Il mondo fisico, da cui deriviamo la maggior parte dell’informazione per la vita quotidiana, è fondamentalmente analogico. Allo stesso tempo i sistemi di elaborazione delle informazioni sono sempre più di natura digitale. L’interazione con il mondo fisico esterno necessitata quindi di dispositivi di misura delle informazioni (sensori) e di adattatori verso i sistemi di elaborazione digitale delle informazioni (convertitori analogico/digitale). Tra sensori e convertitori analogico/digitale è necessaria una più o meno complessa circuiteria analogica che consenta di adattare in maniera ottimale la funzionalità del sensore alle specifiche funzionali del convertitore, in particolare amplificazione e condizionamento (filtraggio, rimozione dell’offset, ecc.). Oltre a questi aspetti più strettamente di natura elettronica, l’adattamento del sensore (analogico) ai sistemi digitali implica la soluzione di problematiche specifiche delle applicazioni, di come la tollerabilità degli artefatti, la rumorosità più o meno elevata dei processi fisici, il non sincronismo tra processo analogico e processo digitale, ecc. Questa circuiteria analogica tra sensore e convertitore analogico/digitale, diventata progressivamente sempre più complessa, a elevata integrazione, con una connotazione di natura sistemistica e viene ormai comunemente chiamata “Front-end analogico”, brevemente Afe. L’Afe è un sistema che integra tutta la tecnologia analogica necessaria per ottenere l’interfacciamento ottimale verso il convertitore analogico/digitale. Questo interfacciamento fondamentalmente riguarda l’adattamento del segnale analogico catturato dal sensore alle specifiche funzionali del convertitore analogico/digitale relativamente alla dinamica d’ampiezza (amplificazione) e alla banda frequenziale (filtraggio anti-aliasing), cioè relativamente ai principi del campionamento dei segnali analogici. Di fatto però l’Afe esegue un complesso di elaborazioni del segnale analogico, genericamente denominate “condizionamento”, la maggior parte delle quali strettamente dipendenti dall’applicazione e dalla natura del sensore. Le applicazioni basate sull’informazione di segnale richiedono che il segnale sia immune dal rumore, con un rapporto segnale/rumore adeguato alla natura dell’applicazione stessa. Per esempio, nelle applicazioni basate sulla misura dei biopotenziali (per esempio ECG, Eeg, Emg, ecc.) il segnale catturato dal sensore (elettrodi) è di natura differenziale e quindi necessita di un sofisticato sistema di conversione da differenziale a unipolare e di un potenziale di riferimento. Un altro tipico problema è quello dei segnali dell’ordine dei microvolt, quindi che necessitano di amplificazioni particolarmente elevate (dell’ordine di 1000x). Questi livelli di amplificazione sono particolarmente critici e necessitano di amplificatori speciali ad elevata precisione (amplificatori di strumentazione). Altri dispositivi elettronici analogici posso risolvere varie problematiche specifiche di adattamento al convertitore analogico-digitale. L’evoluzione della tecnologia di integrazione microelettronica della componentistica analogica ha comportato un’evoluzione degli Afe dal punto di vista sistemistico. Essendo il sistema di acquisizione dati analogici sotto il controllo del sistema digitale, gli Afe integrano anche la componentistica mixed-signal necessaria al controllo (per esempio i convertitori digitale/analogico, i multiplexer analogici, i generatori di tensioni di rifermento, ecc.). Tale componentistica di controllo mixed-signal a sua volta necessita di circuiteria di interfaccia digitale verso host (microcontrollore), di solito interfaccia seriale wired (Spi, I2C, ecc.) oppure wireless (Bluetooth, Nfc, ecc.). Questo livello di complessità degli Afe ha portato alla realizzazione di Afe System-on-Chip, rendendo disponibile in un solo chip tutta la funzionalità dell’Afe, inclusa, oltre alla circuiteria analogica, anche quella mixed signal (A/D e D/A) e quella digitale (interfaccia host).
Afe per applicazioni biomedicali
Gli Afe per segnali bioelettrici consentono la cattura del segnale bioelettrico dal corpo umano per implementazioni medicali sia di natura professionale, sia di natura consumer. La problematica della cattura del segnale bioelettrico è abbastanza complessa sia perché i segnali sono molto piccoli, sia perché il segnale bioelettrico è di natura differenziale, affetto da artefatti e da rumore di ampia intensità. In alcuni casi si tratta di segnali di pochi microvolt (potenziali evocati) immersi in rumori dell’ordine delle decine di microvolt. Altri aspetti problematici sono gli artefatti, in particolare nelle applicazioni di natura elettrocardiografica) determinati da rigidità muscolare del soggetto, da contrazioni involontarie, dalla presenza di fonti elettriche che producono interferenza elettrica o elettromagnetica, applicazione non perfetta o completo distacco dell’elettrodo, ecc. Tutte queste problematiche devono essere risolte nel dominio di elaborazione analogico prima della conversione analogico/digitale al fine di ottenere una misura effettiva del segnale bioelettrico. Particolarmente problematiche pongono le applicazioni indossabili basate sulla cattura ed elaborazione dei segnali biolettrici (per esempio le applicazioni di e-health) in condizioni non assistite e non collaborative, quindi soggette ad elevati livelli di artefatti e di rumore. L’Afe AD8232 di Analog Devices è un esempio di elevata integrazione di funzionalità analogiche finalizzate all’interfacciamento di elettrodi per la cattura del segnale bioelettrico al sottosistema di conversione analogico/digitale in applicazioni indossabili di monitoraggio del ritmo cardiaco. L’Afe AD8232, oltre a integrare un amplificatore di strumentazione, integra anche la funzionalità per la rilevazione del distacco dell’elettrodo, il ripristino rapido del segnale, del drive della gamba destra (riferimento) e per la configurazione di filtri che consentono di ridurre gli artefatti dovuti al movimento. Un altro importante aspetto di ottimizzazione di sistema è il modello energetico, inteso a semplificare e a ottimizzare il livello di embedding delle applicazioni, basato sulla singola alimentazione e solo 175 microAmpere di consumo.
Afe per la comunicazione
La comununicazione è uno dei campi applicativi in cui i requisiti applicativi sono molto condizionati dall’efficienza del front-end analogico nella capacità di condizionamento del segnale. Un caso particolarmente importante sono le applicazioni di comunicazione di natura wireless ove le dimensioni dell’antenna è tale da rendere difficoltoso soddisfare i requisiti degli standard di comunicazione. ams ha recentemente introdotto, relativamente alle applicazioni di reader-tag communication, il dispositivo AS3922, un tag analog front-end che consente l’operatività Nfc su microSD, Sim e altri carrier device di dimensioni tali che non consentono di implementare una external boost antenna. Questo Afe integra la tecnologia Active Boost di ams, emulando un tag ISO14443A/B attraverso la trasmissione attiva della risposta del tag in sincronismo con il campo portante del lettore, ovviando alla difficoltà dell’uso del carico passivo di modulazione tipico dei dispositivi dotati di antenne molto piccoli e operanti in ambienti severi. Grazie a questa soluzione Afe, le applicazioni Nfc basate su Sim e microSD che necessitano di una poco pratica antenna esterna booster, possono diventare completamente integrate e quindi non invasive rispetto al sistema che le deve ospitare, per esempio smartphone che non dispongono di tecnologia Nfc, ma che dispongono comunque di slot microSD, SD e/o SIM.
Afe per l’imaging
I sistemi di imaging si basano su sensori di immagini che catturano il segnale ottico perché questo possa essere digitalizzato e processato da un sistema di elaborazione numerica delle immagini in applicazioni di image processing. Tale sistema richiede tre fondamentali sottosistemi, il sensore di immagini, l’analog front-end e il convertitore analogico digitale. In questa catena di segnale, l’Afe svolge un ruolo fondamentale per garantire i requisiti applicativi di velocità, di alta risoluzione, di rumore e di non linearità. In particolare, la linearità dell’Afe è molto importante nei sistemi di imaging in quanto direttamente influisce sulla gamma dinamica (la gamma dinamica viene determinata dal confronto tra il massimo segnale che può essere processato e il minimo segnale risolvibile. Un esempio emblematico di quanto possa essere sofisticata la problematica dell’elaborazione analogica del segnale all’interno di un Afe per applicazioni di imaging è il pixel-rate gain adjustment. Questa è una problematica legata al fatto che un pixel in un sensore Ccd (Charge Coupled Devices) non è intrinsecamente in grado di distinguere tra i colori. Per poter distinguere i colori della luce entrante in sensore è necessario un set di filtri di colore per ogni pixel dell’array del Ccd. Analog Devices ha realizzato un Afe che utilizza la tecnologia PxGA (Pixel-rate-gain-amplifier) per commutare individualmente i coefficienti di guadagno nella Vga alla frequenza di pixel. AD9841 e AD9842 sono Afe a 10 e 12 bit operanti a 20 MHz che implementano completamente tutte le funzionalità di elaborazione analogica di condizionamento del segnale prima della conversione digitale/analogico utile alla elaborazione Dsp.
Afe per powerline communication
Varie sono le applicazioni che devono essere interfacciate verso segnali con caratteristiche elettriche molto differenti da quelle tipiche dei sistemi digitali di elaborazione o di controllo come per esempio le MCU. In questi casi il ruolo del front-end analogico è quello di adattare tali caratteristiche elettriche in modo da essere compatibili con l’elettronica digitale. Per esempio la comunicazione basata sulla rete elettrica (powerline communication) necessita di una circuiteria analogica di adattamento del segnale elettrico di potenza al sistema di conversione analogico-digitale e digitale analogico in modo da poter estrarre, tramite elaborazione digitale, le informazioni in ricezione e di caricare quelle in trasmissione. Maxim Integrated ha realizzato il dispositivo Afe ad elevata integrazione, MAX2981, per applicazioni di powerline communication che combina su un solo chip un convertitore analogico-digitale (10 bit, 50 Msps), un convertitore digitale-analogico (10 bit, 50 Msps) , un sistema di controllo adattivo automatico da 56 dB del guadagno, una serie di filtri e line driver. Grazie a questo livello di integrazione questo Afe consente di ridurre la quantità di componenti richiesti per l’implementazione dello standard HomePlug. 1.0.
Afe per il monitoraggio delle batterie
La funzionalità di molti sistemi dipende dall’efficienza delle batterie che li alimentano. Quando le batterie non funzionano correttamente portano ad un funzionamento non corretto del sistema e in applicazioni critiche come quelle automotive possono portare a malfunzionamenti inaccettabili. Il monitoraggio delle batterie principali e di backup implica l’implementazione di una specifica interfaccia analogica tra i sensori e il sistema di controllo digitale. Freescale ha realizzato il dispositivo Afe a elevata integrazione MM9Z1J638 per la predizione anticipata dei guasti delle batterie. Questo Afe realizza su singolo chip il livello sensoriale e analogico (tre canali di misura analogica, tre Adc sigma-delta a 16 bit) necessario al monitoraggio della funzionalità delle batterie, una Mcu dotata di 128 kbyte di memoria Flash, 8 kbyte di memoria Ram e di 4 kbyte di memoria Eeprom. Inoltre il chip integra il modulo di comunicazione Can e l’interfaccia Lin. L’Afe ad elevata integrazione MM9Z1J638 di Freescale permette di implementare un sistema completo di predizione dei guasti delle batterie in applicazioni automotive.
