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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C. Falconi, A. D’Amico, Sensors and Microsystems Group
Dispense del Corso di Elettronica Analogica a Bassa Tensione
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 (tradeoffs). 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 mixedmode
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 VGS > VTH ,VDS = 0 (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 VGS > VTH ,VTH > VDS > 0 (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 SiSiO2 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 “autoisolati”; 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 nwell); 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
2
P α fCVDD
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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C. Falconi, A. D’Amico, Sensors and Microsystems Group
Dispense del Corso di Elettronica Analogica a Bassa Tensione
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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C. Falconi, A. D’Amico, Sensors and Microsystems Group
Dispense del Corso di Elettronica Analogica a Bassa Tensione
