Las aplicaciones para satélite que utilizan una tecnología CMOS avanzada en dispositivos para toda la ruta de la señal
aprovechan para duplicar la capacidad, junto con una integración más alta y un menor consumo de energía.

La comunicación por satélite es quizá la aplicación más exigente de señal mixta y con una alta fiabilidad. Los componentes utilizados en los satélites no sólo tienen que resistir un amplio rango de temperaturas y radiación, sino que también han de ofrecer altos niveles de prestaciones y fiabilidad. Las aplicaciones espaciales se están consolidando actualmente en el segmento comercial, por lo que el precio y el tamaño son también los principales factores a considerar para los dispositivos y componentes utilizados en este mercado. 

La mayor preocupación es quizá el consumo de energía. Mediante la utilización de dispositivos basados en la tecnología UltraCMOS™, una tecnología económica de silicio sobre aislante (silicon on insulator, SOI) sobre un sustrato de zafiro, los diseñadores de sistemas de satélites están logrando ya una flexibilidad sin precedentes en sus diseños, así como mejoras en las prestaciones y el consumo de energía si se comparan con las alternativas de GaAs y CMOS más voluminosas.
Existen varios dispositivos principales de señal mixta (analógicos o RF y digitales) que se están utilizando ahora en aplicaciones espaciales, entre ellas los bucles de enganche de fase (phase locked loops, PLL), subsistemas integrados de frecuencia intermedia (IF) y preescaladores. Cuando se implementan en UltraCMOS, estos dispositivos están abriendo el paso al diseño de sistemas de satélites más ligeros y pequeños, de mayores prestaciones y menor coste cuyo lanzamiento resulta también menos costoso.

Aprovechamiento del potencial de CMOS

Son bien conocidas las ventajas en cuanto a bajo consumo y facilidad de integración de CMOS1. Una versión avanzada de CMOS, UltraCMOS, es una tecnología CMOS de empobrecimiento total y realizada en una película de silicio de 50 a 100 nm depositada directamente sobre un sustrato de zafiro. Mediante la utilización del zafiro, que es un aislante casi perfecto, las obleas de UltraCMOS requieren un proceso CMOS estándar con una baja densidad de defectos, lo que conlleva una construcción sencilla y de alto rendimiento. Permiten obtener transistores aislados dieléctricamente, mejorando así el manejo de la energía respecto a otras tecnologías de proceso. Y, dado que se trata de una tecnología CMOS, ofrece los niveles lógicos inherentes a CMOS, por lo que se adapta excepcionalmente bien a los diseños integrados de señal mixta.
De hecho, el proceso UltraCMOS ofrece diversas ventajas y un nuevo impulso al diseño de RF y de señal mixta. Para las aplicaciones de satélite, exhiben diversas características a destacar. La tecnología ofrece una baja capacidad, por lo que puede alcanzar altas velocidades con un bajo consumo. Su funcionamiento con un total empobrecimiento mejora la linealidad, velocidad y prestaciones a baja tensión cuando se compara a otras tecnologías alternativas. Los dispositivos UltraCMOS están protegidos de forma inherente frente a la radiación y ofrecen una protección de hasta 2kV HBM ESD con un bajo nivel de efectos parásitos. Finalmente, debido a su proceso en plantas de producción de CMOS estándar sobre grandes obleas, ofrece las mismas ventajas en cuanto a coste asociadas generalmente a CMOS. La tecnología UltraCMOS entró en las aplicaciones espaciales en una fase temprana de su desarrollo, y continúa proporcionando mejoras en los complejos diseños que requieren los sistemas de próxima generación.

Avance del PLL

Un dispositivo fundamental en la ruta de la señal para satélites es el PLL. Generalmente, estos dispositivos toman una señal muy pequeña en el rango de -30dBm y proporcionan una forma de onda digital compleja que controla el oscilador local (local oscillator, LO). Dado que se trata de un dispositivo de señal mixta, las prestaciones del PLL se pueden ver afectados de manera crítica por un solo dB de mejora en una especificación, como el ruido de fase.
En el pasado era necesario construir PLL protegidos frente a radiaciones con un excelente ruido de fase a partir de componentes discretos. Éstos son circuitos pesados y de alto consumo que limitan el número de PLL que se pueden implementar en un satélite. La llegada de PLL monochip animó a los diseñadores a extender su uso a los sistemas avanzados de satélites dado que sus prestaciones en cuanto a ruido de fase cumplían los requisitos del sistema y los dispositivos podían superar los requisitos a nivel de satélite así como los estándares de fiabilidad.
Los PLL UltraCMOS ofrecen las ventajas de una solución monochip en cuanto a tamaño y consumo, así como unas mejores prestaciones del ruido de fase respecto a las soluciones discretas. Las primeras realizaciones de PLL UltraCMOS lograron las mejores especificaciones de ruido de fase del mercado y fueron los primeros PLL monochip protegidos frente a radiaciones que hubo disponibles. En tiempos más recientes, estas prestaciones en cuanto al ruido de fase se vieron mejoradas con la introducción del PE97632, que proporciona un ruido de fase de -216 dBc/Hz normalizado a 1 Hz (equivalente al offset de -103 dBc/Hz. Ver Figura 1a). Esta especificación es entre 4 y 10 dB mejor que los dispositivos previos UltraCMOS que alcanzaron una cuota de mercado del 100% (Figura 1b). Con una mejora de tan sólo 3dB, los diseñadores de satélites pueden duplicar el valor de su carga útil.
Las excepcionales prestaciones en cuanto a ruido de fase de estos PLL es el resultado directo de la idoneidad inherente de la tecnología UltraCMOS para aplicaciones de señal mixta RF. Por ejemplo, un PLL monochip avanzado contiene entre 5.000 y 10.000 puertas lógicas así como elementos analógicos críticos, entre ellos bombas de carga, buffers de referencia y amplificadores de entrada. Para la realización de un PLL integrado, cada una de estas funciones ha de ser diseñada y optimizada en una única tecnología con el fin de minimizar su aportación de ruido de fase a la ruta de la señal.

Por lo que respecta a la integración, la elección prioritaria es siempre CMOS. Ahora bien, cuando se trata de aplicaciones de RF, CMOS no ha sido siempre capaz de cubrir los requisitos en cuanto a prestaciones. Debido a su sustrato de zafiro aislante, la tecnología UltraCMOS es resistente de forma inherente a la radiación y a altas temperaturas. El proceso UltraCMOS está totalmente cualificado para el espacio, y ofrece inmunidad a bloqueo por evento único (single event latch-up, SEL), una resistencia superior a cambio de estado por evento único (single event upset, SEU) de menos de 10-9 errores por bit-día, y tolerancia a la radiación de dosis total de 100 krads. La Figura 2 muestra los efectos insignificantes de la radiación sobre el ruido de fase en el PLL UltraCMOS.
Como respuestas a esta mejora sin precedentes que han permitido los dispositivos UltraCMOS, en la actualidad los diseñadores de satélites están rediseñando completamente sus arquitecturas de satélites. Por ejemplo, un PLL monochip integrado con un extraordinario ruido de fase permite que los diseñadores de satélites los incluyan en más lugares dentro del diseño. Como resultado de ello, algunos de los satélites más recientes incorporan ahora centenares de PLL UltraCMOS por satélite. Dado que cada canal de comunicación se puede equipar ahora de manera económica con su propio PLL, cada canal se puede sintonizar por separado. Este tipo de mejora puede tener un impacto sobre el mercado de las comunicaciones por satélite del orden de centenares de millones de dólares de aumento en la facturación y duplicar o más la capacidad de un satélite para servicios como emisión de TV y comunicaciones punto a punto.

Simplificación de los subsistemas

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El autor

Con responsabilidad sobre el diseño y la ejecución de la estrategia global de marketing de producto de Peregrine, Rodd Novak es vicepresidente de Marketing y dirige las actividades de desarrollo estratégico del negocio. Puede ponerse en contacto con él en