Diseño de circuitos integrados para reducir consumo de energía

Para satisfacer necesidades específicas de la industria tecnológica, en el Laboratorio de Diseño y Caracterización de Circuitos y Sistemas, dirigido por el doctor Víctor Rodolfo González Díaz, de la Facultad de Ciencias de la Electrónica (FCE) de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), se crean soluciones a través del diseño de circuitos integrados que permiten reducir el consumo de energía a partir de los componentes electrónicos.

En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, González Díaz explicó que actualmente la mayoría de las aplicaciones tiene una tendencia hacia la autonomía, es decir, que el dispositivo pueda ser portátil y económico en cuanto al consumo de energía. En este punto, dijo, el uso de baterías podría ser una opción; sin embargo, estas incrementan la masa del dispositivo, de ahí la necesidad de reducir el consumo de energía a partir de los componentes electrónicos.

“Es por eso que el diseño de circuitos integrados tiene muchas ventajas, porque podemos crear una solución que atienda esas necesidades. Por eso hemos diseñado circuitos con las tecnologías de circuitos integrados, el reto es hacer el diseño de un circuito para una solución específica y enfocarlo directamente. La ventaja de este trabajo es que estos prototipos se pueden proteger como una propiedad intelectual y ofertarse en el mercado de nuestras disciplinas”.

En particular, existe un desarrollo, registrado como Circuito Analógico Generador de la Función Trigonométrica Coseno, que cuenta con una patente ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial, con el número MX/t/2016/000003 en el rubro de trazado de circuito integrado en colaboración con el doctor Fermi Guerrero Castellanos.

González Díaz indicó que a pesar de que en nuestro país la creación de circuitos integrados no es un mercado explorado debido a que las empresas manufacturan principalmente en Asia, el diseño sí puede comercializar y este dependerá básicamente de las necesidades o especificaciones que requiera la industria de dispositivos como celulares, computadoras y aplicaciones de la electrónica en general.

“Sí hay circuitos que tienen que conectarse a Internet, que tienen que enviar o recibir información de alguna variable que está monitoreando lo que tienen que hacer, con un protocolo que dictamina las especificaciones o estándares de la industria. Por ejemplo, si queremos hacer un circuito que se comunique a corta distancia se recurre a Bluetooth, que también es un protocolo para hacer comunicaciones a corta distancia en una banda en específico. Así, una vez que se conocen los requerimientos, se inicia la creación de la solución”.

Las aplicaciones

Respecto a las aplicaciones, González Díaz mencionó que además de la reducción de energía en transceptores (circuitos de radiofrecuencia), el circuito que diseñaron también funciona como multiplicador o duplicador de frecuencia, es decir, este circuito tiene la capacidad de generar oscilaciones con el doble de la frecuencia de una señal de referencia, sin que esto signifique un consumo importante de recursos del sistema.

Para explicar esta cualidad, el investigador refirió que al crear una señal que esté oscilando —lo que se conoce como síntesis de frecuencia—, se necesita también una señal de referencia, la cual también funciona como reloj para los procesadores de las computadoras, por eso la necesidad de una señal oscilante. La síntesis de frecuencia, dijo, significa crear señales oscilantes con un control y cambiar la frecuencia de oscilación y mantener una constante y que esa frecuencia de oscilación no tenga error en el dominio del tiempo (que no esté variando).

González Díaz indicó que puede haber variaciones en las señales por diferentes causas, una de ellas es la temperatura, por eso es importante tener un lazo de control para que no haya cambios significativos. Como parte de esta necesidad de generar señales de frecuencia estables, existe una etapa que se llama multiplicador de frecuencia o doblador de frecuencia, es decir, se necesita un circuito, por ejemplo, que en la entrada tenga una frecuencia de un gigahertz (GHz) y a la salida tenga el doble de una manera robusta. El investigador aseguró que este proceso es difícil de lograr sobre todo en altas frecuencias, de ahí que su propuesta y diseño, sustentado en la filosofía de circuitos analógicos, tenga valor y utilidad.

“Usamos un circuito analógico que tenga la frecuencia de entrada constante y la salida sea el doble, entonces la solución a la que llegamos fue un poco de teoría simple y postulamos una hipótesis. Lo siguiente fue ver si funcionaba a través de las herramientas del diseño con las que se tiene la posibilidad de ver el desempeño eléctrico. Una vez que se hizo el esquema en bloques donde cada uno contiene transistores que se interconectan, observamos la función que permitió satisfacer la necesidad de tener una frecuencia constante con la salida y con el doble de frecuencia, lo cual verificamos a través de caracterizaciones eléctricas. En nuestro caso, el oscilador que hacemos es para las señales que van desde 500 megahertz (MHz) hasta 10 GHz”.

Un pequeño universo

Cuando el doctor González Díaz muestra su circuito integrado, un diminuto chip permanece sobre la placa de un microscopio, es como encontrarte con un pequeño universo, un circuito que recuerda a esas fotografías aéreas en las que se aprecian bloques geométricos y caminos paralelos que en algún punto se bifurcan. En su estructura física tiene transistores, resistencias, diodos y capacitores; su diseño puede variar de acuerdo con las necesidades y dependiendo de sus componentes se pueden clasificar en diferentes rangos.

En ese pequeño chip, que equivale aproximadamente a una cuarta parte de la uña pequeña de un niño de tres años, se puede apreciar, solo a través de los espejos del microscopio, el logo de la BUAP. Los materiales con que fue creado son variables, principalmente semiconductores a base de silicio y otros metales.

Los circuitos que se realizan en el laboratorio del doctor González Díaz se apoyan en un software especializado, obtenido gracias a una licencia de la compañía Cadence Design Systems que gestionó el investigador hace algunos años, y con la que impulsa cada año a nuevos estudiantes a incursionar en esta área de la electrónica.

Fuente: CONACYT.