PROCEDIMIENTO PARA LA MEDICIÓN DE LA EFICIENCIA DE AMPLIFICADORES DE POTENCIA INTEGRADOS LINEALES CLASE A UTILIZANDO MEDICIONES DE TEMPERATURA EN CONTINUA.

Procedimiento para la medición de la eficiencia de amplificadores de potencia integrados lineales clase A utilizando mediciones de temperatura en continua.



La presente invención describe un procedimiento para la medición de la eficiencia de amplificadores de potencia integrados lineales clase A utilizando mediciones de temperatura en continua. La Fig. 1 muestra un circuito integrado (1) que contiene un amplificador lineal de potencia clase A (2). La figura también muestra el generador que suministra una tensión continua para alimentar al amplificador (3) y el generador de señal (4) que el amplificador amplifica y entrega a la carga (5). Mediciones de la componente continua de la temperatura en puntos seleccionados del circuito integrado, en este caso el punto (6), permiten la medición de la eficiencia del amplificador sin necesidad de utilizar equipos de medición de señales analógicas alta frecuencia.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201230234.

Solicitante: UNIVERSITAT POLITECNICA DE CATALUNYA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: ALTET SANAHUJES,JOSEP, MATEO PEÑA,DIEGO, GÓMEZ SALINAS,Didac.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01R31/3163 FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01R MEDIDA DE VARIABLES ELECTRICAS; MEDIDA DE VARIABLES MAGNETICAS (indicación de la sintonización de circuitos resonantes H03J 3/12). › G01R 31/00 Dispositivos para ensayo de propiedades eléctricas; Dispositivos para la localización de fallos eléctricos; Disposiciones para el ensayo eléctrico caracterizadas por lo que se está ensayando, no previstos en otro lugar (ensayo o medida de dispositivos semiconductores o de estado sólido, durante la fabricación H01L 21/66; ensayo de los sistemas de transmisión por líneas H04B 3/46). › Ensayos funcionales.
PROCEDIMIENTO PARA LA MEDICIÓN DE LA EFICIENCIA DE AMPLIFICADORES DE POTENCIA INTEGRADOS LINEALES CLASE A UTILIZANDO MEDICIONES DE TEMPERATURA EN CONTINUA.

Fragmento de la descripción:

Procedimiento para la medición de la eficiencia de amplificadores de potencia integrados lineales clase a utilizando mediciones de temperatura en continua Sector de la técnica La presente invención se refiere a un procedimiento para la medición de la eficiencia de amplificadores de potencia integrados lineales clase A utilizando mediciones de la componente continua de temperatura. El sector de la técnica es el de caracterización y test de circuitos electrónicos analógicos, en concreto, circuitos amplificadores de potencia lineales clase A para aplicaciones de alta frecuencia.

Estado de la técnica

En amplificadores que tienen la salida desacoplada en continua, se define eficiencia, normalmente expresada con la letra griega1, como:

P

AC _ CARGA

1=

P

FUENTE

donde PAC_CARGA es la potencia media que disipa la carga debido a la señal que le suministra el amplificador y PFUENTE es la potencia media que entrega la fuente de alimentación.

En amplificadores de potencia lineales clase A de alta frecuencia la corriente suministrada por la fuente de alimentación es únicamente continua y se puede medir insertando un amperímetro en serie entre la fuente de alimentación y el amplificador de potencia. Conociendo la corriente continua que la fuente entrega al amplificador y la tensión de alimentación aplicada, se puede calcular la potencia media que entrega la fuente de alimentación.

Para medir la potencia que se suministra a la carga, en aplicaciones de alta frecuencia se utilizan analizadores de espectros. Normalmente, se aplica una señal sinusoidal a la entrada del amplificador. En el caso de amplificadores lineales no existen productos de intermodulación, hecho que concentra la potencia suministrada a la salida en la componente espectral de la misma frecuencia que la de la señal aplicada a la entrada.

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 un analizador de espectros de alta frecuencia para medir la potencia de la señal entregada a la carga del amplificador.

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 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 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 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: [2] 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.

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 medir la potencia suministrada a la carga. 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, 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 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 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.

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 la eficiencia del amplificador) . Esta estrategia presenta dos mayores inconvenientes: el primer inconveniente, la dificultad de diseñar 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 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 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 disipada por los dispositivos existentes en este cristal semiconductor.

La figura 2 muestra una topología de un amplificador de potencia, 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 de potencia clase A) . En un circuito integrado (1) , tenemos un amplificador de potencia (la ausencia en esta figura de otro tipo de circuitos que pudiesen estar también integrados en el mismo cristal semiconductor no limita el ámbito de aplicación de la presente patente) . Este amplificador está formado por un transistor tipo MOS (7) . El procedimiento expuesto en la patente puede ser empleado para amplificadores que estén formados por otro tipo de dispositivos activos, tales y como transistores bipolares. La bobina (8) se denomina bobina de choque. En circuitos de alta frecuencia, su objetivo es comportarse como fuente de corriente. Las capacidades (9) son de desacoplo....

 


Reivindicaciones:

1. Un procedimiento para la medición de la eficiencia de amplificadores de potencia integrados lineales utilizando mediciones de temperatura en continua realizadas en puntos del cristal semiconductor, que se caracteriza por: a) Medir tres temperaturas denominadas T0, T1 y T2. T0: Es la temperatura continua que se mide cuando el amplificador de potencia no está polarizado y no tiene señal aplicada a su entrada. T1: Es la temperatura continua que se mide cuando el amplificador está polarizado pero no tiene señal alterna aplicada a su entada. T2: Es la temperatura continua que se mide cuando el amplificador está polarizado y a la entrada tiene la señal alterna para la que queremos conocer la eficiencia del amplificador.

b) La eficiencia, denominada con la letra griega 1, se obtiene como:

T2 -T1

1=-M ·

T1 -T0

Siendo M una constante c) El valor de la constante M depende de

• La topología del amplificador, que determina qué proporción de la potencia disipa cada uno de los dispositivos que constituyen el amplificador respecto al valor medio de la potencia total disipada por el amplificador a la frecuencia de interés y al valor de potencia de entrada de interés.

• La ubicación de los puntos de medida de temperatura y de los dispositivos que constituyen el amplificador, ya que determinan el valor de la resistencia térmica de acoplo que hay entre los diferentes dispositivos del amplificador y los puntos donde se mide la temperatura.

2. Un procedimiento para estimar características eléctricas de circuitos analógicos integrados basada 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 de variación sea un incremento de la temperatura.

Figura 1

Figura 2 Figura 3

Figura 4


 

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