICs se utilizan en redes de sensores inalámbricos para aplicaciones como la vigilancia medioambiental, la agricultura inteligente y la automatización industrial. La conectividad inalámbrica entre nodos de sensores elimina el cableado y la infraestructura. El uso de aplicaciones basadas en RFIC proporciona flexibilidad y escalabilidad, ya que es fácil ampliar o reconfigurar las redes basadas en RFIC.
- Comunicación por satélite: Los RFICs se utilizan en sistemas de comunicación por satélite para tareas como amplificación de señales, conversión de frecuencia y modulación. Amplia cobertura, altas velocidades de transferencia de datos y procesamiento eficaz de la señal son algunas de sus muchas ventajas.
Diseño y verificación de RFICs modernos
Durante décadas, el diseño analógico y de señal mixta (AMS) se consideró un arte, y los diseñadores de RFICs tenían sus propias técnicas manuales que les llevaban a través de las fases de esquema y disposición hasta la verificación física y la simulación de circuitos. Sin embargo, esto resultaba costoso tanto en tiempo de proyecto como en presupuesto.
Estos métodos tradicionales de diseño y verificación de circuitos de RF resultan ineficaces para cumplir los modernos estándares de diseño de RFIC. A medida que los diseñadores tratan de hacer converger los circuitos analógicos, digitales y de RF en un gran SoC -y a medida que la frecuencia de funcionamiento sigue aumentando-, resulta difícil diseñar circuitos integrados de RF utilizando bibliotecas de dispositivos pre-caracterizados u otras metodologías heredadas. Además, la interacción electromagnética a altas frecuencias provoca efectos parásitos como reflexiones de señal, diafonía e interferencias electromagnéticas (EMI), que degradan el rendimiento del circuito y deben tenerse en cuenta lo antes posible en el ciclo de diseño.
Un flujo de desarrollo de RFIC moderno debe acortar el plazo de entrega (TAT) de cada iteración de diseño y, al mismo tiempo, lograr el mejor rendimiento posible del circuito. Por ello, el diseño y la simulación van de la mano en un proceso iterativo. El diseño se ajusta varias veces en función de los resultados de la simulación. Se trata de un proceso largo y, a veces, los diseñadores tienen que hacer concesiones en cuanto al rendimiento del circuito para cumplir unos plazos de entrega muy exigentes. Para conseguir un rendimiento sin concesiones, los diseñadores de RFIC necesitan herramientas avanzadas de automatización del diseño electrónico (EDA) y excelentes capacidades de simulación centradas específicamente en el diseño de circuitos integrados.
La perfecta integración de las herramientas EDA, en concreto las de diseño esquemático y maquetación, con el software de simulación optimizado para silicio es clave para el éxito del diseño de RFIC. Esta hiperconvergencia de herramientas proporciona un modelado rápido y preciso de los circuitos, desde la fase inicial de esquematización hasta la fase madura de diseño, con solvers electromagnéticos dedicados al silicio, así como comprobaciones integradas de caídas de tensión dinámicas, electromigración y otros problemas.