Analog front-end: verso il system-on-chip

IC ANALOGICI –

I requisiti di interfacciamento verso il mondo analogico stanno crescendo in complessità e come conseguenza gli analog front-end si stanno sviluppando nella forma di sottosistemi, ricorrendo anche a tecnologie di integrazione innovative, tra cui quella del system-on-chip

Un analog front-end è un sistema più o meno complesso di circuiti analogici di condizionamento del segnale utile all’interfacciamento analogico verso la circuiteria digitale mixed-signal (analogico/digitale) che a sua volta svolge il ruolo di front-end verso quella completamente digitale della microcontroller unit. L’analog front-end svolge anche l’importantissimo compito di adattarsi alla natura elettrica dei sensori, qualsiasi sia la loro natura e modalità operativa. Data questa posizione strategica tra sensori ed Mcu, e data anche la natura analogica del dominio dei segnali trattati, questo sottosistema è particolarmente impegnativo per gli sviluppatori in termini di progettazione e di messa a punto, pur non essendo il vero obiettivo, lo sviluppo della proprietà intellettuale. Di conseguenza, la disponibilità di analog front-end pronti sotto forma di moduli integrabili in un’applicazione, o meglio ancora sotto forma di system-on-chip è senza dubbio di grande interesse, considerando i vantaggi che ne derivano in termini di prototipazione rapida e time-to-market per il prodotto finale. Rispetto al passato, l’elettronica analogica è diventata sempre più densamente integrabile su chip tanto da consentire di ottenere su un singolo chip complessi sottosistemi analogici come gli Afe. Ma di fatto si sta andando ancora più avanti rispetto al system-on-chip analogico in quanto l’analogica (oltre quella mixed-signal) viene integrata sempre più spesso con quella digitale, consentendo in tal modo di ottenere la realizzazione di un intero sistema di misura da sensori completamente integrato su chip, microcontrollore incluso, come per esempio il chip AduCM350 (Meter-On-A-Chip) di Analog Devices per applicazioni di natura portabile e indossabile di controllo della salute e per il monitoraggio dei segnali vitali nelle attività sportive e di fitness. Questo dispositivo, oltre a integrare un potente microcontrollore ad architettura Arm, integra sullo stesso chip tutta l’analogica necessaria a poter connettere in maniera diretta i sensori.
Data la natura application-specific del front-end analogico, non esiste una soluzione di uso generale che possa soddisfare tutte le esigenze applicative. Le applicazioni medicali hanno caratteristiche di condizionamento del segnale diverse per esempio da quelle dei sistemi di automazione o dei sistemi audio-visuali. Ciò significa che le soluzioni front-end analogici per le varie applicazioni possono essere disponibili a vari livello di integrazione, dalla scheda fino al single-chip. In generale, un analog front-end integra amplificatori operazionali, filtri, multiplexer analogici, e altre funzioni circuitali analogiche specifiche per supportare in maniera efficiente ed efficace una specifica applicazione. Anche se l’analog front-end sarebbe concettualmente ristretto alla sola circuiteria analogica, di fatto, per ragioni di embedding sempre più spinto, gli analog front-end di nuova generazione stanno inglobando anche il sottosistema mixed-signal, diventando in tal modo dei digital output analog front-end, e, nel caso più estremo anche una microcontroller unit, realizzando in tal modo un SoCafe (System-on-Chip analog front-end). Tale livello di integrazione si spinge anche all’integrazione, dal lato analogico, di sensori e attuatori, ottenendo in tal modo soluzioni ad elevatissimo livello di integrazione capaci di soddisfare i requisiti più estremi della progettazione embedded in termini di dimensioni ridotte, consumi ultrabassi di potenza elettrica e soprattutto costi compatibili con campi applicativi cost-sensitive come quello medicale consumer o quello automotive.

Consumer biomedicale

I dispositivi consumer biomedicali sono un ambito particolarmente interessante per le pontenzialità applicative, ma anche per quello più problematico relativo alla natura dei segnali in gioco (segnali bioelettrici) e la non collaboratività degli utilizzatori. Il front-end analogico in questo caso deve integrare oltre ad amplificatori operazionali da strumentazione, anche circuiti di denoising e di stabilizzazione del segnale che portano tali circuiti an un notevole livello di complessità. Un esempio particolarmente pregevole di front-end analogico ottimale per le applicazioni di healthcare è il chip AD8232 di Analog Devices, un analog front-end che integra su singolo chip tutta l’elettronica analogica necessaria e sufficente a presentare agli ingressi di un convertitore Adc segnali bioelettrici prelevati da un soggetto in maniera non invasiva (non clinica), per esempio durante le attività di fitness oppure sportive.
Il chip AD8232 integra un intero sistema di condizionamento del segnale per applicazioni Ecg e altre applicazioni basate sulla misura dei biopotenziali. La sua architettura analogica è stata pensata per estrarre, amplificare e filtrare i piccoli biopotenziali tipicamente immersi in cospicui livelli di rumore sia di natura bioelettrica, sia di natura comportamentale dei soggetti come per esempio il moto oppure il posizionamento remoto degli elettrodi. Grazie a questo front-end analogico è possibile collegare gli elettrodi al convertitore analogico/digitale senza ulteriori componenti e con un elevato livello di qualità e di affidabilità. Nel dispositivo vi sono due filtri passa alto a due poli che consentono l’eliminazione degli artefatti da movimento. Questo filtro si combina con l’amplificatore da strumentazione per ottenere elevati guadagni e filtraggio passa alto in un singolo stadio di amplificazione, con un considerevole risparmio di spazio e di costo. Il chip include anche un amplificatore disponibile ad essere configurato e interconnesso per realizzare ulteriori configurazioni di filtraggio passa basso a tre poli per specifiche problematiche di rumore, avendo la possibilità di selezionare le frequenze di taglio dei filtri. Un ulteriore amplificatore viene reso disponibile per la reiezione del rumore comune, come la realizzazione del drive di gamba destra (RLD). Oltre queste funzioni analogiche integrate, il chip mette a disposizione ancheuna serie di meccanismi di controllo del processo di elaborazione analogica del segnale come la funzione di “fast restore” che riduce la durata eccessiva dell’assestamento dei filtri passa alto in condizioni di rapidi transienti (per esempio il distacco di elettrodo), consentendo in tal modo anche un ripristino veloce del segnale.
Tutta questa funzionalità analogica in termini di singoli circuiti integrati richiede una scheda di consistenti dimensioni, mentre il chip AD8232 occupa un’area di solo 4 x 4 mm e consiste di un package di solo 20 pin.

Smart analog front-end

L’analog front-end, data la natura analogica dei segnali che tratta, è molto dipendente dall’applicazione e dalla natura dei segnali analogici che deve adattare. Non è quindi possibile pensare a una soluzione analog front-end universale o comunque capace di soddisfare la maggior parte delle applicazioni che si interfacciano verso il mondo dei segnali fisici. Il front-end analogico, pur basandosi generalmente su amplificatori di strumentazione e amplificatori operazionali generali, di fatto deve consentire di configurare circuiti analogici su misura per affrontare e risolvere le innumerevoli problematiche di qualità del segnale tipiche del dominio analogico. Un approccio interessante alla problematica dello sviluppo del front-end analogico per applicazioni di misura e controllo basati su sensori e attuatori, è quello dello Smart Analog di Renesas. Smart Analog è una tecnologia disponibile in una duplice versione, Ic ed Mcu. La prima è basata su un singolo chip, la seconda invece combina due chip (il chip Smart Analog con un chip di una Mcu, tutto incapsulato in un singolo package). La versione Smart Analog IC è fondamentalmente un insieme di tipologie di amplificatori (transimpedenza, non inverting, inverting, strumentazione, differenziale, sommatore) che possono essere configurati in accordo con le specifiche funzionali del front-end analogico per la specifica applicazione. La versione Smart Analog Mcu, mettendo insieme lo Smart Analog Ic con una Mcu realizza un ulteriore livello di integrazione che, oltre a rendere il front-end analogico direttamente compatibile con il sottosistema digitale che supporta l’applicazione di misura e controllo, consente anche un livello maggiore di configurazione dello Smart Analog IC e contemporanemente la connettività completa verso il sistema digitale. Un particolare vantaggio che deriva da questa soluzione di Renesas è la possibilità di riconfigurare il dispositivo “al volo”, cioè mentre il sistema è funzionante. Ciò consente di commutare da una configurazione di sensori a un’altra, eliminando completamente l’onerosa necessità di dedicare un front-end analogico ad ogni sensore. La Mcu integrata con lo Smart Analog IC consente anche di eseguire processi di calibrazione automatica sia al momento della produzione, sia in campo durante la vita dell’applicazione per compensare le derive parametriche dovute all’invecchiamento dei sensori. Il supporto di un ambiente di modellazione e progettazione dell’Afe basato su Smart Analog (applicativo per Pc) rende più semplice e produttiva la fase di sviluppo del front-end analogico, anche grazie a una scheda di prototipazione rapida che si collega via Usb al Pc (host) e permette di collegare i sensori attraverso lo Smart Analog IC e la Mcu.

Analog front-end per sensori

La progettazione del front-end analogico per i sensori è molto impegnativo sia dal punto di vista temporale, sia dal punto di vista delle prestazioni da ottenere. La disponibilità di specifiche soluzioni on-chip del front-end analogico è particolarmente attrattivo per lo sviluppatore in quanto gli consente di spostare le i suoi sforzi di sviluppo (soprattutto economici) verso la componente più creativa della progettazione.
Il front-end analogico per sensori LMP90100 di Texas Instruments è un chip altamente integrato e ad alta precisione (24 bit Sigma-Delta) per il condizionamento del segnale catturato tramite sensori. Oltre a digitalizzare il segnale a 24 bit, il chip contiene anche un amplificatore a guadagno programmabile e un multiplexer analogico ad alta impedenza completamente differenziale. Una peculiarità sta nel sistema continuo di calibrazione in background capace di operare sul guadagno e a qualsiasi data rate di uscita senza interruzione della catena di segnale. In tal modo egli errori di offset e di guadagno vengono eliminati, rendendo particolarmente affidabile il processo di acquisizione e controllo. Sempre in background il dispositivo esegue anche la diagnostica dei sensori, consentendo all’applicazione di sapere se ci sono condizioni di circuiti aperti o cortocircuiti, oppure di segnali fuori range. Ciò consente di agire in maniera automatica su queste condizioni di malfunzionamento, aumentando enormemente l’affidabilità del sistema. La possibilità di programmare due sorgenti di corrente, consente di implementare anche la componente di stimolo delle applicazioni basate sui sensori, oppure di eccitare sensori esterni, come per esempio i rivelatori di temperatura resistivi e i bridge sensor. Sono disponibili anche sette pin di natura general purpose I/O per interfacciarsi a Led e interruttori e per facilitare il controllo dei sensori ove ci sono barriere di isolamento. Texas Instruments rende disponibile anche un ambiente di sviluppo e progettazione rapida del front-end analogico specifico per i sensori, il webench Sensor Afe Designer. Questo è un ambiente di progettazione che consente di configurare i Sensor Afe IC selezionando i sensori, progettando e configurando la soluzione e scaricando i dati di configurazione direttamente sul analog front-end. In questo modo un’applicazione basata sui sensori che utilizza un analog front-end che normalmente richiede diverse schede e fino a 25 componenti, viene ricondotto a un singolo chip, risparmiando settimane e anche mesi di sviluppo e messa a punto dell’applicazione.

Piattaforma analog front-end intelligente

Intersil ha realizzato una Analog Sensor Front End Platform, un reference design che integra anche la recente innovativa piattaforma di computing Freedom di Freescale (Kinetis KL25Z). Il vantaggio dell’integrazione della scheda di prototipazione Freedom di Frescale in questo reference design sta nel poter controllare in tempo reale tutto il processo di acquisizione e di poter utilizzare un computer host per visualizzare e controllare via Usb, senza essere invasivi, il processo di acquisizione e di controllo. L’intera piattaforma rappresenta quindi un ottimo sistema di prototipazione rapida del front-end analogico che consente anche di scegliere in maniera opportuna la componentistica di condizionamento del segnale più adatta all’applicazione. Per esempio, per la progettazione del analog-front end di una termocoppia a giunzione fredda, viene utilizzato un amplificatore ISL28134 zero drift, un riferimento di tensione ISL21090, un DCP ISL22317, il convertitore delta-sigma a 24 bit e il microcontrollore KL25Z che esegue il necessario firmware di controllo e di gestione dell’applicazione. Un altro esempio di front-end analogico intelligente è il chip Energy Meter 71M6545T/HT di Maxim Integrated che, oltre a integrare i dispositivi isolati di sensing della corrente 716xxx e la tecnologia single converter a 22 bit delta-sigma, integra un computation engine a 32 bit per implementare il firmware di esecuzione delle funzioni di misura e un microcontrollore 8051-compatibile programmabile dall’utente. Le funzioni di misura sono accessibili dall’esterno attraverso un’interfaccia Spi oppure una Mpu embedded.

Front-end analogico per applicazioni medicali

Il medicale professionale e consumer, sono settori in cui il front-end analogico è particolarmente importante per il successo dell’applicazione, sia per la natura bioelettrica del segnale, sia per il fatto che l’applicazione riguarda direttamente il corpo di un essere umano. Allo stesso tempo, la strumentazione medicale non assistita come quella self-service oppure quella consumer impongono al front-end analogico di essere robusto relativamente alla cattura del segnale bioelettrico in condizioni non assistite e possibilmente non invasive. Freescale ha sviluppato una Heathcare Analog-Front End Reference Platform che consente di sviluppare in maniera rapida applicazioni medicali utilizzando hardware e firmware pronto ad essere integrato in un’applicazione medicale. Il punto centrale di questa piattaforma di sviluppo sono i front-end analogici, progettati per specifiche applicazioni medicali: per l’elettrocardiogramma, per il pulse oximeter, misuratore di glucosio, misuratore di pressione del sangue, spirometro, stetoscopio ad ultrasuoni. Ogni front end-analogico è direttamente collegabile al relativo sensore, essendo ogni Afe progettato specificamente per la natura del segnale catturato dal sensore stesso. Il front-end analogico è anche progettato per connettersi direttamente al microcontrollore. In questa piattaforma di sviluppo viene utilizzato il microcontrollore Kinetis K53, una Mcu ad architettura Arm Cortex M4 dotata di istruzioni Dsp a singolo ciclo e bassissimo consumo (fino a un minimo di 200 microAmpere per MHz). La specificità di questa Mcu è che, oltre ad essere adatta al signal processing digitale, è adatta anche a condizionare a livello analogico e mixed signal dei segnali che arrivano dal front-end analogico. Il K53 contiene infatti un analog measurement engine che consiste di una serie di amplificatori operazionali integrati e di transimpedenza, mentre la parte di mixed-signal consiste di un convertitore analogico-digitale e di un convertitore digitale-analogico ad alta risoluzione. Accanto a queste risorse analogiche e mixed signal la Mcu dispone di un’ampia serie di periferiche digitali che consentono di realizzare ad alto livello sia l’interfaccia uomo-macchina, sia il necessario livello di comunicazione e di connettività.

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