Las soluciones μModule® de cadena de señal de precisión de Analog Devices proporcionan a los diseñadores de sistemas, una solución integrada, compacta y altamente personalizable que simplifica el diseño, mejora el rendimiento y ahorra un valioso tiempo de desarrollo.1 Este enfoque ofrece una gran ventaja a los clientes que pueden llegar al mercado más rápidamente con un rendimiento puntero.

Con los rápidos avances en la tecnología de circuitos integrados a muy gran escala (VLSI- Very Large-Scale Ingegrated) surgió la polifacética disciplina de las aplicaciones de procesamiento de señales, que abarcan desde las telecomunicaciones y los sistemas de audio hasta la automatización industrial y la electrónica del automóvil. Para dar soporte a estas aplicaciones, fue necesaria una investigación significativa para desarrollar un bloque de cadena de señal de alto rendimiento, discreto lineal y preciso. Este artículo ilustrará cómo la solución μModule de cadena de señal de precisión de ADI aprovecha la integración heterogénea a través de la tecnología system-in-package (SiP) para dar respuesta a esta necesidad del mercado, proporcionando a los diseñadores de sistemas una solución integrada, compacta y altamente personalizable que simplifica el diseño, mejora el rendimiento y ahorra un valioso tiempo de desarrollo.¹ Este enfoque ofrece una gran ventaja a los clientes que desean llegar más rápidamente al mercado con tecnología puntera.²

Qué es la tecnología de cadena de señal de precisión μModule?
La cadena de señal de precisión μModule es una tecnología SiP que permite la integración de diversos circuitos juntos manteniendo el más alto nivel de rendimiento. Las soluciones de cadena de señal de precisión μModule de ADI tienen como objetivo mejorar la densidad en un factor de forma más pequeño mediante la combinación de dispositivos de primera clase, tecnología iPassives® y tecnología avanzada de encapsulado 2.5D/3D, manteniendo al mismo tiempo una gestión inteligente y eficiente de los componentes del sistema (consulte la Figura 1)^.1 Estos dispositivos μModule sirven como bloques de construcción fiables para la cadena de señal, lo que permite a los diseñadores de sistemas lograr mayores niveles de integración, un tiempo de comercialización más rápido, un mayor rendimiento de velocidad y un consumo de energía reducido a un precio asequible sin necesidad de depuración u optimización de circuitos externos adicionales.¹

Principales características y ventajas
El poder de la integración:
Las soluciones μModule de cadena de señal de precisión representan un notable avance en el diseño de cadenas de señal al integrar múltiples componentes analógicos y digitales en un único módulo. Esto es posible gracias a la utilización de la tecnología iPassives de ADI con nuestros CIs de acondicionamiento de señal superiores que se encapsulan a través de la tecnología SiP para crear dispositivos μModule con el mejor rendimiento y robustez de su clase en tiempos de ciclo de desarrollo excepcionalmente cortos.² Al igual que los circuitos integrados contienen muchos transistores, los pasivos integrados pueden contener muchos componentes pasivos de alta calidad empaquetados en un módulo muy pequeño.

Un solo dispositivo puede contener ahora sistemas que antes eran soluciones a nivel de placa. Al combinar funciones como la amplificación, el filtrado y la conversión analógico-digital, estos módulos eliminan la necesidad de diseñar complejas cadenas de señales utilizando componentes individuales. De este modo, se reducen significativamente los parásitos de interconexión (inductancia, capacitancia y resistencia). Todos estos factores contribuyen a crear soluciones completas con un excelente rendimiento inmediato. Desarrollada en ciclos de desarrollo cortos con un gran ahorro de costes, todo ello en paquetes muy compactos², esta integración no sólo reduce la huella física al ofrecer soluciones completas en huellas espacialmente eficientes, sino que también optimiza el rendimiento y la fiabilidad de la cadena de señales. Los componentes pasivos que se fabrican al mismo tiempo, en las mismas condiciones, tienen más posibilidades de coincidir bien con los pasivos integrados.²

Figura 1. Sistema en un paquete (System in a Package).

Esta solución reduce las iteraciones de diseño al transferir la selección, optimización y disposición de los componentes del diseñador al dispositivo. ADI produce sistemas de acondicionamiento de señal de precisión que son altamente personalizables, con un rendimiento superior que es posible gracias a los exclusivos procesos de fabricación de silicio que tenemos a nuestra disposición^.2 La figura 2 ilustra la significativa reducción del espacio que ofrece esta solución. Además, puede reducirse el coste total de propiedad y el tiempo de comercialización para los diseñadores de sistemas.

Figura 2. Reducción del espacio ocupado por la solución.

Liberar el potencial de rendimiento
Las soluciones μModule de la cadena de señal de precisión están diseñadas para ofrecer un rendimiento excepcional a las crecientes demandas de electrónica de los clientes, superando las limitaciones de los diseños de circuitos integrados frontales y las tecnologías de fabricación.^₃ Con una cuidadosa selección de componentes, técnicas de diseño analógico precisas y una avanzada optimización del diseño, estos módulos garantizan una alta integridad de la señal, un bajo nivel de ruido y un procesamiento preciso de la señal. Ya sea capturando datos de sensores, amplificando señales o convirtiendo entre dominios analógicos y digitales, la solución μModule de cadena de señal de precisión libera todo el potencial del procesamiento de señales con una calidad sin compromisos.
La tecnología iPassives de ADI garantiza un entorno mecánico homogéneo. Para ello, las parásitas interconectadas, como la resistencia y la inductancia de la traza, se reducen al mínimo, mientras que las pocas que hay son muy predecibles y pueden contabilizarse de forma fiable.² La figura 3 muestra el rendimiento superior del ADAQ4003 a través de diferentes ganancias para varias frecuencias de entrada.

Figura 3. Rendimiento del ADAQ4003 Rango dinámico del ADAQ4003, con SNR frente a la frecuencia de sobremuestreo (OSR) para varias frecuencias de entrada.4

Personalización y flexibilidad

Al tiempo que ofrecen integración, las soluciones de cadena de señal de precisión μModule también proporcionan a los diseñadores de sistemas flexibilidad en el diseño de cadenas de señal. Son altamente configurables, lo que permite a los usuarios adaptar los parámetros y características de la cadena de señal a los requisitos específicos de su aplicación mediante la partición inteligente de todos los componentes, como se muestra en la figura 4. Con la ganancia ajustable, el ancho de banda, las opciones de filtrado y otras características personalizables, estas soluciones ofrecen una plataforma versátil que satisface una amplia gama de retos de diseño.

Figura 4. Diagrama de bloques simplificado de la unidad de medida de la fuente.4

Menor coste total de propiedad:
Hay muchos costes secundarios asociados al mantenimiento de un sistema a lo largo de su vida útil.¹ Por su propia naturaleza, los dispositivos discretos degradan invariablemente su rendimiento a lo largo de la temperatura de funcionamiento y la vida útil del circuito. Un sistema construido con una solución μModule de cadena de señal de precisión tiene menores costes secundarios porque los componentes pasivos que afectan al rendimiento y la producción durante la fabricación están integrados en el dispositivo μModule.¹ La figura 5 ilustra la reducción de los costes secundarios cuando se utiliza una solución de cadena de señal de precisión μModule en lugar de una cadena de señal discreta.

Figura 5. Costes secundarios.

Los límites reflejados en la hoja de datos de una cadena de señal μModule cubren todo el rendimiento de la cadena de señal; por lo tanto, permiten un rendimiento constante y un alto rendimiento en la fabricación, lo que reduce la aparición de un problema de rendimiento en la línea de fabricación para ayudar a minimizar los costes de soporte técnico y maximizar el rendimiento de fabricación.¹
Además, dado que los componentes pasivos son parte integrante de todos los subsistemas electrónicos5 , su integración en el sustrato ofrece la posibilidad de mejorar el rendimiento. Gracias a esta integración, se reducen las fuentes de error dependientes de la temperatura. No sólo eso, sino que se elimina la necesidad de calibrar la cadena de señales en función de la temperatura en la fabricación, ya que se sabe que estos factores consumen mucho tiempo y son caros (véase la Figura 6). La reducción al mínimo del número de componentes discretos e interconexiones en la placa de circuito impreso también mejora la fiabilidad del sistema debido al menor número de soldaduras, lo que reduce los costes de asistencia técnica.¹

Facilidad de uso y creación rápida de prototipos:
La solución μModule de cadena de señal de precisión simplifica el proceso de diseño y reduce significativamente el tiempo de desarrollo. El tiempo de diseño se reduce porque los núcleos están prediseñados, fabricados, caracterizados y probados. Las soluciones μModule de cadena de señal de precisión vienen con cadenas de señal preconfiguradas y una gran cantidad de recursos de soporte, como placas de evaluación y kits de desarrollo de software, lo que se traduce en un buen rendimiento y una fase de diseño sencilla.

La figura 7 muestra un kit de cadena de señal de muestra que exhibe las capacidades de las soluciones μModule de cadena de señal de precisión.

Figura 6. Reducción del coste total de propiedad mediante la tecnología μModule de cadena de señal de precisión.

Figura 7. El kit de cadena de señal ADSKPMB10-EV-FMCZ.

Desde la perspectiva del diseñador, la tecnología iPassives de ADI puede verse como una herramienta de diseño flexible para producir soluciones de μModule de cadena de señal de precisión que permiten el diseño de soluciones de sistema en tiempos de ciclo de desarrollo excepcionalmente cortos.2 Los diseñadores de sistemas pueden centrarse en el diseño y la funcionalidad a nivel de sistema en lugar de lidiar con la intrincada implementación a nivel de circuito. La creación rápida de prototipos y la validación del sistema resultan más sencillas, lo que permite establecer calendarios agresivos desde la definición del sistema hasta la entrega de las piezas para aplicaciones innovadoras.
Para satisfacer las variadas demandas del mercado, ADI proporciona una extensa cartera de convertidores integrados y de propósito especial para dar soporte a una amplia gama de industrias.

Aplicaciones en todas las industrias
Las soluciones μModule de cadena de señal de precisión proporcionan una amplia gama de aplicaciones en numerosas industrias, abarcando varios dominios como los siguientes:

Comunicaciones
La mayoría de los productos de comunicación inalámbrica requieren electrónica digital, analógica y de RF para facilitar la transmisión y recepción de señales sin interrupciones. Las soluciones μModule de cadena de señal de precisión lo consiguen mejorando el rendimiento de los transceptores, las estaciones base y la infraestructura de red. Estas soluciones ofrecen una solución eficaz para mitigar las interferencias electromagnéticas que provocan los homólogos digitales de la electrónica de RF sensible al ruido al separar los circuitos de RF y digitales.⁶

Un ejemplo es el ADAQ8092 (Figura 8), que es un sistema SIP de doble canal que integra tres bloques comunes de procesamiento y acondicionamiento de señales para soportar una gran variedad de aplicaciones de demodulación y adquisición de datos. El dispositivo integra todos los componentes activos y pasivos para formar una cadena de señal completa que reduce hasta 6 veces el espacio ocupado en comparación con una solución discreta. Los condensadores de desacoplamiento de la fuente de alimentación incorporados mejoran el rendimiento de rechazo de la fuente de alimentación, convirtiéndolo en una solución DAQ robusta. El ADAQ8092 funciona con alimentaciones digitales de 3,3 V a 5 V analógicas y 1,8 V. Las salidas digitales pueden ser CMOS, CMOS de doble velocidad de datos o LVDS de doble velocidad de datos.

Figura 8. Diagrama de bloques del ADAQ8088.

Figura 9. Diagrama de aplicaciones típico de un sistema DAQ aislado por canal.

Automatización industrial
Centrándonos en las aplicaciones industriales, los recientes avances en tecnología de semiconductores permiten tendencias innovadoras en tres direcciones principales: densidad de potencia y eficiencia energética, omnipresencia del control digital de la potencia y seguridad.⁷

Cadena de señales de precisión

Las soluciones μmodule de cadena de señales de precisión permiten un procesamiento preciso de las señales para los sistemas de automatización industrial, garantizando mediciones, control y actuación exactos.
Las redes de comunicación industrial impulsan escenarios de fabricación inteligentes y seguros al disponer de comunicación en tiempo real entre máquinas y sistemas de control. La solución μModule de cadena de señal de precisión permite el desarrollo de sistemas de control digital junto con novedosas soluciones de conectividad para garantizar la seguridad humana en cualquier punto del tiempo^.7

La seguridad de los sistemas es esencial para garantizar la seguridad de las personas y proteger el medio ambiente.7 Los recientes avances en las nuevas opciones de proceso de las tecnologías de semiconductores garantizan que no sea necesario hacer concesiones para solucionar la falta de velocidad de comunicación, el gran consumo de energía, el tamaño considerable y los problemas de fiabilidad de los sistemas de control de seguridad.
Las soluciones μModule de cadena de señal de precisión proporcionan un enfoque integrado en términos de ahorro de espacio, bajo consumo de energía, excelente fiabilidad y velocidad de comunicación.

Los sistemas de automatización industrial recogen datos de múltiples nodos sensores y los transmiten a un sistema central de monitorización del estado para su análisis. La monitorización basada en el estado (CbM - Condition based Monitoring) es una estrategia de mantenimiento preventivo que monitoriza continuamente el estado de los activos mediante diversos tipos de sensores. La CbM puede utilizarse para establecer tendencias, predecir fallos, calcular la vida útil de un activo y aumentar la seguridad en las plantas de fabricación.⁸
Para las aplicaciones CbM, el ADAQ7768-1 admite una amplia variedad de tipos de entrada, incluidos sensores IEPE, puentes resistivos, entradas de tensión y de corriente, como se ilustra en la Figura 9. El ADAQ7768-1 también admite entradas de tensión y de corriente. El ADAQ7768-1 también admite dos métodos de configuración de dispositivos. El usuario tiene la opción de elegir la configuración con la que funcionará el dispositivo a partir de la alteración de los registros a través de su SPI, o mediante un sencillo método de flejado de pines (pin strapping) de hardware para configurar el dispositivo para que funcione en varios modos predefinidos.¹

Soluciones para pruebas en automoción
La innovación y la optimización de las soluciones μModule de cadena de señal de precisión proporcionan interconexiones robustas y soporte mecánico, alta fiabilidad, compacto y rentable producto que ayuda a satisfacer las necesidades de la industria del automóvil.9 Estas soluciones se emplean en aplicaciones tales como sistemas de información y entretenimiento, control del tren motriz, sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), la mejora de la seguridad, la comodidad y el rendimiento del vehículo.

Los avances tecnológicos aumentan la complejidad, por lo que se necesitan nuevos métodos de simulación y verificación. Para evitar simulaciones poco prácticas, puede utilizarse un gemelo digital. Un gemelo digital es una representación virtual de un sistema físico del mundo real.¹ Este método puede ayudar a reducir costes, acelerar los ciclos de desarrollo o permitir la optimización del sistema global.
Como ejemplo del mercado de la automoción, el hardware-in-the-loop (HIL) es una técnica de gemelos digitales que se utiliza para probar sistemas complejos en tiempo real, como unidades de control electrónico (ECU), sistemas de dirección asistida, sistemas de suspensión, sistemas de gestión de baterías o cualquier otro subsistema del vehículo. La amplia cartera de productos de acondicionamiento de señal, adquisición de datos, generación de señal y aislamiento de ADI permite ofrecer soluciones optimizadas para simuladores HIL; en concreto, el ADAQ23878 con escalado de señal que reduce el número de componentes del sistema final al combinar múltiples bloques comunes de procesamiento y acondicionamiento de señal en un único dispositivo, incluyendo un controlador ADC (FDA) de bajo ruido y totalmente diferencial, un búfer de referencia estable y un ADC de alta velocidad, 18 bits y 15 MSPS de registro de aproximación sucesiva (SAR).¹

Figura 10. Placa de evaluación EVAL-ADAQ238

Conclusión
El nuevo dictado de la tecnología de CI es agilizar el proceso de desarrollo utilizando la integración heterogénea de la tecnología SiP.10 La introducción de las soluciones μModule de cadena de señal de precisión ha transformado el enfoque de los diseñadores de sistemas respecto al diseño de la cadena de señal. Esta solución ofrece integración, capacidades de alto rendimiento, flexibilidad y facilidad de uso, manteniendo al mismo tiempo capacidades excepcionales de procesamiento de señales. A medida que la tecnología sigue avanzando, las soluciones μModule de cadena de señal de precisión están posicionadas para desempeñar un papel crucial en la habilitación de aplicaciones innovadoras en diversas industrias, contribuyendo al avance de los sistemas electrónicos.

Agradecimientos
Nos gustaría dar las gracias a Stuart Servis por sus contribuciones técnicas a este artículo.

Referencias
1 «Soluciones de µmódulos para cadenas de señal de precisión» . Analog Devices, Inc.
2 Mark Murphy y Pat McGuinness. «Uso de pasivos integrados en SIP de micromódulos» . Analog Dialogue, vol. 52, n.º 10, octubre de 2018.
3 Man-Lung Sham, Y. C. Chen, L. W. Leung, Jyh-Rong Lin y Tom Chung. «Retos y oportunidades en el negocio del sistema en paquete (SiP)». 2006 7th International Conference on Electronic Packaging Technology, agosto de 2006.
4 Maithil Pachchigar. «μModuleData Acquisition Solution Eases Engineering Challenges for a Diverse Set of Precision Applications .» (Lasolución de adquisición de datos de módulo μfacilita los desafíos de ingeniería para un conjunto diverso de aplicaciones de precisión). Analog Devices, Inc, noviembre de 2020.
5 Michael Scheffler y Gerhard Tröster. «Evaluación de la rentabilidad de los pasivos integrados». Actas de la Conferencia sobre diseño, automatización y pruebas en Europa, febrero de 2000.
6 King L. Tai. «System-In-Package (SIP): Challenges and Opportunities». Actas de la Conferencia sobre Automatización del Diseño en Asia y el Pacífico Sur 2000, enero de 2000.
7 Domenico Arrigo, Claudio Adragna, Vincenzo Marano, Rachela Pozzi, Fulvio Pulicelli y Francesco Pulvirenti. «La próxima era de la automatización: Cómo las tecnologías de semiconductores están cambiando los sistemas y aplicaciones industriales.» ESSCIRC 2022- IEEE 48th European Solid State Circuits Conference (ESSCIRC), septiembre de 2022.

8 «Monitorización basada en la condición» . Analog Devices, Inc.
9 Yangang Wang, Xiaoping Dai, Guoyou Liu, Daohui Li y Steve Jones. «Una visión general del empaquetado avanzado de semiconductores de potencia para el sistema automotriz». CIPS 2016; 9ª Conferencia internacional sobre sistemas electrónicos de potencia integrados, marzo de 2016.
10 K.M. Brown. «Sistema en paquete: El renacimiento del SIP.» Actas de la conferencia IEEE 2004 sobre circuitos integrados personalizados.

Sobre el autor
Lloben Paculanan es ingeniero de aplicaciones de producto en Analog Devices en General Trias, Filipinas. Se incorporó a ADI en el año 2000, donde trabajó en diversas funciones de desarrollo de hardware de prueba e ingeniería de aplicaciones. Ha estado trabajando en el desarrollo, precisión y alta velocidad de las soluciones μModule. Se graduó de la Universidad Ateneo de Cagayan Xavier con una licenciatura en ingeniería industrial y tecnología, e ingeniería informática de la Universidad Enverga.

Acerca de la autora
Regine Garcia se incorporó a Analog Devices en 2023 y actualmente es ingeniera de aplicaciones de productos para las soluciones μModule de cadena de señal de precisión en ADI en General Trias, Filipinas. Obtuvo su licenciatura en ingeniería electrónica y de comunicaciones en la Universidad Saint Louis de Baguio City.