Aportaciones al diseño de convertidores analógico-digital de bajo consumo de potencia y bajo voltaje de polarización

Resumen

Con el paso de los años las tecnologías CMOS han ido reduciendo su escala pasándose en apenas diez años de tecnologías de 0,8¿m a 45nm. Esta reducción en la escala de los transistores ha permitido un mayor nivel de integración de los sistemas, multiplicándose el número de transistores implementados en un circuito integrado, y permitiendo una mayor complejidad en la funcionalidad integrada en un solo circuito. De esta forma, funciones que anteriormente se implementaban mediante varios circuitos integrados y componentes discretos, se implementan ahora mediante un único circuito integrado. Así pues, para evitar un calentamiento excesivo de los componentes que constituyen el circuito integrado, y que podría degradar la funcionalidad del mismo; habrá que reducir el consumo de potencia de la celdas bases que hacen posible la implementación del sistema. Además, en dispositivos portátiles, donde la duración de las baterías juega un papel muy importante; llevar a cabo la reducción del consumo de potencia de las celdas básicas es imprescindible. Esta reducción del consumo de potencia de los circuitos se llevará a cabo mediante el uso de nuevas tecnologías, que permite una mayor velocidad de los sistemas con el mismo consumo de corriente, mediante una reducción del voltaje de polarización y mediante estrategias de diseño. Por otro lado, desde el punto de vista económico, el área de los circuitos integrados que componen el sistema será fundamental. De este modo, para obtener la misma funcionalidad y más, sin un aumento de precio del producto en el mercado, o incluso a un precio más barato, habrá que reducir también el área de las celdas básicas implementadas. Esta reducción de área se llevará cabo por un lado mediante el uso de tecnologías más pequeñas, y por otro lado mediante técnicas de diseño. Una gran parte de los sistemas electrónicos que se fabrican actualmente contienen, al menos, un convertidor analógico-digital. Estos sistemas tendrán una entrada proveniente del mundo real y será necesario una conversión analógica-digital para llevar a cabo una cierta funcionalidad mediante el procesado digital de dichas señales (DSP). Entre estos sistemas electrónicos podemos encontrar: sistemas de recepción de señales de comunicaciones (móviles, TV, radio etc.), sensores (Hal, sensores de presión, temperatura etc.) y sistemas con aplicaciones biomédicas (electrocardiogramas, electroencefalogramas, presión arterial etc.). Así pues, la reducción del consumo de potencia y área de los convertidores analógico-digital que se emplean en el sistema será fundamental. En los últimos años, especialmente para aplicaciones de alta frecuencia, los convertidores analógico-digital que emplean una arquitectura pipeline van ganado terreno a otras arquitecturas como la folding-and-interpolating o la conversión analógica-digital en dos etapas. Anteriormente, el uso de la arquitectura pipeline para un convertidor analógicodigital estaba limitada por un lado, por el tamaño de los condensadores necesarios para la obtención de un buen apareamiento, y por la velocidad de los amplificadores operacionales. Hoy en día, con el uso de nuevas tecnologías, el uso de un convertidor analógico-digital para una aplicación que requiera una cierta resolución a una cierta velocidad vendrá limitada principalmente sólo por el apareamiento de los condensadores. Además, el uso de configuraciones de condensadores nuevas, M-o-M (metal-oxide-metal) o M-i-M (metal- insulator-metal), permite la obtención de un mejor apareamiento que las antiguas, basadas principalmente en dos capas de silicio policristalino. De este modo, será posible reducir el tamaño de los condensadores permitiéndose un aumento de la velocidad de los convertidores analógico-digital y sin sufrir degradación en su linealidad. Como se ha explicado anteriormente, es necesario reducir el consumo de potencia de los convertidores analógico-digital pipeline empleados en el sistema. Para ello será necesario conocer con precisión cuáles son las fuentes de error que degradan la resolución final del convertidor ya que esto nos permitirá reducir el consumo de corriente en algunos de los bloques que lo constituyen.