Oltre l’analogica

Qualsiasi prodotto elettronico, soprattutto se di natura consumer, dagli smartphone alle lavatrici, ha un contenuto in elettronica analogica integrata paragonabile a quello digitale. Ma la caratteristica fondamentale dei circuiti integrati analogici è di essere fondamentali per il funzionamento di quelli digitali, e di avere un ciclo di vita molto più lungo, dell’ordine dei 40 anni, e una durata nel tempo nemmeno lontanamente ipotizzabile per un circuito digitale. IC analogici icone di questa longevità sono il mitico amplificatore operazionale µA709 di Fairchild creato da Robert Widlar nel 1965 e successivamente riproposto in versione integrata da National Semiconductors come LM10 nel 1976. Un altro circuito integrato analogico di enorme popolarità e durata nel tempo è il temporizzatore NE555 prodotto da Signaetics nel 1971 e tutt’ora prodotto e utilizzato in volumi. L’emergere di nuove aree applicative dell’elettronica come le Body area networks, l’optical imaging, e l’Internet of Things, sta spingendo oltre il prevedibile i requisiti di progettazione dei sistemi elettronici, con l’elettronica analogica integrata che svolge come è sempre avvenuto un ruolo importante e determinante del successo delle applicazioni elettroniche. I sistemi sono sempre più direttamente interfacciati verso il mondo fisico umano o ambientale, tramite sensori o altre modalità che richiedono un controllo elettronico sempre più analogico e meno digitale. Ecco dunque l’enorme sviluppo dell’elettronica analogica di interfaccia, i cosiddetti front-end analogici e dell’elettronica analogica di precisione con gli instrumentation amplifier.

Analogici da indossare

Analog Devices, oltre ad una grande vocazione per l’elettronica analogica classica si è impegnata nello sviluppo di tecnologia analogica per le applicazioni indossabili, quindi con requisiti di embedding molto avanzati, come le limitatissime dimensioni del package, il ridottissimo consumo di potenza, e l’elevatissima integrazione. Un esempio è il front-end analogico AD8233 , un sistema completamente integrato per le applicazioni di misura dei biopotenziali, in particolare quelli di natura Ecg, che consente di catturare, amplificare e filtrare biopotenziali di pochi microvolt in condizioni di elevato rumore determinato dal contatto poco stabile dell’elettrodo al corpo del soggetto sotto misura in tipiche applicazioni indossabili (contatti remoti o soggetto in movimento). L’AD8233 consente di fornire in maniera ottimale il segnale biolettrico al sottosistema mixed signal di un microcontrollore per renderlo disponibile in forma digitale all’applicazione. Implementa un filtro passa alto a due poli per il rigetto degli artefatti da movimento, sfruttando al meglio l’architettura analogica basata sugli intrumentation amplifier per ottenere un elevato guadagno e il filtraggio passa alto desiderato in un singolo stadio, ottimizzando in tal modo le dimensioni e il relativo costo di questa importante funzione di condizionamento del segnale. Grazie a un ulteriore amplificatore operazionale, non impegnato in altre configurazioni della catena di condizionamento, è possibile realizzare il filtro passa alto a tre poli, quindi maggiormente performante rispetto al due poli di base. Inoltre, per migliorare le prestazioni di common-mode rejection alle interferenze è disponibile nel dispositivo un amplificatore per applicazioni driven lead. La peculiarità dell’integrato analogico AD8233 sta soprattutto nell’implementazione on-chip di varie funzionalità di controllo del segnale analogico che diversamente dovrebbero essere implementate fuori dal chip, peggiorando in tal modo le caratteristiche di embedding del sistema finale. Per esempio, AD8233 implementa una funzione di fast restore per ridurre la durata delle lunghe code di assestamento dei filtri passa alto quando si manifestano variazioni brusche di segnale, tramite la modifica automatica della frequenza alta di taglio. Ciò significa la possibilità di ripristino rapido del segnale alle condizioni di misura e la possibilità di attivare subito le operazioni di misura subito dopo la connessione al soggetto (tipicamente le condizioni operative dei sistemi di misura dei biopotenziali tramite dispositivi indossabili). Le dimensioni dell’AD8233 sono millimetriche (2 × 1.7 mm e 0.5 mm di spessore) in un package di 20 contatti Wlcsp, con una corrente di alimentazione di solo 50 µA e una figura di rumore di 8,5 µA picco-picco. Un altro aspetto di sistema che l’elettronica analogica integrata può ottimizzare è quello funzionale. Per esempio, nel caso dei dispositivi indossabili per e-health, una problematica abbastanza importante è quella della connettività analogica. Spesso si tratta di contatti di superficie (epidermica) che non assicurano la migliore conducibilità elettrica. L’affidabilità del sistema in queste condizioni risulta molto bassa. L’elettronica integrata analogica può risolvere questo problema rendendo disponibile la connettività analogica ad alta impedenza, come per esempio consente il dispositivo AD8244 di Analog Devices, un buffer a guadagno unitario quadruplo con un’impedenza di ingresso di 10 TeraOhm, capace quindi di isolare sorgenti ad elevatissima impedenza dal resto della catena di segnale.

Analogici integrati ed energy harvesting

L’energy harvesting sta assumendo un ruolo sempre più importante in vari settori applicativi da quello medicale a quello industriale. Per esempio, la sicurezza degli impianti industriali dipende dall’efficienza di reti di sensori e questi necessitano di un sistema energetico autonomo ed efficiente. L’energy harvesting è la soluzione ottimale a ciò contribuiscono nuovi circuiti integrati analogici come per esempio MAX17710 di Maxim Integrated. In particolare questo integrato analogico può gestire sorgenti scarsamente regolate come tipicamente sono i dispositivi di harvesting energetico con livelli di output tra 1 µWatt e 100 milliWatt. Tale dispositivo dispone anche di circuito boost regulator per caricare la cella da una sorgente inferiore a 0,75 V. Le tensioni fornite ai dispositivi target vengono regolate utilizzando un regolatore lineare low-dropout regolabile. Il dispositivo è incapsulato in un package Utdfn di solo 3 x 3 x 0,5 mm di spessore e 12 pin, un formato che soddisfa bene anche i requisiti dei sistemi indossabili. Analog Devices ha sviluppato il circuito integrato analogico ADP5091/2 un ultra low-power energy harvester Pmu con Mppt e gestione della carica ideale in applicazioni portatili e wearable. L’ADP5091/2 è un dispositivo intelligente per la gestione della potenza elettrica che converte dallo stato continuo proveniente da celle PV o Teg per caricare dispositivi ricaricabili come le batterie Li-Ion, le batterie a film sottile, i supercondensatori e i condensatori convenzionali destinati ad alimentare applicazioni non dotate di batteria. La peculiarità di questi dispositivi è l’efficienza nella conversione di potenza. I sistemi di harvesting catturano quantità di potenza elettrica estremamente limitate, e il dispositivo AD5091/2 è capace di gestire range dai 6 microWatt ai 600 milliWatt con perdite di potenza inferiori al microWatt. Inoltre un controllo Mppt mantiene il ripple della tensione di ingresso in un range fisso per mantenere stabile la conversione Dc-Dc.

Il supercapacitore biologico

La bioelettronica analogica si sta sviluppando in accordo con le crescenti esigenze applicative in ambito di elettronica indossabile e inglobabile negli esseri viventi. Una delle principali esigenze applicative in questo ambito è la disponibilità di fonti energetiche autonome e compatibili con gli organismi biologici, in particolare gli esseri umani. Un aspetto è quello del recupero energetico dall’ambiente in cui è inserito il sistema elettronico applicativo (tipicamente una problematica di energy harvesting), l’altro aspetto è quello di accumulo dell’energia recuperata dall’ambiente circostante. Quest’ultima problematica è stata fino ad ora affrontata o in maniera classica con la tecnologia delle batterie al litio (button cell battery) di elevata capacità e piccolo ingombro, che comunque in alcune versioni più evolute ma non commercialmente disponibili, riescono a garantire una autonomina fino a 40 anni. I supercapacitori sono un’altra interessante alternativa alla disponibilità di energia accumulata. Anche per i supercapacitori sono stati ottenuti risultati molto interessanti sia in termini di capacità che in termini dimensionali. Ma batterie e supercapacitori non sono biocompatibili in quanto costituiti da elementi chimici altamente tossici e pericolosi per gli organismi viventi. Una interessante novità è emersa da una ricerca presso la University of California di Los Angeles e lUniversità del Connecticut dove è stato sviluppato un supercapacitore biologico, denominato Biosupercap, che utilizza particelle cariche come gli ioni presenti nei liquidi organici degli esseri viventi (siero del sangue e urina). La versione sperimentale è di dimensioni estremamente ridotte e si combina con sistemi biocompatibili di energy harvesting (body thermal harvesting, motion harvesting, ecc.). Questa soluzione biocompatibile di alimentazione dei sistemi elettronici rappresenta una vera rivoluzione nelle applicazioni di e-healt soprattutto per i sistemi di impianti intracorporei come per esempio i pacemaker che, periodicamente richiedono un intervento chirurgico per la sostituzione della batteria oppure che portano a complicazioni legate al deterioramento delle batterie.

Analogici programmabili

I circuiti integrati analogici sono sistemi ben differenti da quelli digitali e di conseguenza il paradigma della programmabilità si applica in maniera differente, ma con la stessa finalità: la flessibilità di progettazione. I circuiti integrati analogici svolgono prevalentemente funzioni di signal processing, quindi uno degli obiettivi è quello di ottenere con relativa flessibilità configurazioni di funzioni di signal processing analogiche. Un esempio di questa innovativo approccio all’elettronica integrata analogica sono gli Epad (Electrically Programmable Analog Devices) di Advanced Linear Devices. Intesi a soddisfare i requisiti applicativi in condizioni di basso voltaggio, bassa potenza, e circuiti lineari dove è necessario eseguire la regolazione dei parametri (trimming), tipicamente i circuiti basati sui sensori, ove la variabilità dei componenti e la variabilità dovuta al contesto applicativo (umidità, temperatura, ecc.), richiedono di intervenire in maniera flessibile sulla catena di elaborazione analogica al fine di ottenere le prestazioni ottimali. La regolazione elettronica è in questi casi applicativi l’unica soluzione effettiva per ottenere le prestazioni richieste dal sistema. Gli Epad sono una nuova classe di dispositivi analogici integrati Cmos Mosfet che con un’appropriata circuiteria dii programmazione consentono la regolazione (trimming) in-system della circuiteria analogica fino a 100.000 passi discreti con una risoluzione fino a 0,1 mV. Grazie a questa tecnologia si evitano i dispositivi meccanici di calibrazione e le relative imprecisioni.

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