Los fabricantes de circuitos integrados analógicos reconocen desde hace mucho tiempo, que de muchas maneras, el diseño analógico es tanto un arte como una ciencia. Casi desde el comienzo, empresas como Burr-Brown y National Semiconductor (ambas ahora parte de Texas Instruments) produjeron libros y colecciones de notas de aplicación, ahora legendarias, para ayudar a los ingenieros en funciones a comprender y aplicar sus productos. Se pueden considerar las primeras herramientas de diseño.
El tiempo (y la tecnología) no esperan a nadie. Aunque esos antiguos libros ofrecen valiosa ayuda e incluso se han actualizado y están disponibles para su descarga, los principales productores de dispositivos analógicos y de señal mixta ahora también son, con muy pocas excepciones, los principales fabricantes de microcontroladores. Por lo tanto, no sorprende que ofrezcan una variedad de herramientas de diseño analógico basadas en software junto con editores, compiladores y depuradores.
Desde hace años, se encuentran herramientas de diseño de software sencillas para aplicaciones analógicas, partiendo por conjuntos de ecuaciones que se cargan en hojas de cálculo, seguidos por programas en discos flexibles y CD. La aparición de Internet permitió obtener código descargable con las actualizaciones habituales.
Se debe poner énfasis en este caso, en que solamente estamos hablando de herramientas que ayudan a los ingenieros a diseñar con circuitos integrados analógicos. Los fabricantes de semiconductores tienen conjuntos completos de herramientas que usan para diseñar, validar y probar sus chips, pero ellos están fuera del alcance de este análisis.
El estado actual de la técnica
Estos primeros programas, en su mayoría tenían que ver con dispositivos de función única, como los amplificadores operacionales. Pero los diseños analógicos están migrando a un enfoque de subsistema en que varios componentes anteriormente separados se integran en un solo dispositivo. Además, la cantidad de dispositivos disponibles proliferó masivamente, con decenas de posibles soluciones a un problema de diseño específico. Esto llevó a herramientas de diseño en línea que incluyen una herramienta de selección de productos para ayudar al usuario con el diseño del circuito y la elección del mejor dispositivo.
Sin embargo, el giro más reciente se dio hacia un enfoque de “sistema experto” altamente interactivo, que comienza con la especificación de parámetros clave de la aplicación, la herramienta de diseño no solo sugiere el mejor dispositivo, sino que permite al usuario ajustar el diseño con relación a factores como el coste de la lista de materiales y la superficie ocupadada en la placa de circuito impreso.
Figura 1: Ejemplo de una herramienta de diseño basada en un “sistema experto”, WEBENCH Power Designer de Texas Instruments. (Fuente: Texas Instruments)
¿Qué ventajas ofrece este nuevo enfoque? Mientras que herramientas de diseño usan fórmulas de manual para calcular los valores de componentes externos, las nuevas herramientas aprovechan su motor de búsqueda de parámetros para elegir los dispositivos adecuados y luego agregar parámetros específicos del dispositivo como entradas para los algoritmos de diseño.
Como un circuito amplificador de la respuesta de tensión, el diseño aprovecha la inclusión de parámetros de amplificadores operacionales, como velocidad de precesión, capacidad parásita de entrada, ruido de corner y ruido de flicker, además gain-bandwidth standard del producto. También se pueden incorporar efectos más sutiles, como los problemas de carga de salida y cómo interactúan con la respuesta de la frecuencia del amplificador.
Después de diseñar el bloque de circuitos, muchas herramientas de diseño nuevas pueden conectar mediante un puerto ese bloque a una plataforma de simulación más general para que los diseñadores puedan combinar varios bloques juntos, agregar otros componentes obligatorios o realizar simulaciones térmicas; o bien, puede descargar su diseño de circuito o tarjeta de circuito impreso directamente a un programa CAD.
Ejemplos de herramientas de diseño analógico
WEBENCH. Texas Instruments ofrece un conjunto completo de herramientas de diseño analógico bajo su plataforma WEBENCH, incluidas herramientas para diseñadores que trabajan con suministros de energía, FPGA, LED, amplificadores, interfaces analógicas médicas y más. Las herramientas son sensibles a los requisitos del mundo real. Por ejemplo, las herramientas de sensores proporcionan un rendimiento optimizado de la trayectoria de la señal, lista de materiales, coste presupuestario y vínculos a consejos de evaluación y otras herramientas para probar y validar una solución simulada.
LTspice, de Linear Technology. LTspice versión IV es un simulador SPICE de alto rendimiento, captura esquemática y visor de forma de onda con mejoras y modelos para facilitar la simulación de reguladores de conmutación. La aplicación para Windows descargable incluye macromodelos para cientos de amplificadores operacionales y reguladores de conmutación de LT, así como para resistencias, transistores y modelos MOSFET.
Filter Wizard. Filter Wizard de Analog Devices le ayuda a diseñar filtros de paso bajo, paso alto o paso de banda. Comience por meter los parámetros clave: frecuencia y ganancia de banda de paso y banda rechazada, tiempo de respuesta del filtro, y luego el programa elegirá una topología, generará un esquema y le ayudará a elegir el mejor componente ADI.
Figura 2: captura de pantalla de Filter Wizard. (Fuente: Analog Devices)
Analog Devices también ofrece un conjunto integral de programas de herramientas de diseño como apoyo a su amplia cartera de RF. Por ejemplo, ADIsimRF es una calculadora de cadena de señales RF que permite el cálculo de parámetros del sistema, como ganancias en cascada, factor de ruido, IP3 e P1dB así como el consumo total de energía. El número de etapas puede variarse hasta un máximo de 15. La herramienta de diseño ADIsimRF contiene datos incrustados desde muchos Circuitos integrados de RF de ADI y convertidores de datos, a los que los diseñadores pueden acceder fácilmente mediante menús desplegables como ayuda en la selección de componentes.
iSim – iSim de Intersil es una herramienta de diseño en línea para seleccionar y simular dispositivos desde el catáologo de Intersil. Los usuarios siguen un procedimiento de diseño similar que en otras herramientas:
1) Seleccione las especificaciones de entrada y salida,
2) iSim encontrará los dispositivos Intersil adecuados y calculará los componentes óptimos,
3) El diseño se muestra en un esquema en línea para probar la aplicación,
4) Cuando se ha verificado el diseño, iSim genera una lista de materiales y un informe de diseño.
Actualmente iSim solo está disponible para dispositivos de power management y amplificadores operacionales de Intersil.
Mindi. Esta herramienta de diseño interactiva de Microchip está destinada a diseñadores que trabajan con filtros activos, amplificadores, cargadores de batería, convertidores CC-CC o potencia digital. El módulo de cargador de batería, por ejemplo, ayuda con el diseño de un convertidor de potencia bidireccional o un cargador de batería multiquímica con baterías Li-Ion, NiMH o NiCd. Después de elegir los parámetros básicos, el sistema genera un esquema interactivo; los usuarios pueden cambiar los componentes individuales, ejecutar simulaciones, ver un diagrama de Bode del rendimiento del circuito o imprimir el esquema. La herramienta de amplificador admite una variedad de circuitos de amplificador operacional incluidas configuraciones de inversión y no inversión, amplificador diferencial, integrador y diferenciador. Ofrece una funcionalidad similar que incluye el análisis transitorio.
Power Supply WebDesigner (PSW). Power Supply WebDesigner (PSW) de Fairchild es una herramienta para diseñar y simular un convertidor flyback regulado de lado primario (PSR) o regulado de lado secundario (SSR). Al igual que otras herramientas, produce un esquema, verificación simulada y una lista de materiales. Aunque con PSW, su lista de materiales puede incluir una selección automática de piezas del catálogo de su distribuidor preferido. Fairchild ofrece herramientas de diseño similares para otras aplicaciones de suministro de energía, incluidas topologías de reductor-elevador, diseños aislados, convertidores CC-CC y circuitos de corrección del factor de potencia (PFC).
Herramientas de diseño de Arrow
Ofrecemos una gran selección de herramientas de diseño digitales en nuestro sitio web. Casi todas las herramientas analógicas analizadas, no obstante, se pueden obtener de forma gratuita solicitándolas en los sitios web de los fabricantes. En cuanto a los componentes para la lista de materiales, eso ya es otra cosa.