Niveles superiores de integración: suelen ser una buena idea, pero a veces no lo son

Un mensaje constante de la tecnología de CI durante las últimas décadas es que pasar a niveles más altos de integración funcional es algo bueno para las aplicaciones totalmente digitales y de señal mixta. A medida que los nuevos componentes integran una mayor parte de la cadena de señales, existen múltiples beneficios, como una mayor simplicidad en el diseño general, menos interconexiones, mayor confiabilidad, reducción del espacio en la placa, eliminación del riesgo de incompatibilidad entre componentes, menor disipación de la potencia, rendimiento asegurado a nivel del sistema, una hoja de datos más completa y, por supuesto, menor costo.

Pero la historia de la integración no es del todo unilateral. Los mismos proveedores que ofrecen altos niveles de integración en un solo CI también están introduciendo CI de funciones mínimas de alto rendimiento como amplificadores operacionales para que sirvan como componentes básicos.

De alguna manera, las dos historias se contradicen. Después de todo, ¿por qué optar por un amplificador operacional de función única cuando puede "tenerlo todo" o al menos "tener mucho más" a través de un dispositivo más altamente integrado? La respuesta es complicada, ya que depende de las especificaciones de los componentes, su equilibrio relativo entre sí, la aplicación, sus prioridades y, lo más importante, las compensaciones y compromisos asociados.

Hacer compensaciones para alcanzar los objetivos a pesar de las limitaciones es el núcleo de la experiencia y el diseño de ingeniería. El atractivo del dispositivo más altamente integrado debe sopesarse contra cualquier deficiencia en el desempeño de un parámetro crítico en comparación con un componente básico de función única altamente optimizado que se puede usar para construir un sistema completo. Usaremos dos componentes muy diferentes de Analog Devices como ejemplos ilustrativos.

El front end electroquímico de AD5490 de Analog Devices

Considere el AD5490 de Analog Devices introducido recientemente, un front end electroquímico completo para mediciones potenciostáticas, amperométricas y voltamperométricas, que son requisitos estándar en experimentos electroquímicos y biológicos (Figura 1).

Figura 1: El AD5490 de Analog Devices es un front end electroquímico completo para experimentos electroquímicos y biológicos. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Este CI está diseñado para medir las salidas de sensores en el amplio rango de 50 picoamperios (pA, o 10^-12 amperios) a 3 miliamperios (mA, o 10^-3 A), un intervalo que es común en aplicaciones de bioimpedancia como la evaluación de la impedancia de la piel y el cuerpo, el control continuo de glucosa, así como pruebas de impedancia de baterías (Figura 2). Para el AD5490, la corriente de polarización de entrada típica es de 20 u 80 pA, según el canal de entrada seleccionado.

Figura 2: El AD5490 está optimizado para la química biológica y las mediciones del cuerpo humano, como este bucle de bioimpedancia de cuatro cables y alta frecuencia. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Este es un CI sofisticado y complejo, como lo demuestra su hoja de datos de 133 páginas. Intentar replicar sus circuitos con componentes discretos sería una tarea importante. Además de su corriente de polarización de entrada extremadamente baja, este CI incluye convertidores de analógico a digital (ADC), convertidores de digital a analógico (DAC), referencias de voltaje, una matriz de interruptores y mucho más.

Dada toda esta capacidad, ¿por qué un diseñador no elegiría usarlo? Después de todo, si puede cumplir con los objetivos del proyecto, sería tonto y casi irresponsable intentar construir un circuito comparable cuando hay uno a la mano que ya elimina los dolores de cabeza y los desafíos de hacerlo.

El amplificador operacional ADA4530-1 de Analog Devices

Sin embargo, algunas aplicaciones están impulsadas predominantemente por la necesidad de una corriente de polarización de entrada incluso más baja, como electrómetros y sensores ópticos de mayor rendimiento. Al reconocer que "lo mismo no funciona para todos", Analog Devices también introdujo recientemente el ADA4530-1, un amplificador operacional con femtoamperio (fA, o 10^-15 A) de corriente de polarización de entrada. También incluye un búfer de cubierta de seguridad integrado contra las diferencias potenciales aisladas que podrían conducir a un flujo de corriente no deseado (Figura 3).

Figura 3: El amplificador operacional ADA4530-1 presenta una corriente de polarización de entrada de nivel de femtoamperios e incluye conexiones de búfer de cubierta de seguridad integradas (GRD) que actúan como una barrera contra las diferencias de potencial aisladas que podrían conducir a un flujo de corriente no deseado. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Incluso este dispositivo funcionalmente simple tiene muchas sutilezas, como lo demuestra su hoja de datos de 52 páginas. Su corriente de polarización de entrada es tres órdenes de magnitud menor que la del CI del Front End AD5490, y tiene un coeficiente de baja temperatura de hasta aproximadamente 60 ºC (Figura 4). Ambas son especificaciones muy impresionantes para estos atributos sutiles pero fundamentales en sus aplicaciones específicas.

Figura 4: El gráfico de la corriente de polarización de entrada frente a la temperatura para el ADA4530-1 muestra que permanece por debajo o cerca de aproximadamente 0.1 fA hasta 55 a 60 ºC, lo que proporciona estabilidad y minimización de errores en el rendimiento de un sistema. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Debido a que se centra en un parámetro por encima de todo (corriente de polarización extremadamente baja), se puede usar en un diseño, proceso y flujo de fabricación que esté optimizado para ese atributo, pero que puede ser menos adecuado para otras funciones asociadas, como ADC, DAC o referencias de voltaje.

Conclusión

En general, la tendencia actual hacia la integración adicional ha sido un éxito para los proveedores y diseñadores. No obstante, existen casos, como con el ADA5430-1, que demuestran dónde los componentes individuales de bajo nivel, cada uno optimizado para un atributo específico, todavía mantienen su lugar. Esto es especialmente cierto cuando los circuitos analógicos sensibles y de bajo ruido en cualquier lugar desde CC hasta RF son una prioridad y el proyecto también requiere funciones mixtas analógicas/digitales, o incluso totalmente digitales, como procesadores y memoria de diversos tipos.

Si está decidiendo entre optar por un producto más integrado o crear uno propio a partir de componentes discretos, vale la pena comprobar las versiones más recientes de los proveedores relevantes, ya que las opciones están cambiando rápidamente. Sin embargo, habrá ocasiones en las que un dispositivo sencillo, de función única, altamente optimizado y sin concesiones sea esencial para un diseño general exitoso.

Si bien muchos se beneficiarán claramente del ADA5430-1, también tendrán que construir los circuitos asociados por su cuenta. Son ventajas y desventajas que tienen que sopesar cuidadosamente y luego decidir si el desafío vale la pena. Sin embargo, los requisitos de las aplicaciones y las presiones competitivas pueden decidir por ellos.

Contenido relacionado

"Cómo elegir y utilizar amplificadores operacionales de precisión de manera efectiva"

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-choose-and-use-precision-op-amps-effectively

"Cómo implementar un circuito de detección espectrofotométrica de alta sensibilidad"

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-implement-a-high-sensitivity-spectrophotometric-sensing-circuit

"Mejore las mediciones de la oximetría de pulso utilizando la compensación de corriente residual"

https://www.digikey.com/en/articles/improve-pulse-oximetry-measurements-using-dark-current-compensation