Procedimiento para la obtención del punto de intercepción de tercer orden en circuitos analógicos lineales integrados en un cristal semiconductor mediante la medición de temperatura.

Procedimiento para la obtención del punto de intercepción de tercer orden en circuitos analógicos lineales integrados en un cristal semiconductor mediante la medición de temperatura.

La presente invención describe un procedimiento para la medida de la linealidad en circuitos analógicos lineales integrados en un cristal semiconductor, a través de la obtención del punto de intercepción de tercer orden mediante la medición de temperatura. La Fig. 1 muestra un cristal semiconductor (1) que puede contener diferentes circuitos analógicos y/o digitales (2, 3, 4, 5), siendo uno de ellos un circuito analógico lineal, en este caso un amplificador (2). El funcionamiento de dicho amplificador provoca una disipación de potencia y ésta un incremento de temperatura en la superficie del cristal semiconductor. Con una adecuada secuencia de estímulos, mediciones de ciertas componentes frecuenciales de dicha temperatura realizadas cerca del circuito amplificador (7), permiten obtener el punto de intercepción de tercer orden del amplificador, el cual es un parámetro usado para la cuantificación de la linealidad en sistemas tales como receptores, amplificadores o mezcladores. La medida de la temperatura puede hacerse bien mediante sensores de temperatura integrados en el mismo cristal semiconductor, bien mediante sensores externos.

Procedimiento para la obtención del punto de intercepción de tercer orden en circuitos analógicos lineales integrados en un cristal semiconductor mediante la medición de temperatura.

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a la caracterización eléctrica de circuitos electrónicos analógicos integrados en un cristal semiconductor mediante la medición de temperatura. El sector de la técnica es el de caracterización de circuitos electrónicos analógicos, en concreto, circuitos electrónicos analógicos lineales integrados en un cristal semiconductor.

Estado de la técnica

La caracterización actual de circuitos analógicos, que en este documento denominamos caracterización clásica, se basa en la medida directa de magnitudes eléctricas (tensión y/o corriente) en ciertos nodos del circuito integrado. Es por tanto un requerimiento obligado que estos nodos en los que se haga la medida sean accesibles desde el exterior del cristal para poder conectar a ellos los instrumentos de medida. Adicionalmente, estos nodos pueden tener que estar adaptados a las necesidades de los instrumentos de medida, por ejemplo, determinados valores de impedancia de salida, siendo la más usual 50 o 75 ohmios.

La patente [1] propone la utilización de mediciones de temperatura para la caracterización eléctrica de circuitos analógicos integrados en un cristal semiconductor. La patente [2] propone un procedimiento específico para obtener una característica eléctrica concreta, la frecuencia central, en amplificadores sintonizados integrados en un cristal semiconductor mediante la medición de temperatura.

La presente patente propone otro procedimiento específico, diferente del propuesto en [2], para la obtención de otra característica eléctrica, la linealidad caracterizada a través del punto de intercepción de tercer orden, en un circuito analógico integrado en un cristal semiconductor, mediante la medición de temperatura.

En el procedimiento clásico, la obtención del punto de intercepción de tercer orden de un circuito requiere estimular su puerto de entrada con una señal eléctrica que sea suma de dos señales sinusoidales cuyas frecuencias sean f y f2, y la medida de magnitudes eléctricas en su puerto de salida a las frecuencias f y (2frf2). El presente procedimiento propuesto para la obtención del punto de intercepción de tercer orden difiere de la caracterización clásica no sólo en la utilización de temperatura como magnitud a observar, sino también en las frecuencias a observar.

En cuanto a la utilización de la magnitud temperatura en circuitos analógicos integrados, la patente [3] 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.

[1] P 200501512 Procedimiento para la caracterización eléctrica de circuitos analógicos integrados en un cristal semiconductor mediante la medición de temperatura.

[2] P 200601291 Procedimiento para la obtención de la frecuencia central en amplificadores sintonizados integrados en un cristal semiconductor mediante la medición de temperatura.

[3] P 200002735 Procedimiento de verificación estructural de circuitos integrados analógicos basado en la observación interna y concurrente de temperatura.

Explicación de la invención

El procedimiento de caracterización clásico tiene algunos inconvenientes: el primero de ellos, la necesidad de accesibilidad externa de los nodos de entrada y salida del circuito a caracterizar. Adicionalmente, mediciones de circuitos de radio frecuencia requieren la adaptación a 50 o 75 ohmios de los nodos de salida, lo que conlleva un incremento del consumo en el circuito a caracterizar, mayor complejidad de diseño y mayores costes de fabricación. Por último, es necesario que el instrumento de medida esté especificado para realizar medidas a la frecuencia de las magnitudes eléctricas a observar, frecuencias ^ y (2frf2), lo cual conlleva un coste elevado y medidas complejas para valores elevados de dichas frecuencias, en particular si éstas se encuentran en el rango de las radio frecuencias o superiores.

La utilización de mediciones de temperatura para obtener el punto de intercepción de tercer orden de circuitos como medida de su no-linealidad presenta como ventaja el no requerir tener observabilidad directa de los nodos de salida del circuito. Adicionalmente, no requiere cargar eléctricamente los nodos de salida del circuito ni adaptarlos a una impedancia baja como puede ser 50 o 75 ohmios. Por último, no se requiere el uso de instrumentos de medida de magnitudes eléctricas a altas frecuencias, ya que la medida de temperatura proporciona una magnitud eléctrica de baja frecuencia, con el ahorro de coste y complejidad que ello conlleva.

Para obtener el punto de intercepción de tercer orden de un circuito mediante mediciones de la temperatura, se requiere estimular el puerto de entrada del circuito con una señal eléctrica que sea suma de dos señales sinusoidales de igual amplitud A, y cuyas frecuencias sean, respectivamente, U y f2.

La presente patente propone observar la amplitud de la componente espectral de la temperatura a dos frecuencias distintas, frecuencia (fi-Í2), y frecuencia (3fr3f2). La temperatura se tiene que medir en las proximidades del circuito a caracterizar. Específicamente, se deberá medir la temperatura cerca de algún dispositivo del circuito cuya amplitud de la componente espectral de la potencia disipada a la frecuencia (frf2) verifique que, primero, esta amplitud tenga una gran dependencia con la ganancia del circuito de forma directa y, segundo, que tanto la componente a la frecuencia (frf2) como la componente a la frecuencia (3fr3f2) tengan una magnitud suficiente para asegurar la viabilidad de las mediciones de temperatura con el sistema sensor seleccionado. Las ecuaciones que relacionan la amplitud de la componente espectral de la potencia disipada por los diferentes dispositivos a la frecuencia (frf2) en función de la ganancia del circuito a las frecuencias U y f2 dependen de la topología específica del circuito considerado, de la polarización del mismo y de la tecnología utilizada para su implementación. Sin embargo se puede demostrar que, para amplitudes A de las señales sinusoidales de entrada suficientemente pequeñas, la componente espectral de la temperatura a la frecuencia (f 1-Í2) tiene una dependencia directa con la potencia segunda de la amplitud A, mientras que la componente espectral de la temperatura a la frecuencia (3fr3f2) tiene una dependencia directa con la potencia sexta de dicha amplitud A.

El valor específico de la frecuencia (3f1-3f2) se selecciona de forma que su valor tiene que estar dentro de la banda de los acoplos térmicos en circuitos integrados y del sistema sensor seleccionado. Este requisito garantiza que las amplitudes de las componentes espectrales de potencia disipada por los dispositivos del circuito a las frecuencias (frf2) y (3fr3f2) puedan ser observadas mediante mediciones de las mismas componentes espectrales de la temperatura.

El presente procedimiento requerirá la medida de la amplitud de las componentes espectrales de la temperatura a las frecuencias (frf2) y (3fr3f2) en el lugar seleccionado mientras se realiza un barrido de la amplitud de las señales sinusoidales aplicadas a la

entrada del circuito a caracterizar, en un rango de magnitudes de dicha amplitud lo suficientemente bajas para que no se observe compresión en la ganancia del circuito. El punto de intercepción de tercer orden del circuito se obtendrá a partir de una representación gráfica de las amplitudes de las componentes espectrales de la temperatura medidas a las frecuencias (f1-f2) y (3f1-3f2), asignándose ambas al eje vertical o de ordenadas, y representadas en escala logarítmica, mientras que en el eje horizontal o de abscisas, se indica la potencia segunda de la amplitud de entrada A, de nuevo representada en escala logarítmica. Al observar dicha representación gráfica se obtendrán dos curvas, que para un rango de amplitudes se podrán aproximar por dos rectas de pendientes relativas 1 y 3, pudiéndose extrapolar dichas rectas hasta que alcancen a cruzarse. La amplitud de entrada Ai_cruce a la que se produce dicho cruce permite obtener el denominado punto de intercepción de tercer orden mediante una relación matemática. La ecuación de dicha relación matemática depende de la topología específica del circuito considerado, de la polarización del mismo y de la tecnología utilizada para su implementación,...

1. Un procedimiento para la obtención del punto de intercepción de tercer orden de circuitos analógicos lineales que comprende:

i) estimular el circuito con una señal eléctrica que está formada por la suma de dos señales sinusoidales de frecuencias fi y f2,

ii) medir la amplitud de la componente espectral de la temperatura a las frecuencias (fr/y y (3fr3/y en las proximidades del circuito semiconductor, mientras se realiza un barrido de la amplitud de las señales sinusoidales a frecuencias f-, y f2 en el rango de interés,

iii) realizar una representación gráfica, representando:

o 20-log(^4) en el eje horizontal, siendo A la amplitud de las señales sinusoidales a frecuencias f-, y f2.

o 10-log(41 /2) y 10-l°g(43/1-3/2) en el eJe vertical, siendo Af1.f2 y A3f1.3f2 las

amplitudes de las componentes espectrales de la temperatura medidas a las frecuencias (frf2) y (3fr3f2).

iv) extrapolar linealmente las curvas obtenidas en las regiones en que se aproximen por rectas de pendientes 1 y 3, produciéndose un punto de cruce que corresponderá a un valor

en el eje horizontal 20 log (4 cmce)

v) el punto de intercepción de tercer orden se obtiene a partir de dicho valor A¡ cruCe, a través de la relación

A

iIP3

N- 4

cruce

con A¡p3 y k\_ctuce expresados en unidades lineales de tensión, y siendo N una constante que se obtiene analíticamente para el circuito concreto, relacionando las amplitudes de las componentes de potencia disipada por el dispositivo activo (10) a las frecuencias (frf2) y (3fr3f2), con las componentes de potencia disipada por el dispositivo activo (10) a las frecuencias (f^ y (2frf2).

2. Un procedimiento para caracterizar circuitos analógicos integrados, basado en la reivindicación 1, caracterizado porque las mediciones de temperatura se realizan mediante mediciones de cualquier magnitud física (por ejemplo, dilatación, variación de índices de reflexión, velocidad de propagación del sonido) cuya causa de variación sea una variación de la temperatura.