sábado, 29 de mayo de 2010

EL DISEÑO DE CIRCUITOS INTEGRADOS MONOLÍTICOS DE MICROONDAS (MMIC) EN LOS ESTUDIOS DEL INGENIERO DE TELECOMUNICACIÓN DE LA UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

EL DISEÑO DE CIRCUITOS INTEGRADOS MONOLÍTICOS DE MICROONDAS (MMIC) EN LOS ESTUDIOS DEL INGENIERO DE TELECOMUNICACIÓN DE LA UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

María Luisa de La Fuente, Member, IEEE, Juan Pablo Pascual, Member, IEEE y Enrique Barajas

Abstract— Since the origin of Monolithic technologies during the seventies, apprenticeship of Microwave Monolithic Integrated Circuits (MMIC) design techniques has been a discipline linked to foundries, which have instructed engineers from customer companies in their particular technologies. Over the past few years such knowledge has started to emerge from industrial context, extending to the academic and university world with the proposal of courses about MMIC design in regular programs of engineering degree. The article describes the proposed course about MMIC design inside the Telecommunications Engineering Degree at the University of Cantabria, which can be considered as a pioneer course in the Spanish University. There is a significant background of research and development activities about MMIC design which has supported the starting of the course. The article gives a detailed description of the course syllabus, interconnection with other topics inside the Telecommunication Engineering degree, main pedagogical aspects, possibilities of continuation toward the Ph.D. degree, and references to other courses in European and North American Universities. These references allow us to allocate the relevance and interest for the students of including in their background such a specific topic prior to the university graduation. Index Terms— Education, MMIC design, Communication engineering education, Microwaves, Integrated circuits.


I. INTRODUCCIÓN

Los sistemas tradicionales de comunicaciones sobre microondas, construidos mediante guías de onda, resultaban especialmente voluminosos y pesados si se comparan con los sistemas sobre placas de circuito impreso. Ello justifica que los primeros circuitos de microondas elaborados con transistores MESFET de AsGa (IBM, 1970- 1972 [1]) sobre placa de dieléctrico con tecnología híbrida se llamaran "Microwave Integrated Circuits" (MIC). Pero la verdadera integración vendría poco después (1974: primer amplificador MMIC, fabricado por Plessey [1]). Desde su M. L. de La Fuente y J. P. Pascual trabajan en el Dpto. de Ing. De Comunicaciones, Universidad de Cantabria, Santander, España (e-mail: pascualp@unican.es). E. Barajas trabaja en el Dpto. de Ingeniería Electrónica de la Universidad Politécnica de Cataluña, España. origen, en la primera mitad de los años 70, y hasta la actualidad, la tecnología MMIC ha progresado en las bandas de frecuencia alcanzadas, en las aplicaciones cubiertas y en la capacidad de integración con otras funciones de baja frecuencia. Si inicialmente la tecnología MMIC se localizaba en etapas de conversión de la señal o modulación-demodulación (osciladores, mezcladores, amplificadores de potencia y de bajo ruido), hoy cada vez es mayor la tendencia a incorporar funciones de procesado de la señal en banda base y funciones de control en un contexto mixto analógico-digital. Las habilidades requeridas para el desarrollo de esta tecnología cubren un amplio abanico: desde la fabricación de semiconductores hasta el diseño de circuitos de microondas, pasando por el diseño de circuitos electrónicos analógicos y digitales. Los procesos tecnológicos pueden ser exclusivamente para uso interno de las empresas o bien se abren también a diseñadores externos. Tradicionalmente las fundiciones ("foundries") donde se fabrican estos circuitos asumían la responsabilidad de formar a los ingenieros diseñadores de sus empresas clientes en cursillos específicos de alto costo, que a veces estaban incluidos en los contratos de fabricación. De este modo la docencia del diseño con tecnología MMIC quedaba restringida al ámbito empresarial, mientras que en el contexto universitario la tecnología microelectrónica, la electrónica analógica-digital y el diseño de circuitos de microondas seguían explicándose como campos inconexos. Esta situación se mantiene, salvo excepciones, durante los años 80 y buena parte de los 90 (perviviendo más en el ámbito hispano-parlante) hasta que empiezan a aparecer cursos de especialización y postgrado dedicados específicamente al diseño de circuitos MMIC, y finalmente asignaturas dentro de las titulaciones de grado [2], [3]. En el presente artículo nos referiremos a la puesta en marcha de la asignatura "Diseño de Circuitos Monolíticos para Microondas" (abreviadamente DMMIC) dentro del plan de estudios del Ingeniero de telecomunicación de la Universidad de Cantabria. La asignatura se sitúa en el contexto de la carrera de Ingeniero de Telecomunicación. Se describirán los contenidos de la asignatura y su vinculación con otras asignaturas de la carrera, así como las posibilidades de continuación en postgrado. También se discuten aspectos pedagógicos de la experiencia de impartición hasta el momento. Finalmente se ilustrará el artículo con la descripción de un diseño de un amplificador banda ancha de 2 a 20 GHz hecho por un alumno coautor de este artículo, que ha sido fabricado y medido por el interés de la novedosa topología de dos etapas distribuidas en cascada.

II. LOS ESTUDIOS DE INGENIERO DE TELECOMUNICACIÓN

Los orígenes de los estudios de Telecomunicación en España se remontan al año 1913, cuando quedó formalmente constituida por Real Decreto de 3 de junio, la Escuela General de Telegrafía, a cargo del Cuerpo de Telégrafos. La denominación actual de Ingeniero de Telecomunicación quedó establecida oficialmente en 1920, siendo el título expedido por el Ministerio de la Gobernación a través de la Escuela General de Telegrafía. Hasta el año 1957 no se produjo un acercamiento de los llamados estudios técnicos a la universidad con la ley de Ordenación de Enseñanzas Técnicas de 20 de julio. Dicho acercamiento requeriría aún una serie de pasos legislativos y no concluiría hasta el año 1972, cuando por decreto de 10 de mayo, las Escuelas de Ingeniería Técnica de Telecomunicación se convierten en Escuelas Universitarias de Ingeniería Técnica de Telecomunicación. La temática de los estudios englobaba Radiocomunicación, Telefonía y Transmisión de Datos, Equipos Electrónicos y Sonido e Imagen. Hay que decir que, a diferencia de las denominaciones habituales en otros países, en España la titulación de Ingeniero Electrónico no aparece hasta el año 1991, por ello los temas de electrónica, y en particular los sistemas electrónicos destinados a Comunicaciones, han sido tradicionalmente objeto de la Ingeniería de Telecomunicación.

A. Los estudios de Ingeniería de Telecomunicación en Cantabria

Los estudios de Ingeniería de Telecomunicación comenzaron en Cantabria en el curso 1988/89, siendo su núcleo originario el Departamento de Electrónica, donde existía una tradición de actividad investigadora en sistemas de microondas. El actual Plan de Estudios de Ingeniería de Telecomunicación de la Universidad de Cantabria fue homologado por acuerdo de la Comisión Académica del Consejo de Universidades del día 21 de julio de 1992 y publicado oficialmente el 18 de septiembre de 1992. Dicho plan de estudios conduce a la obtención del título oficial de Ingeniero de Telecomunicación.

Las características fundamentales de este plan de
estudios son:

1. Duración de 5 años académicos repartidos en dos ciclos: un primer ciclo de tres años y un segundo ciclo de dos.

2. Se basa en el sistema de créditos. Cada crédito equivale a diez horas lectivas, ya sean lecciones teóricas o prácticas.

3. La carga lectiva global de la titulación es de 375 créditos con 224,5 créditos en el primer ciclo y 150,5 créditos en el segundo ciclo.

4. Las asignaturas son cuatrimestrales.

5. En el segundo ciclo, los alumnos deberán elegir una de estas tres especialidades: Radiocomunicaciones, Microelectrónica y Telemática, cursando para ello un mínimo de 20,5 créditos de las asignaturas optativas de la especialidad elegida.

6. Las asignaturas troncales y obligatorias contienen aproximadamente el 75% de la carga lectiva global, mientras que las asignaturas optativas y de libre configuración constituyen el 25% restante.

7. Se contempla la realización de prácticas en empresas para conseguir créditos. 8. Para obtener el título de Ingeniero de Telecomunicación, el alumno deberá realizar un Trabajo Fin de Carrera que equivale a 15 créditos de carácter troncal. No se va a entrar a describir con detalle todas las asignaturas, que pueden consultarse en www.etsiit.unican.es, pero sí nos detendremos más en aquellas que constituyen soporte del aprendizaje de diseño de circuitos MMIC. La asignatura de diseño de MMIC se oferta como parte integrante de la especialidad de Microelectrónica, pero por la aplicación habitual de los circuitos MMIC también resulta escogida por alumnos que cursan la especialidad de Radiocomunicación.

III. LA ASIGNATURA

A. Entorno de la Asignatura y Relación con Otras Asignaturas del Plan de Estudios

La asignatura "Diseño de Circuitos Monolíticos para Microondas" es cuatrimestral y optativa. Se recomienda que sea cursada en 5º año. La carga lectiva es de 6 créditos (60 horas lectivas) de los que 4,5 son teóricos y 1,5 prácticos. Teniendo en cuenta que un cuatrimestre consta aproximadamente de 15 semanas, esto supone 4 horas de docencia a la semana; por ejemplo, 3 de teoría y 1 de práctica (suponiendo una estructuración en paralelo de teoría y práctica, que se dará sólo en algún tema, ya que la naturaleza de los contenidos hace recomendable haber concluido ciertos bloques teóricos antes de plantear prácticas sobre los mismos). La asignatura se localiza dentro de la secuencia de conocimientos en Electrónica y Circuitos de Alta Frecuencia y tiene como objetivo formar al alumno en el diseño y el uso de circuitos Monolíticos de Microondas (MMIC), comenzando por el conocimiento de las tecnologías hasta los métodos de montaje y medida de los chips fabricados, y pasando por las técnicas de diseño de los mismos. Dentro de las diversas líneas de "flujo de conocimiento" que poseen los estudios de telecomunicación, podríamos considerar que en la asignatura de Diseño de Circuitos MMICs van a converger otras tres que denominaríamos: "circuitos electrónicos", "electrónica de alta frecuencia" y "microelectrónica." Las asignaturas correspondientes, agrupadas por cursos, 234 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 4, NO. 4, JUNE 2006 son las siguientes: Primer curso: Análisis de circuitos, Componentes electrónicos y fotónicos, Electricidad y magnetismo. Segundo curso: Diseño de circuitos por ordenador, Electrónica básica, Señales y sistemas, Redes (análisis y síntesis), Electrónica digital I, Electrónica digital II, Tecnología microelectrónica, Lab. electrónica digital, Instrumentación electrónica, Tecnología microelectrónica. Tercer curso: Circuitos de radiofrecuencia, Medios de transmisión, Laboratorio de radiocomunicaciones, Tecnologías de radiocomunicación, Electrotecnia, Circuitos electrónicos de comunicaciones. Cuarto curso: Microondas, Diseño de circuitos y sistemas electrónicos, Electrónica de comunicaciones, Circ. Alta frecuencia, Física y tecnología de semiconductores, Dispositivos electrónicos semiconductores. Quinto curso: Instrumentación electrónica de comunicaciones, Sistemas electrónicos de procesado de señal, Diseño de circuitos integrados analógicos y mixtos, Diseño de circuitos integrados digitales, Arquitecturas VLSI, Diseño de circuitos monolíticos para microondas. (No se detallan los correspondientes laboratorios ni el carácter troncal, obligatorio u opcional.) La línea de flujo de conocimiento que podríamos denominar "Sistemas de Comunicaciones" también deberá tener un peso en el perfil del alumno de la asignatura, dada la aplicación más habitual de los circuitos MMIC: los sistemas de comunicaciones. Por ello se requerirán unos conocimientos básicos de arquitectura de receptores y transmisores. Los conocimientos adquiridos en el primer ciclo en Análisis de Circuitos y en Electrónica Básica resultan fundamentales para vertebrar la asignatura. La recomendación de que sea tomada en 5º curso obedece a la conveniencia de haber cursado primero la asignatura de Microondas y su laboratorio, así como, eventualmente, la asignatura Circuitos de Alta Frecuencia. Esta necesidad es clara en el caso de Microondas, puesto que, en DMMIC se van a manejar conceptos relacionados con líneas de transmisión, impedancias, carta de Smith, matrices de parámetros de scattering, etc. propios de microondas. En el caso de Circuitos de Alta Frecuencia, resulta conveniente haberla cursado previamente, dado el bagaje que proporcionaría a los alumnos, sobre todo en lo relativo a dispositivos y circuitos no lineales en microondas. En cualquier caso, y dado que aquella es una asignatura optativa, se procura que DMMIC resulte autocontenida en estos aspectos, e incluso que proporcione un enfoque de los mismos que resulte diferente al alumno que ya hubiera cursado Circuitos de Alta Frecuencia. Otro aspecto importante es el hecho de que se incluya en la especialidad de Microelectrónica, para cubrir el campo de los circuitos analógicos en alta frecuencia tradicionalmente basados en AsGa, y más recientemente también en Si, complementando así la visión clásica de la microelectrónica de baja frecuencia y de carácter predominantemente digital basada en Si. El haber cursado en el 1º ciclo Tecnología Microelectrónica y en la especialidad (2º ciclo) las asignaturas de Física y Tecnología de Semiconductores, así como su continuación en Dispositivos Electrónicos Semiconductores, da una base de conocimientos sobre la tecnología electrónica que será de gran ayuda en la introducción a la tecnología MMIC y a los dispositivos empleados. En cierto sentido, la asignatura tendería un puente entre la especialidad de Microelectrónica y la de Radiocomunicación.


B. Objetivos Docentes de la Asignatura

El objetivo fundamental de la asignatura es incorporar a la formación de los Ingenieros de Telecomunicación una base sólida en las tecnologías de microondas con que se elaboran los MMIC que constituyen los bloques elementales en la construcción de los sistemas de comunicaciones actuales. Lo común en estos sistemas es distinguir un tramo que opera en RF y microondas y un tramo de banda base (posiblemente con secciones de frecuencia intermedia). Para el procesado de la señal en RF e IF se requieren funciones como mezcla, amplificación y oscilación, así como otras complementarias (división, multiplicación, atenuación, conmutación, etc.) El alumno deberá revisar los conceptos vinculados a estas funciones y aprender la metodología de diseño de sus implementaciones monolíticas. Deberá asociar distintas metodologías de diseño y distintas tecnologías a diferentes bandas de operación. No se emplean las mismas topologías ni los mismos tipos de transistores en ondas milimétricas que en banda L. Es muy importante inculcar al alumno la visión de los elementos disponibles (transistores, diodos, bobinas, etc.) no solo como símbolos con los que se identifican habitualmente, asociados a unas fórmulas de impedancias o relaciones corriente-voltaje, sino como entidades de una realidad física (una serie de capas de materiales con unos espesores dados) con las limitaciones y efectos parásitos que ello conlleva y su repercusión última en el desempeño de los sistemas. La visión tal vez excesivamente idealizada y matemática adquirida por los alumnos en cursos anteriores lleva a una colisión con la realidad de los diseños prácticos donde, por ejemplo, la precisión hasta la milésima del dB carece de sentido.

Otro aspecto importante es la consideración de las diversas funciones de procesado de RF-IF, no como elementos aislados, sino integrables, gracias, precisamente, a la tecnología MMIC. Dicha integración de funciones es una tendencia imparable marcada por criterios de costo y fiabilidad.

Se pretende que la asignatura sea útil, tanto a los alumnos que emprendan su carrera en el sector de investigación, desarrollo, fabricación y comercialización de MMIC como a aquellos que trabajen en ingeniería de sistemas y para poder adquirir circuitos MMIC necesiten conocer cómo manipularlos, el significado de las especificaciones y los procedimientos de su verificación. La misión anterior se pretende llevar a cabo haciendo que DE LA FUENTE et al.: MMIC DESIGN IN THE STUDIES 235 el alumno no sólo se familiarice con el aspecto teórico de la tecnología, sino que también tome contacto con el mundo de las fundiciones, procesos de fabricación, reglas de diseño y
montaje, evaluación y establecimiento de procesos de control de calidad. Este tipo de conocimiento, especialmente demandado por las empresas del ramo de RF y microondas, permitirá al alumno, por un lado, acometer el diseño de sistemas electrónicos para comunicaciones y, por otro, asimilar los diferentes aspectos involucrados, desde un punto de vista industrial, en la obtención final de un producto, como pueden ser consideraciones de tipo comercial, de costes, de fiabilidad, etc. El hecho de que la docencia de esta asignatura se lleve a cabo por un departamento fuertemente involucrado y ligado a proyectos industriales y de investigación relacionados con el tema de la Radiofrecuencia y las Microondas aplicadas a las comunicaciones, hace que la experiencia acumulada por el personal que forma parte del mismo, en particular la experiencia de diseño de MMIC a medida, pueda transferirse a los alumnos de forma práctica y siempre teniendo presentes las demandas actuales de las empresas del sector.

1) Visión General de la Asignatura

Los contenidos aprobados y publicados en el Boletín Oficial del Estado para la asignatura son: "Componentes Pasivos y Activos. Tecnologías. Modelos de los componentes. Metodología de Diseño. Diseños: RC, LC y con líneas de transmisión. Topologías. Optimización. Parásitos. Análisis de Sensibilidades. Trazado Físico (Layout). Reglas de Diseño. MMIC Multifunción. Celdas Estándar. Conexiones del Chip. Medidas en Continua y RF. Encapsulados".

Como ya se ha dicho, la asignatura de Diseño de Circuitos Monolíticos para Microondas tiene una carga docente de 4 horas de clases a la semana durante un cuatrimestre. Las clases de teoría se impartirán en el aula. Las horas de clase de tipo práctico (15) se distribuirán entre prácticas de Simulación y visitas a los laboratorios de medida y de montaje del Laboratorio de Microondas del Departamento de Ing. de Comunicaciones.

Ya se ha indicado anteriormente que esta asignatura pretende capacitar al alumno para entrar a formar parte de lleno en la vida profesional. El fin buscado en las prácticas es que, partiendo de unas especificaciones eléctricas y una tecnología a utilizar, el alumno sea capaz, primero, de diseñar el circuito conforme a las especificaciones y, después, de planificar la medida del mismo. Los alumnos interesados en profundizar en estos temas tienen la ocasión de cursar en los estudios de postgrado el curso de Doctorado titulado: Circuitos Integrados de RF y Microondas, en el marco del programa de Doctorado "Tecnologías de la Información y Redes Móviles", que ha recibido la mención especial de Calidad por parte del Ministerio de Educación en los cursos 2003-2004, 2004-2005 y 2005-2006.


C. Programa Detallado de la Asignatura

A continuación se muestra en detalle el temario, los objetivos marcados y su planificación temporal. Tema 1: Introducción Contenidos: Tecnología MIC versus tecnología MMIC. Componentes concentrados versus componentes distribuidos. Tecnologías monolíticas y procesos de fabricación. Clasificación según los materiales: Si, SiGe, AsGa, InP, AlAsGa, etc. Clasificación según los dispositivos: BJTs, HBTs, MOSFET, BiCMOS, MESFETs, HEMTs, etc. Uso de las tecnologías según las bandas de frecuencias: Desde la banda L y S hasta las bandas milimétricas y Teraherzios.

Objetivos marcados:

• Conocimiento de la tecnología MMIC, diferenciándola de la tecnología MIC y comparándola en cuanto a ventajas e inconvenientes.

• Conocimiento de los procesos tecnológicos y secuencias de capas desde el semiconductor sin procesar hasta el chip acabado.

• Distinción entre las diversas tecnologías existentes (semiconductores y dispositivos) según las ventajas e inconvenientes de cada una.

• Elección de una tecnología óptima para cada requerimiento y cada banda de frecuencias.


• Conocimiento de las diversas aplicaciones de circuitos MMICs, no solamente en sistemas de comunicación, sino también en radiómetros, sondas de medida remota, automoción, diagnóstico de plasmas, aplicaciones biomédicas, etc. N.º Clases: 8 horas teóricas Tema 2: Componentes y modelos para la simulación Contenidos: Componentes activos y pasivos. Modelos de los componentes pasivos: Resistencias, Condensadores, Inducciones. Modelos de componentes activos: diodo PIN, diodo Schottky, BJT, HBT, MOSFET, BiCMOS, MESFET, HEMT. Modelos lineales y modelos no lineales.

Herramientas de simulación: análisis lineal, parámetros S, balance armónico, análisis en el dominio del tiempo, análisis de envolvente.

Objetivos marcados:

• Conocimiento del origen de los modelos circuitales de dispositivos y de sus limitaciones y rango de validez

• Fundamentos de las diversas herramientas de simulación existentes (tiempo, frecuencia, balance armónico, transitorio de envolvente, etc.)

• Elección de la herramienta de simulación más adecuada para cada función. N.º Clases: 9 horas teóricas +2 horas prácticas Tema 3: Metodología general de diseño Contenidos: Diseño RC, diseño LC y diseño con líneas de transmisión. Topologías básicas: etapas de emisor-fuente 236 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 4, NO. 4, JUNE 2006 común, etapas de colector-drenador común, etapas de basepuerta común, etapas cascodo. Esquemas de polarización.

Métodos de optimización: optimización aleatoria, gradiente, híbrida, etc. Estrategias de optimización. Dibujo del circuito por capas (layout). Estructura de los distintos componentes pasivos y activos. Relación con los modelos: modelos físicos. Reglas de diseño. Análisis de Sensibilidad. Valores garantizados por la fundición. Método de Monte Carlo.

Objetivos marcados:

• Conocimiento de los aspectos comunes al método de diseño de cualquier circuito.

• Identificación de las etapas básicas.

• Aprendizaje de un uso racional de las herramientas de simulación.

• Comprensión de la relación entre el dibujo físico delcircuito y los resultados de simulación del mismo.

• Comprensión de la importancia de la robustez del diseño frente a variaciones del proceso. N.º Clases: 7 horas teóricas Tema 4: Amplificadores MMIC Contenidos: Principio de diseño de amplificadores de banda estrecha: adaptación reactiva. Estabilidad. Amplificadores de banda ancha: amplificadores adaptados con pérdidas, amplificadores distribuidos, amplificadores realimentados. Amplificadores de bajo ruido (LNA). Amplificadores demedia potencia. Amplificadores de potencia (P. A.).

Objetivos marcados:
• Conocimiento de los métodos de diseño de amplificadores MMIC.
• Distinción entre los distintos tipos de amplificadores (ruido, potencia, etc.) e identificación de los criterios predominantes en el diseño de cada uno de ellos.

• Ventajas e inconvenientes de la tecnología MMIC para la implementación de amplificadores. N.º Clases: 7 horas teóricas +5 horas prácticas Tema 5: Circuitos monolíticos no lineales y de control. Contenidos: Osciladores MMIC: topologías. Mezcladores MMIC: mezcladores a diodo, mezcladores con transistores. Cambiadores de fase. Atenuadores variables y conmutadores (switchs). Realizaciones con estructuras micro-electromecánicas (MEM). Divisores de frecuencia. Multiplicadores.

Objetivos marcados:
• A partir del conocimiento del diseño de amplificadores, extenderlo a la realización de otras funciones más complejas.

• Aprendizaje de los métodos de diseño de circuitos no lineales mediante una explicación pormenorizada del procedimiento de simulación y ejemplos detallados de diversas topologías para cada función (según bandas de frecuencia u otros requisitos).

• Apreciación de las ventajas e inconvenientes de la tecnología MMIC para la realización de diversas funcioneslineales y no lineales.

• Introducción del concepto de estructura microelectromecánica (MEMS) a través de un ejemplo de aplicación en microondas para fabricar un conmutador. Cabe señalar que este es uno de los apartados que más llama la atención de los alumnos, posiblemente por la combinación de efectos empleados (térmicos y electrostáticos, además de puramente electrónicos, en unas dimensiones muy reducidas). Nº. Clases: 8 horas teóricas Tema 6: Integración e implementación física de sistemasMMICs.

Contenidos: MMICs multifunción. Celdas estándar. Conexiones del chip. Medidas en DC y RF. Montajes en encapsulados y portadores. Tipos de encapsulados, modelos de encapsulados, diseño de portadores con criterios térmicos y electromagnéticos. Fiabilidad.

Objetivos marcados:
• Después de conocer la realización de funciones aisladas en MMIC, subir de nivel en la jerarquía del sistema para llegar al chip multifunción y al sistema en un chip (SOC).

• Conocimiento de los métodos de montaje de los MMIC y de las precauciones a tomar para evitar mal funcionamiento por causas ajenas al chip.

• Conocimiento de los principales tipos de medidas en DC y RF para caracterizar los MMIC.

• Tiempo de vida del chip en un sistema operativo. El problema de la fiabilidad N.º Clases: 6 horas teóricas +2 horas prácticas En esta asignatura no parece tener mucho sentido el planteamiento de los clásicos problemas de pizarra, puesresultarían redundantes con la asignatura de Microondas y la de Circuitos de Alta Frecuencia.

El enfoque que se quiere dar es más práctico, similar a lo que sería el trabajo de un diseñador. La distribución de los créditos prácticos de la asignatura se hará del siguiente modo: Con el tema 2 se incluirían 2 horas de prácticas con simuladores (ADS) para estudiar topologías de componentes pasivos con sus parásitos para ser usados como elementos de simulación posteriormente en el diseño de un MMIC completo. Tras el tema 4 se asignarán 3 horas de prácticas para el diseño de un amplificador. En principio, se plantearía un diseño monoetapa sencillo, al que, según la evolución de la práctica, se podría añadir una segunda etapa. Al concluir el tema 6 se dedicarían dos horas de prácticas a visitar el laboratorio de montaje. En la primera hora los alumnos podrán ver las máquinas que se usan para hacer la soldadura con hilos (bonding), y también verán directamente y al microscopio circuitos MMIC individuales y dentro de montajes complejos. En la segunda hora visitarán el laboratorio de medida, donde podrán ver cómo se mide un circuito MMIC en oblea. Se les mostrará en funcionamiento el equipamiento básico para medida que se conecta con la estación de sondas (analizador de redes y analizador de espectros). DE LA FUENTE et al.: MMIC DESIGN IN THE STUDIES 237 Las restantes 8 horas de prácticas en el laboratorio de simulación se dedicarán a la realización de una práctica, que servirá como trabajo a entregar y contribuirá a la calificación de la asignatura. En esta práctica, no sólo se tratará de realizar el diseño eléctrico sino también el dibujo físico del circuito. Para ello contarán con librerías actualizadas de la tecnología de OMMIC. Deberá realizarse una búsqueda de MMIC comerciales similares y una comparación de funcionamiento. Finalmente, el alumno deberá exponer oralmente su diseño y defenderlo, siendo calificado. Por tanto, esta última práctica tendrá carácter individual y será básica para la calificación del alumno.

D. Bibliografía Comentada

Dentro de la extensa bibliografía existente se recomiendan algunos títulos que tratan sobre circuitos MMIC de modo genérico y otros que tratan sobre diseño de funciones específicas, pero que son válidos tanto para MMIC como MIC. No se puede hablar de un único libro que haya servido como "libro de texto" de la asignatura.

[5]: Se trata de un libro básico del diseño MMIC, especialmente centrado en AsGa. En la parte de definición de la tecnología es especialmente prolijo y detallado, así como para los aspectos comunes a todos los diseños. El planteamiento específico de los distintos tipos de diseño se realiza a base de ejemplos, con lo que pierde cierta generalidad, aunque no deja de ser útil.

[6]: Se trata de la actualización de la obra anterior, aunque con un formato más compacto y resumido.

[7]: Especialmente indicado para el estudio de componentes pasivos y activos en MMIC, no tanto para diseños.

[8]: Libro centrado en la tecnología de los dispositivos no lineales más avanzados de la actualidad.

[9]: Recopilación de contribuciones de diversos autores en áreas de sus especialidades.

[10]: No es un libro específico para MMIC, pero explica de modo muy ameno el principio de funcionamiento de los diversos dispositivos activos y el método de diseño de varias funciones no lineales como mezcla, multiplicación, etc. (salvo la oscilación).

[11]: Este libro, considerado un clásico en el estudio de elementos no lineales y su empleo en circuitos electrónicos (bien es cierto que particularizado al caso de microondas) puede proporcionar una visión de conjunto de lo que es un mezclador y las diferentes tecnologías a utilizar dependiendo del rango de utilización del mismo. Plantea de forma analítica la formulación matemática necesaria para el estudio de mezcladores.

[12]: Este libro contribuye al estudio detallado de las no linealidades existentes en dispositivos electrónicos involucrados en conversiones frecuenciales, extendiéndose a todo tipo de dispositivos. Como en el caso anterior, la base y el formalismo matemático que proporciona ayuda al alumno a comprender aspectos del funcionamiento de los mezcladores que, por razones de tiempo, en las clases teóricas han de darse de forma rápida.

[13]: Rigurosa guía de diseño para los principales tipos de circuitos de alta frecuencia, en especial, amplificadores y osciladores. Aunque su planteamiento es genérico, tanto para diseño MIC como MMIC, se puede aplicar a MMIC y de hecho tiene un último capítulo específicamente dedicado.

Además de recomendar libros de texto, se facilita a los alumnos selecciones de artículos recientes procedentes deç congresos anuales como el GAAS symposium de la semana europea de microondas o el IEEE Microwave Theory and Techniques (MTT) symposium, con temas de actualidad para que conozcan las tendencias de estas tecnologías, así como artículos específicos de tipos concretos de circuitos.

E. Método Docente en la Asignatura

Para las clases teóricas se usa la clase magistral basada en transparencias proyectadas o directamente en la proyección de la pantalla de un ordenador. Dado el carácter de la asignatura, más de tipo descriptivo, en comparación con otras asignaturas básicas de fuerte base matemática, es especialmente importante la adecuada ilustración de las explicaciones con imágenes de calidad. En las clases de prácticas se hacen dos planteamientos diferenciados: en la primera fase, de introducción a las herramientas, será preciso un seguimiento muy cercano del alumno, con un trabajo muy dirigido. En la segunda fase, se pedirá a los alumnos que realicen un diseño completo por sí mismos, con unas especificaciones iniciales y hasta el diseño final (incluyendo el proyecto de montaje y test del chip diseñado) pero sin ser un trabajo fuertemente guiado para que quede espacio a su propia iniciativa. Este trabajo se realizará con carácter individual y contribuirá a la calificación. En este trabajo práctico se pide a los alumnos que se coordinen entre sí para definir cuestiones de la tecnología en la que se van a realizar los diseños o para definir una partición de la oblea en la que incluyan todos los diseños. De este modo se pretende impulsar la capacidad de trabajo en equipo y de coordinación con sus compañeros.

F. El diseño de MMIC en otras universidades.

La formación en diseño de MMIC ha sido, hasta hace algunos años, actividad exclusiva de las fundiciones, que ofrecían cursos de alto costo al personal de empresas, consultoras y universidades, para que conocieran su tecnología y aprendieran a manejar sus librerías de componentes disponibles y usarlas en futuros diseños. En este tipo de cursos no se incidía demasiado en las técnicas de diseño de los diversos tipos de circuitos. Los aspectos de "marketing" y fiabilidad eran los más cuidados. La ventaja de un curso impartido en la propia fundición es la posibilidad de visitar las salas limpias y ver en directo el proceso de fabricación de los circuitos. La asignatura que se propone aquí no puede ofrecer eso, dada la ausencia de grandes industria de fabricación de MMICs en España. Lo que sí se intenta ofrecer es una visión más amplia de las diversas tecnologías, 238 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 4, NO. 4, JUNE 2006 sin limitarse en las explicaciones a un solo material y a un solo tipo de dispositivos activos, aunque las prácticas se hagan con tecnología HEMT de OMMIC (Francia). También se intenta transmitir técnicas prácticas y "trucos de cocina", fruto de la experiencia, que permitan al alumno, hipotéticamente convertido en diseñador, abordar su trabajo de un modo eficiente y evitar caer en ciertos errores. A continuación se refieren diversos programas de cursos especiales, así como de cursos académicos ordinarios, impartidos en universidades de Estados Unidos y de Europa para ver cómo se trata en ellos el diseño de MMICs. Básicamente encontramos tres casos: o bien la temática de los MMIC se encuentra dispersa en asignaturas más amplias de electrónica de alta frecuencia, o bien se nos ofertan cursos cortos fuera de los temarios de las carreras (por ejemplo en programas de educación continua, o en seminarios promovidos por las fundiciones), o bien se ofertan asignaturas específicas dedicados a MMIC en programas ordinarios, que es el mismo objetivo que hemos tenido aquí. Como ejemplo del primer planteamiento podemos citar, en la Universidad Técnica de Darmstadt [15] y dentro de los estudios denominados allí de Tecnología de la Información (Nachrichtten Technik), el programa de dos asignaturas: una cuatrimestral denominada "Aktive Hochfrequenzschaltungen" (circuitos activos de alta frecuencia) y de otra denominada "Technologie der RF/HF-Bauelemente, Schaltungen und MEMS" (tecnologías de componentes, circuitos y MEMS de RF/HF). En la primera se trataría indistintamente del diseño en MIC y en MMIC, y para cursarla se establece el prerrequisito de tener conocimientos de circuitos, parámetros S y tecnologías de comunicaciones. La segunda se imparte como un seminario de proyectos más avanzado, en conexión con las actividades de investigación de la propia universidad que posee una fundición de AsGa de investigación. Otro ejemplo de contenido disperso de MMIC lo encontramos en la Universidad de Massachussets, que propone a aquellos alumnos interesados en MMIC un itinerario de asignaturas [16] sin que exista ninguna específica. Como ejemplo del segundo planteamiento, la Universidad de Surrey (Reino Unido) oferta un curso corto denominado "RFIC and MMIC Design and Technology" [17] con un programa muy similar en contenidos, pero concentrado en 5 días, dentro de un programa de educación continua de la escuela de ingeniería electrónica. El promotor del curso, el Prof. Robertson, es autor de una de las referencias recomendadas [9]. Con un enfoque similar al nuestro se puede mencionar el programa de la asignatura "MMIC design" de la Universidad Johns Hopkins [18], que guarda gran parecido en la estructura con el propuesto aquí. Como dato curioso, en la página web de la asignatura se publican las prácticas de los alumnos, incluso con resultados medidos de MMIC. Otro ejemplo sería, en los estudios de Ingeniería Electrónica de la Universidad de San Francisco, el curso denominado "Monolithic Microwave IC Design" [19], para el que se requiere haber cursado"RF/Microwave Circuits (1 & 2)". Cabe destacar que el curso se centra en la tecnología GaAs de TriQuint (incluso se fabrica algún circuito al final del curso), pero también trata de Si RFIC. Una vez más se pone como requisito el haber estudiado "Microwave Circuit Analysis II". Podemos concluir este punto estableciendo que el programa ofertado de la asignatura propuesta se encuentra al nivel de los ofertados por cualquier universidad Europea o Norteameri-cana. En la universidad española la enseñanza del diseño MMIC aparece vinculada a cursos de postgrado, en muchas ocasiones como un caso particular del diseño de microondas. No es común encontrar asignaturas de diseño de MMIC ni en los programas ordinarios de las principales Escuelas de Ingeniería de Telecomunicación, ni en los de otros estudios nuevos, como Ingeniería Electrónica o los de otros con más tradición, como la rama electrónica de Ingeniería Industrial. Por ello podemos considerar a la Universidad de Cantabria pionera en ofertar estos conocimientos, que deberían dar a sus titulados una situación ventajosa para acceder a las numerosas empresas del sector en el mundo. A este respecto, la asignatura se imparte sólo desde el año 2001 y no se dispone de mecanismos para efectuar un seguimiento de los alumnos, pero conocemos casos particulares de alumnos que ahora ejercen la profesión en empresas del sector, además de los que han sido contratados por la propia Universidad para trabajar en proyectos con empresas.


G. Métodos de Evaluación en la Asignatura

El método evaluador de una asignatura de las características de ésta debe contemplar el trabajo realizado por los alumnos, considerando las diferentes prácticas y ponderando el esfuerzo llevado a cabo por ellos. Hay que tener en cuenta, merced al número de alumnos que se matriculan en la asignatura, el carácter individualizado y la posibilidad de evaluación continua en la misma: en el tiempo de impartición de la asignatura, puesta en marcha en el curso 2001-2002, hasta el curso 2004-2005, ha sido cursada por un total de 34 alumnos, lo que define un entorno de clase ideal para un seguimiento individualizado de los alumnos y un trato cercano en la interacción alumno-profesor. Al alumno se le pide realizar y presentar una práctica que consista en el diseño eléctrico y dibujo de un monolítico completo, incluyendo proyecto detallado de montaje y medida del chip diseñado Se trata de evaluar y premiar el esfuerzo realizado por el alumno valorando desde el estudio previo que haya hecho del problema que se le planteaba hasta el grado de perfección del diseño final. Dicha valoración debe hacerse con una cierta flexibilidad. Ha de tenerse en cuenta que en la vida profesional de un ingeniero con dificultad se obtendrá el 100% de las especificaciones "a la primera" en un diseño de alta frecuencia. En la tecnología monolítica esta máxima es especialmente crítica, por lo que resulta habitual la realización de dos o más preseries antes de la definitiva. Algunos de los criterios de calificación pueden ser las aportaciones personales realizadas por los alumnos, búsqueda DE LA FUENTE et al.: MMIC DESIGN IN THE STUDIES 239 de bibliografía distinta de la básica facilitada en la asignatura, propuesta de varias soluciones alternativas, acabado del monolítico final, prestaciones conseguidas, mejora de dichas prestaciones, etc.. En el caso de un número de alumnos elevado, para favorecer la evaluación individualizada, se ha previsto un breve examen de cuestiones de tipo test, que resultara similar a la entrevista con un posible cliente de una fundición o de una consultora técnica de diseño. Las cuestiones versarían sobre adecuación y rendimiento de tecnologías para aplicaciones en diferentes bandas de diseño. La calificación de este examen constituiría el 50% de la nota. Con todo, lo que se pretende es que el alumno afronte su evaluación como un posible proyecto que podría surgirle durante su vida profesional, ayudándose de todas las fuentes bibliográficas o de apoyo que considere necesarias, de la base teórica, del ingenio y la experiencia acumulada durante sus años de formación (se trata de una asignatura optativa del 5º y último curso). Algunos de los diseños realizados por alumnos de la asignatura han merecido nuestras máximas calificaciones, y se ha promovido su fabricación. A continuación se describe un diseño realizado por un alumno, que fue fabricado y medido por su interés.

III. DISEÑO DE AMPLIFICADOR DE DOS ETAPAS DISTRIBUIDAS EN CASCADA (2-CDSDA).

La combinación de las propiedades de constancia de ganancia y adaptación de los amplificadores distribuidos, junto con la posibilidad de obtener valores más altos de ganancia mediante el encadenamiento en cascada, inspiró la topología del presente amplificador [14], adecuado para aplicaciones de radar. La tecnología empleada fue la del proceso D01PH de OMMIC (Limeil, Francia), (ft ~100 GHz, fmax ~150 GHz), que emplea transistores HEMT basados en GaAs de 0,13 μm de longitud de puerta, para los que se proporciona un modelo no lineal escalable valido para simulaciones en pequeña y gran señal y de ruido. Existen también librerías de modelos de pasivos (resistencias, condensadores, inductancias y líneas de transmisión). Estas librerías están disponibles para simuladores como ADS (Agilent). Otro rasgo importante del proceso es la posibilidad de usar una capa de metal extra de 2 μm de grosor, que lo hace adecuado para aplicaciones de potencia.


















Fig. 1 Esquema circuital del 2-CDSDA.









Fig. 2: Fotografía del chip.


El chip, de 2 x 1.5 mm2, fue fabricado por gentileza de OMMIC (ver Fig. 2) y caracterizado en el Laboratorio de Microondas de la Universidad de Cantabria, empleando una estación de sondas coplanares Cascade Microtech, un analizador de redes Agilent PNA E8364B y un medidor de Figura de Ruido Agilent N8975A.




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[Fig3.bmp]
Fig. 3 Simulaciones de ganancia y ruido del 2-CDSDA.



Las medidas están dentro de las tolerancias del proceso, comparadas con las simulaciones (Fig. 3). La ganancia medida en el rango de 2 a 20 GHz estaba en torno a 17 dB (± 0,57 dB) y la figura de ruido alcanzó valores mínimos de 3 dB (Fig. 4). La potencia medida en el punto de compresión 1 dB es de 14,9 dBm. El retardo de grupo es bastante plano en la banda (Fig. 5).



< [Fig4.bmp] Fig. 4 Medidas de ganancia de inserción y de figura de ruido del 2-CDSDA. 240 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 4, NO. 4, JUNE 2006 Los buenos resultados globales alcanzados por esta novedosa topología animaron a presentar el trabajo en un congreso internacional [4].
< [Fig5.gif] Fig.5 Retardo de grupo del 2-CDSDA.
IV. CONCLUSIONES
Se ha descrito el contexto docente, los contenidos, el programa detallado y el método de evaluación de una asignatura sobre diseño de circuitos monolíticos de microondas en los estudios del Ingeniero de Telecomunicación de la Universidad de Cantabria, pionera en incluir estos temas en asignaturas ordinarias de estudios de grado, con especial énfasis en los objetivos didácticos y la orientación práctica de la asignatura. Se ha ilustrado la presentación con un diseño realizado por un alumno de la asignatura, que fue fabricado y medido por el interés de su novedosa topología y buenos resultados.
JOSE ALI MORENO LOBO C.I 18953763
EES SECCION 2

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