Elettronica analogica a bassa tensione - uniroma2.it · tecnologia microelettronica rese ... Soluzioni tecnologiche per la realizzazione di circuiti ... (immagine tratta da Sedra,

C. Falconi, A. D’Amico, Sensors and Microsystems Group

Dispense del Corso di Elettronica Analogica a Bassa Tensione

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ELETTRONICA ANALOGICA ED ELETTRONICA DIGITALE Elettronica analogica ed elettronica digitale Una distinzione arbitraria, ma utile Da un punto di vista "fisico" la distinzione tra elettronica analogica e digitale è arbitraria poiché in qualsiasi circuito elettronico le tensioni e le correnti assumono valori continui (a rigore, anche se la carica elettrica è "quantizzata", la corrente elettrica non lo è, poiché il tempo è una variabile continua). Nonostante ciò è prassi consolidata classificare, adottando un punto di vista "sistemistico", alcuni circuiti come "digitali" e altri circuiti come "analogici"; questa classificazione è utile per indicare, sinteticamente, il tipo di segnali di ingresso e di uscita di un circuito, ma è opportuno evidenziarne i limiti. Oggi moltissimi sistemi non possono essere, a rigore, considerati né analogici, né digitali. A parte i classici esempi (convertitori ADC e DAC; sistemi che utilizzano tecniche di tipo "sigma-delta",…) in cui devono necessariamente convivere segnali analogici e digitali, oggi perfino nel progetto dei sistemi digitali "per eccellenza" (memorie, microprocessori,…) sono necessarie conoscenze approfondite di elettronica analogica (si devono considerare parassiti, interferenze,…), al punto che, come si dice, "high-speed digital design is analog design". Allo stesso modo, anche i sistemi analogici "per eccellenza", devono oggi contenere sistemi digitali (come nel caso degli "smart sensors"). In conclusione i circuiti analogici e digitali non sono due categorie di circuiti in competizione, ma solo due categorie di circuiti "complementari"; il progettista di sistemi elettronici deve essere in grado di sfruttare tecniche analogiche, digitali o miste.



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Una previsione sbagliata Tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni '80 lo straordinario progresso della tecnologia microelettronica rese possibile l'integrazione di un gran numero di transistor, e quindi di un gran numero di porte logiche, all'interno dello stesso circuito integrato. Fu immediatamente chiaro che i circuiti digitali potevano elaborare le informazioni e memorizzarle in modo molto più economico e accurato dei circuiti analogici. Il progetto di sistemi digitali è così semplice da poter essere, in molti casi, automatizzato; oggi sono disponibili software per il progetto (CAD, computer aided design) di sistemi digitali molto potenti e affidabili, in grado di trasformare automaticamente una descrizione ad alto livello, ad esempio un diagramma di flusso, nel lay-out del circuito finale. Al contrario, il progetto di circuiti analogici integrati (anche semplici) è complicato dall'esistenza di un gran numero di specifiche spesso contrastanti tra loro (guadagno, banda, rumore, interferenze, dissipazione di potenza, tensione di alimentazione, margine di guadagno e margine di fase, accuratezza,…) così che è spesso necessaria la determinazione di un gran numero di compromessi (trade-offs). Nonostante molti sforzi, non sono attualmente disponibili software per il progetto automatico (automatic design) di sistemi analogici. Per questi motivi furono molti a prevedere, tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni '80, che l'elettronica analogica sarebbe presto scomparsa; oggi, a distanza di più di 20 anni, questa previsione non si è avverata e una delle figure professionali più richieste (e meglio pagate) nei Paesi con grandi aziende microelettroniche è il progettista di circuiti elettronici analogici. Infatti, senza dubbio, i sistemi per l'elaborazione delle informazioni digitali sono (salvo alcune significative eccezioni) più accurati, più flessibili, più semplici da progettare, più a basso costo e consumano meno potenza; di conseguenza è quasi sempre conveniente utilizzare metodi digitali in tutti i sistemi che devono solo "calcolare qualcosa". In molti casi però, oltre a "calcolare qualcosa", i sistemi devono interagire con il mondo esterno, cioè acquisire informazioni ("misurare qualcosa") e/o agire sul mondo esterno. Poiché i segnali presenti nel mondo reale sono, ovviamente, segnali analogici, nei sistemi elettronici che devono interagire, in qualche modo, con il mondo esterno, è indispensabile disporre di circuiti elettronici analogici. Consideriamo il caso, molto importante, dei sistemi destinati all'automazione; questi sistemi devono acquisire delle informazioni sull'ambiente in cui devono operare, decidere le azioni più opportune (in base alle informazioni acquisite) ed eseguire queste azioni. Molto spesso la "decisione delle azioni più opportune" è possibile, a basso costo, con sistemi elettronici; spesso anche l'esecuzione delle azioni non pone problemi



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(è possibile controllare elettricamente attuatori che sviluppano potenze anche notevoli); in molti casi il problema più complesso è l'acquisizione di informazioni accurate sull'ambiente in cui il sistema deve operare; mancano cioè sensori abbastanza "intelligenti" (vedi nel seguito). Anche se in molti circuiti integrati mixed mode (analogico-digitale) l'area di silicio occupata da circuiti digitali è molto più grande dell'area occupata dai circuiti analogici, generalmente il progetto della parte analogica è più impegnativo e più critico; in pratica, spesso la sezione digitale occupa un'area molto estesa del chip (80%-90%), ma il tempo necessario per il progetto della sezione digitale è molto più breve (10% o anche meno in alcuni casi).

Figura 1 I sistemi che devono interagire con il mondo esterno dovranno sempre avere una sezione analogica (ASP, analog signal processing); grazie alla potenza degli odierni sistemi digitali è spesso conveniente "passare" prima possibile nel dominio digitale; nonostante ciò, le maggiori difficoltà di progetto e il limite all'accuratezza del sistema complessivo dipendono spesso dalla (spesso piccola in termini di area occupata nel chip) sezione analogica (immagine tratta da Allen, Holberg). La complessità del progetto analogico fa sì inoltre che il buon progettista analogico sia difficilmente sostituibile e che sistemi analogici ben progettati possano rimanere sul mercato anche per decine di anni, cioè per tempi fino a dieci volte superiori rispetto ai sistemi digitali; a questo proposito riportiamo un breve racconto di Barrie Gilbert Gilbert (inventore, tra l'altro, dei circuiti translineari e dei moltiplicatori di Gilbert).



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"The threat of the decline of all things analog was never more apparent than during a visit I made to the Science Museum in London in 1982. Wandering around halls devoted to the history of computing, I found a display marked “Obsolete Techniques.” Alongside a nostalgic assortment of relay boards, vacuum-tube operational amplifiers, patch panels, and electromechanical servo systems was a monolithic analog multiplier I had designed in the early 1970s. At first I was surprised, then embarrassed, and soon irritated at the curators. “What do they know?” I fumed. Although the implication stung a little, I later took solace as I walked back into the cool evening air of South Kensington in the knowledge that this particular product not only remained firmly in the catalog, but was generating admirable revenues. It still does, more than a quarter of a century since its design. Analog is durable." (Barrie Gilbert, "Analog at Milepost 2000: A Personal Perspective", Proc. Of the IEEE, vol. 89, no. 3, March 2001) threat, minaccia wander, vagabondare to fume, andare su tutte le furie stung, participio passato di to sting, essere doloroso to take solace¸ essere confortato revenues, profitti



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Le due tabelle seguenti (tratte da Allen, Holberg) riassumono, schematicamente, le differenze fondamentali tra i circuiti analogici e digitali e le competenze necessarie per il progetto di circuiti integrati (IC, integrated circuits) analogici.



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Applicazioni dei circuiti integrati analogici Alcune importanti applicazioni dei circuiti integrati analogici sono:

- interfacce tra i sistemi digitali e il mondo esterno (ADC, DAC, interfacce per sensori, circuiti per telecomunicazioni, interfacce per hard disk, display, sistemi audio…)

- sensori e attuatori - microsistemi - generatori di tensione di riferimento - filtri - convertitori DC-DC - PLL - …

Il progetto di sistemi digitali ad elevate prestazioni (low power, high speed,…) è, da molti punti di vista, un progetto "analogico".



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Il futuro dell'elettronica La rapidissima evoluzione tecnologica rende molto difficile stimare, anche solo approssimativamente, quale sarà il futuro dell'elettronica; si pensi che le dimensioni minime definibili in un circuito integrato sono passate da circa 25µm nel 1960 a circa 100nm oggi (2002), obbedendo alla cosiddetta "legge di Moore" (Gordon Moore, cofondatore della Intel, si accorse che il numero di transistor integrabili in un chip cresceva esponenzialmente, e in particolare raddoppiava ogni 3 anni; Moore previde che questo andamento esponenziale sarebbe continuato per molto tempo; questa previsione era allora "folle" poiché si intravedevano molti ostacoli, sia tecnologici, sia fisici, al corretto funzionamento di transistor così piccoli; nonostante ciò, grazie anche al grande miglioramento dei processi tecnologici, la "legge di Moore" è stata sostanzialmente rispettata fino ad oggi). Nonostante la grande incertezza sul futuro, e in particolare sui futuri processi tecnologici, è fondamentale per le grandi aziende di semiconduttori avere delle previsioni "certe" sul futuro (per poter programmare investimenti, alleanze,…). Per questo motivo le più grandi aziende di semiconduttori (Intel, Toshiba, ST, Philips,…) hanno formato un comitato di tecnici destinato a "prevedere" il futuro, almeno a breve termine (fino a 10 anni); questo comitato (SIA, Semiconductor Industry Association) non si occupa di definire come certi problemi tecnologici andranno risolti, ma solo la "roadmap" (itinerario), cioè come, e con quali tempi, evolveranno le future caratteristiche (velocità di funzionamento, tensione di alimentazione, numero di transistor,…) dei circuiti integrati. Queste previsioni (o, come si dice, la "roadmap") sono le più affidabili disponibili; sulla base di queste previsioni le aziende più importanti programmano investimenti per centinaia di milioni di dollari. La "roadmap" prevede che nei prossimi anni il mercato sarà ancora largamente dominato dai processi CMOS.



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Andamento della tensione di alimentazione e della tensione di soglia al variare delle dimensioni minime del canale



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La SIA fornisce, oltre alla "roadmap", anche le cifre ufficiali sul mercato mondiale dei semiconduttori.



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L'evoluzione dei processi tecnologici ha ovviamente grandi conseguenze per il progettista di circuiti integrati; nelle seguenti tabelle (tratte da Allen, Holberg) sono riassunte alcune di quest conseguenze.



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Soluzioni tecnologiche per la realizzazione di circuiti integrati analogici e mixed-mode Processi CMOS Oggi, per motivi di costo, di compatibilità con circuiti integrati digitali e di dissipazione di potenza, si tende ad utilizzare, quando è possibile, processi digitali CMOS standard anche per la realizzazione di circuiti integrati analogici o mixed-mode; questa soluzione non è indolore: i processi digitali CMOS sono sviluppati con l'obiettivo di migliorare il più possibile le prestazioni dei circuiti digitali (per esempio la velocità di funzionamento) e il livello di integrazione (cioè il numero di transistor integrabili nell'unità di area); per raggiungere questi due obiettivi si rinuncia alla presenza di "buoni" componenti analogici (per esempio capacità lineari, resistori lineari con sheet resistance elevata,…).

Figura 1 Un transistor NMOS con , 0GS TH DSV V V> = (immagine tratta da Sedra, Smith); è

evidenziata la depletion region che "auto-isola" elettricamente ciascun transistor MOSFET dagli altri.



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Figura 2 Un transistor NMOS con , 0GS TH TH DSV V V V> > > (immagine tratta da Sedra, Smith); il

transistor è isolato dal substrato grazie alla depletion region (non evidenziata in figura).

Figura 3 Un transistor NMOS; è evidenziata la differenza tra la lunghezza effettiva del canale e la lunghezza "disegnata" nella maschera (immagine tratta da Razavi)

Figura 4 Un transistor NMOS (sezione, a, e visto dall'alto, b) (immagine tratta da Razavi)



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Figura 5 Un transistor NMOS in cui la tensione VDS è tale da "strozzare" il canale in corrispondenza del drain, così da rendere la corrente IDS poco sensibile ad ulteriori variazioni della tensione VDS; l'impedenza dinamica tra drain e source è quindi elevata (immagine tratta da Razavi)

Figura 6 Schema di principio di un processo CMOS standard; si riconoscono la n-well, i transistor NMOS e PMOS e i transistor bipolari parassiti; in particolare si noti la presenza dei transistor pnp verticali (il collettore è il substrato, la base è la n-well) comunemente utilizzati per la realizzazione di generatori di tensione di riferimento integrati; si noti la semplicità del processo che richiede un numero molto limitato di maschere (almeno 8); in alcuni processi si impiegano più maschere per ottimizzare alcune prestazioni (immagine tratta da Razavi)



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I motivi fondamentali per cui i processi CMOS dominano, ormai da molti anni il mercato dei semiconduttori, sono:

- la ridotta area di silicio necessaria per implementare un singolo transistor; questo vantaggio, rispetto ai processi bipolari, deriva dalla capacità di un transistor MOS di "auto-isolarsi" dagli altri transistor; infatti, nelle condizioni di normale funzionamento, il source, il drain e il canale sono separati elettricamente dal bulk, o dalla well, da giunzioni pn polarizzate inversamente e, di conseguenza, tutti i transistor sono automaticamente isolati tra loro

- il basso costo (anche se i costi per lo sviluppo dei processi ad elevatissima

integrazione sono oggi elevatissimi e richiedono, sempre più, l'impegno comune di più multinazionali, il costo finale del singolo chip diventa trascurabile)

- la minor potenza dissipata

- la disponibilità di buoni interruttori (switch)

Si noti che, anche se i primi transistor CMOS erano significativamente più lenti dei transistor bipolari, oggi, grazie alla riduzione delle dimensioni dei dispositivi, e quindi alla riduzione delle loro capacità parassite, esistono processi in cui vengono realizzati transistor CMOS con frequenze di taglio superiori al GHz. Un altro "famigerato" limite dei transistor CMOS è il loro elevato rumore 1/f, dovuto, soprattutto, alla corrente che fluisce "superficialmente" (cioè vicino all'interfaccia Si-SiO2 dove, chiaramente, esistono molti difetti reticolari, trappole,…). Oggi la qualità di questa interfaccia è decisamente migliorata, e, soprattutto, la disponibilità di buoni switch ha aperto la strada a nuove tecniche circuitali molto efficaci nella compensazione del rumore a bassa frequenza (citiamo le tecniche autozero, chopper, dynamic element matching, dynamic op amp matching, dynamic current mirror,…). Nonostante ciò, nei processi più avanzati (sub-micron), il rumore dei dispositivi diventa molto elevato, così che la definizione di nuove tecniche, ancora più efficaci, per il progetto di circuiti CMOS a basso rumore è un obiettivo di grandissimo interesse. Nuovi problemi, sempre più importanti per i processi più avanzati, sono l'assenza di "buoni" componenti analogici (per esempio capacità lineari, resistori lineari con sheet resistance elevata,…), sacrificati alla riduzione del costo o al miglioramento delle



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prestazioni dei circuiti digitali e l'assenza di modelli sufficientemente accurati (ai fini del progetto analogico) per i dispositivi disponibili, e in particolare, per gli stessi transistor PMOS e NMOS. A causa della scarsa affidabilità dei modelli dei dispositivi, anche i risultati dei simulatori più potenti non sono sempre corretti (così che il successo di un progetto dipende, molto più che nel caso di sistemi digitali in cui i software CAD sono ormai potentissimi e affidabilissimi, dalle capacità dei progettisti). Si noti che non si può ricorrere, per supplire alla scarsa affidabilità delle simulazioni, neppure a prototipi discreti poiché i comportamenti dei componenti discreti e integrati sono, ovviamente, completamente diversi. Altri problemi tipici dei processi CMOS sono: il rischio di latch up (da limitare sia in fase di progetto del processo, sia in fase di progetto del circuito); la possibilità di danneggiare i chip per effetti elettrostatici; la forte dipendenza dalla temperatura, e spesso dalla tensione, di resistenze e capacità; l'assenza di "buoni" transistor verticali (questo tipo di transistor possono avere correnti massime molto più elevate (a parità di area di silicio occupato). Un dispositivo di cui solo recentemente si è compresa (e forse ancora non completamente) l'importanza è il transistor pnp di substrato presente nei processi standard CMOS (il collettore è il substrato p; la base è la n-well; l'emettitore è una diffusione p+ nella n-well); questo transistor è stato per molto tempo considerato poco utile poiché il suo collettore è costituito dal substrato p (bulk) e deve quindi essere collegato alla tensione di alimentazione negativa (nei sistemi "single supply" è "grounded", cioè collegato a massa) per garantire che i transistor NMOS siano “auto-isolati”; inoltre il guadagno in corrente, β, di questo tipo di transistor è tipicamente molto piccolo (a causa della larghezza della base, pari circa alla profondità della n-well); nei processi digitali CMOS usati per realizzare i processori Pentium, β è dell'ordine di poche unità; per questi motivi, nei documenti che descrivono i dispositivi implementabili in un certo processo, questo dispositivo è a volte chiamato "the poor man's transistor", il transistor dei poveri). Nonostante ciò, di recente è stato dimostrato (F. Fruett, "The piezojunction effect in silicon, its consequences and applications for integrated circuits and sensors", PhD Thesis, Delft, the Netherlands, 2001) che proprio questo transistor è il migliore possibile (migliore anche dei transistor bipolari realizzati con processi bipolari) per la realizzazione di sensori di temperatura integrati e di generatori di tensione di riferimento integrati (blocco fondamentale in moltissimi sistemi integrati).



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Tra le proprietà molto interessanti di questo transistor, ricordiamo che il suo β, anche se piccolo, è soggetto a tolleranze molto ridotte (a causa, ancora una volta, della larghezza della sua base); inoltre il modello di Meijer descrive con buona accuratezza la relazione VBE(IC,T) di questo transistor (che quindi può essere impiegato per la realizzazione di circuiti integrati log, antilog e translineari). Nella tabella seguente (tratta da Allen, Holberg), sono riassunte alcune importanti differenze tra BJT e MOSFET.

Processi bipolari e BiCMOS In un processo bipolare npn si cresce uno strato epitassiale n su un substrato p; si diffondono poi prima la base, p, (con una profondità della diffusione ovviamente minore dello spessore dello strato epitassiale) e poi l'emettitore, n+, (con una profondità della diffusione ancora minore); per isolare tra loro i collettori di diversi transistor sono necessarie delle regioni p+ (isolation islands) interposte tra i diversi collettori; le isolation islands si estendono dalla superficie del circuito integrato fino al substrato p; collegando quindi il substrato alla tensione di alimentazione negativa si ottiene



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l'isolamento (tramite giunzioni pn polarizzate inversamente tra i diversi transistor bipolari). Il progetto di circuiti integrati bipolari è più semplice in alcuni casi (è più facile realizzare amplificatori operazionali con basso offset e basso rumore di tensione, larga banda,…), e più complesso in altri casi (non è disponibile un interruttore di caratteristiche analoghe agli switch CMOS, così che si deve rinunciare a tutte le tecniche di tipo switched capacitor, switched current, autozero,…; l'integrazione di circuiti digitali richiede molta più area a causa della necessità di integrare le isolation islands,…). Ovviamente la massima flessibilità si ha quando si impiega un processo BiCMOS, che però richiede costi più elevati.

Figura 7 Schema di principio di un processo BJT standard; si riconosce un transistor verticale npn; oltre a questo tipo di transistor, in questi processi è generalmente possibile integrare transistor laterali pnp con prestazioni "accettabili"; è evidente la maggiore complessità (e quindi il maggior costo) del processo rispetto ad un processo standard BJT; si nota anche la presenza delle isolation island, necessarie per "isolare" elettricamente il transistor dagli altri transistor del circuito (immagine tratta da Allen, Holberg).



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Figura 7 Tipici profili di drogaggio di un transistor npn integrato in un processo BJT standard; si riconosce il valore molto elevato del drogaggio dell'emettitore, necessario per ottenere una buona efficienza di iniezione e quindi un buon guadagno di corrente (immagine tratta da Allen, Holberg). "System on chip" o "system in package" Non è ancora chiaro (entrambe le soluzioni hanno i loro sostenitori) se, alla fine, prevarranno i "system-on chip" oppure i più flessibili "system-in-package" che, tra gli altri vantaggi, consentono di utilizzare processi diversi per le sezioni analogica e digitale e hanno meno problemi di cross-talk tra le due sezioni (se la sezione analogica e la sezione digitale sono integrate nello stesso chip si possono avere un circuito a bassissimo offset e porte logiche digitali con frequenze di clock fino a centinaia di MHz a pochi mm di distanza; le capacità parassite e il substrato accoppiano le due sezioni e il comportamento del circuito analogico può essere molto scadente a causa dalle interferenze digitali).



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ELETTRONICA ANALOGICA A BASSA TENSIONE Motivazioni fondamentali per l'elettronica analogica a bassa tensione La tensione di alimentazione dei moderni circuiti integrati deve essere bassa poiché:

- la riduzione delle dimensioni dei dispositivi (downscaling) riduce le tensioni di

breakdown - la riduzione della tensione di alimentazione di circuiti digitali può portare a

significative riduzioni della dissipazione di potenza che, nei circuiti CMOS, è uguale a

2DDP fCVα

La riduzione della potenza dissipata consente di aumentare l'autonomia di sistemi portatili (fondamentale nei sistemi alimentati a batteria che non sono accessibili) e di ridurre le temperature di funzionamento dei circuiti integrati, aumentandone l'affidabilità (il tempo medio prima di un guasto si dimezza per ogni incremento della temperatura di 10°C); questo ultimo argomento è sempre più importante a causa dell'aumento di potenza dissipata per unità di area indotto dal downscaling delle dimensioni dei dispositivi e dall'aumento delle frequenze di funzionamento (la riduzione dello spessore dell'ossido aumenta la capacità per unità di superficie e quindi la potenza dissipata per unità di area; la potenza dissipata è inoltre, approssimativamente, proporzionale alla frequenza di funzionamento). Anche se nei sistemi analogici la riduzione della tensione di alimentazione può portare addirittura ad aumentare (a parità di SNR) la potenza dissipata, poiché in molti sistemi mixed-mode la maggior parte del chip è occupata da circuiti digitali, questo piccolo incremento è sovracompensato dalla riduzione di dissipazione di potenza della sezione digitale



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Conseguenze della riduzione della tensione di alimentazione In seguito alla riduzione della tensione di alimentazione è spesso necessario ricorrere a nuove tecniche di progetto. Le tecniche di tipo "cascode", ad esempio, sono poco adatte per sistemi a bassa tensione. I problemi tipici nel progetto di circuiti low voltage – low power sono:

- livelli di offset e noise più elevati - maggiore importanza delle non idealità dei dispositivi (offset, noise,…) a causa

della riduzione del dynamic range - "gain per stage" limitato - banda limitata (bassa potenza)



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SMART SENSORS (SENSORI INTELLIGENTI) Sensori Tutti i sistemi che debbano interagire col mondo esterno, ovvero tutti i sistemi che non sono semplicemente e solo dei mezzi di calcolo, devono prevedere l'acquisizione di informazioni sul mondo esterno, cioè la misura di alcune grandezze di interesse, e l'elaborazione delle informazioni acquisite (eventualmente può essere richiesta anche la capacità di agire sul mondo esterno). I sensori sono dispositivi che associano alla variazione di una grandezza fisica o chimica la variazione di una grandezza elettrica o ottica; i sensori sono quindi il "ponte" necessario per "misurare qualcosa" ed ottenere l'informazione (cioè la misura) in una forma "gestibile da sistemi elettronici". La potenza e la convenienza economica dei moderni sistemi elettronici di elaborazione delle informazioni rende in moltissimi casi vantaggioso utilizzare i sensori (per misurare) e gli attuatori (per intervenire sul mondo esterno); in altre parole i sensori, avendo un'uscita gestibile da un'interfaccia elettronica, consentono di sfruttare tutti gli enormi vantaggi dell'elettronica nell'elaborazione, memorizzazione e trasmissione delle informazioni. E' quindi evidente che la tecnologia necessaria per realizzare sensori, attuatori e microsistemi è una tecnologia abilitante (enabling technology), poiché, per aprire nuovi mercati, molto spesso l'ostacolo è la mancanza di sensori e attuatori sufficientemente "intelligenti" (cioè accurati, economici e facili da usare); la manipolazione elettronica delle informazioni in molti casi è, già oggi, sufficientemente potente ed economica. La realizzazione di sensori e microsistemi "sufficientemente intelligenti" ha già aperto mercati di dimensioni molto vaste (sensori per applicazioni automotive, stampanti a getto di inchiostro,…).



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La presenza di sensori è indispensabile per aumentare la cosiddetta "intelligenza" di sistemi complessi; una volta che alcune grandezze fisiche (nel caso di un'automobile: la temperatura interna, la velocità, la decelerazione,…) sono state acquisite (grazie a sensori) in una forma "gestibile da sistemi elettronici", è possibile impiegare una notevole capacità di calcolo per decidere le operazioni più opportune (controllo dell'impianto di climatizzazione, azionamento "intelligente" dei dischi dei freni, attivazione di air-bag,…). Automazione delle misure L'impiego di sensori consente di automatizzare, a costi relativamente bassi e in modo relativamente semplice, le misure. Possiamo ad esempio pensare ad una catena di montaggio da cui escono un certo numero di cilindri metallici di cui si desidera, per garantire la qualità del prodotto, misurare una certa caratteristica, ad esempio la lunghezza. In linea di principio uno o più operatori potrebbero misurare la lunghezza dei vari pezzi; ciò richiederebbe la presenza di uno, o più, operatori umani e limiterebbe molto il numero di pezzi controllabili in un certo periodo di tempo. Se invece si dispone di un "sensore di lunghezza", l'informazione associata alla lunghezza di ciascun pezzo può essere inviata ad un PC che può decidere se il pezzo è conforme allo standard di qualità desiderato; non è più necessaria la presenza di operatori umani e il numero di pezzi controllabili in un determinato periodo di tempo può essere estremamente elevato. Per questo motivo moltissimi sistemi per il controllo di qualità, e più in generale, moltissimi sistemi di automazione industriale sfruttano sensori (di temperatura, di flusso, di forza, di spostamento, di rotazione,…). Il progetto di sensori di elevate prestazioni richiede competenze in settori molto diversi (fisica, chimica, elettronica, packaging,…). La complessità associata al progetto di un certo tipo di sensori non ne ostacola la diffusione nella misura in cui quei sensori sono "intelligenti", cioè nella misura in cui è facile, per un utente poco esperto (come sono in genere i progettisti di sistemi complessi che devono sfruttare sensori), impiegare nel modo migliore il sensore.



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In letteratura sono utilizzate diverse definizioni di sensori intelligenti; per noi un sensore è tanto più intelligente quanto più è accurato, economico e semplice da utilizzare. I sensori intelligenti devono comprendere (per poter essere semplici da utilizzare) sia il sensore propriamente detto, sia l'elettronica di interfaccia per il sensore; preferibilmente il sensore e l'elettronica di interfaccia sono integrate nello stesso chip (per rendere il sistema economico) e la comunicazione tra il chip e sistemi esterni avviene mediante un protocollo digitale standard (per rendere il sistema facile da usare). In tal modo il progettista di un sistema molto complesso può utilizzare sensori senza conoscerne i meccanismi di trasduzione, le problematiche relative all'elettronica di interfaccia,… Ad esempio il progettista di impianti di condizionamento desidera sfruttare sensori di temperatura semplicemente conoscendone le prestazioni (errore, velocità di risposta,…) e il protocollo di comunicazione con l'esterno. Essendo il sensore e l'elettronica di interfaccia integrati in un solo chip, se i volumi di produzione sono sufficientemente grandi, il costo del singolo sensore intelligente può diventare molto basso (come avviene per tutti i circuiti e, più in generale, per tutti i sistemi integrati in un unico chip di silicio). In molti casi l'integrazione dell'elettronica di interfaccia e del sensore sullo stesso circuito integrato possono rendere il sensore "user friendly" (facile da usare) e ridurre, anche di molto, il costo, il volume, il peso, il consumo di potenza e la sensibilità alle interferenze. Concludiamo con una digressione storica: i sensori esistono da moltissimo tempo (si pensi alle termocoppie, alle resistenze dipendenti dalla temperatura,…); quando lo sviluppo dell'elettronica e della microelettronica hanno consentito la realizzazione a basso costo di interfacce per sensori di buona qualità (per esempio grazie alla disponibilità, a costi bassi, di buoni op amp, convertitori ADC,…), si riteneva che il mercato dei sensori dovesse rapidamente esplodere; se questo è avvenuto solo in parte è proprio perché i progettisti di sistemi complessi non possono, ovviamente, interessarsi delle molteplici problematiche connesse al progetto di un sistema sensore+interfaccia. Questa difficoltà è stata parzialmente superata grazie all'introduzione di "smart sensors", cioè di sensori a basso costo che possono essere utilizzati in modo estremamente semplice; già oggi, ad esempio, alcuni tipi di "smart sensors" (per esempio di temperatura, di accelerazione, magnetici…) sono impiegati in una miriade di applicazioni; è evidente che la realizzazione di sensori sempre più "smart" (cioè più accurati, più economici e più semplici da utilizzare) è un obiettivo di fondamentale interesse industriale.



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Sensori e microsistemi più "intelligenti" sono necessari per: applicazioni biomediche e strumentazione medicale, periferiche di computer, analisi di laboratorio, strumentazione industriale, macchine utensili,… Automazione Autoveicoli (airbag, controllo del corretto funzionamento del motore, analisi gas di scarico,…) Ambiente (inquinamento) Ambienti intelligenti (casa, ospedale,…) Elettronica e telecomunicazioni (switch ottici, filtri,…) Medicina (pillole intelligenti, sistemi per la trasmissione cervello-muscoli, protesi, naso elettronico,…) Processi industriali Settore alimentare (buona conservazione degli alimenti, naso e lingua elettronica,…) Realtà virtuale

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