Analogici, verso l’elevata integrazione

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Nello scenario dell’innovazione dei sistemi elettronici, la componente analogica e mixed-signal ha progressivamente acquisito un ruolo sempre più importante, fino a quanto quello della componente digitale. La ragione di questo ruolo crescente è dovuta soprattutto all’interfacciamento dei sistemi digitali verso il mondo reale. A differenza della componente digitale del sistema, la componente analogica e quella mixed-signal non si basano su modelli predefiniti ma, per ogni tipo di applicazione, vanno opportunamente ridefinite. L’enorme varietà di interfacciamento verso il mondo fisico richiede di conseguenza un continuo sviluppo di componenti innovativi che consentano di soddisfare in maniera effettiva i requisiti di prestazione e di fattibilità. Comunque la componente analogica e quella digitale non sono indipendenti tra loro e di conseguenza, una componente intermedia, quella cosiddetta mixed-signal, svolge l’importantissimo ruolo di integrazione tra i due contesti. E proprio l’integrazione che consente all’analogica di innovarsi attraverso nuove soluzioni come il System-on-Chip o il System-on-Package, tecnologie che consentono di ottenere dispositivi analogici particolarmente avanzati, energy efficient e di ridotte dimensioni.
I componenti mixed-signal sono la dimostrazione di come la componentistica analogica può utilizzare la componentistica digitale per pervenire a soluzioni che permettono di risolvere in maniera ottimale problematiche complesse di natura analogica. Un caso emblematico è la conversione analogico/digitale e la conversione digitale/analogico. La tecnologia digitale ha consentito di implementare la modalità del sovracampionamento, minimizzando i requisiti di precisione della componentistica analogica, dando vita alla classe di convertitori delta-sigma, che attualmente rappresentano la soluzioni ottimale e più facilmente integrabile di conversione per la totalità delle applicazioni di telefonia cellulare. Questa innovazione dell’analogica basata sull’integrazione con il digitale non riguarda solo i convertitori, ma anche altri sottosistemi come i sensori e i front-end analogici. Anche se la strategia che ha spostato sul digitale la risoluzione dei problemi di elaborazione del segnale si è dimostrata effettiva in una fase in cui la complessità delle applicazioni caratterizzate da interazione con il mondo fisico era bassa, ora questo approccio non è più vantaggioso. Il preprocessing del segnale nel dominio analogico è ora un passaggio obbligato al fine di ridurre la complessità del sistema finale, considerando che la componentistica analogica, proprio per la sua natura, riduce enormemente la complessità di sistema se comparata a quella digitale, a parità di problematica. Il preprocessing sposta dunque sull’analogica la complessità computazionale del trattamento del segnale, e di conseguenza salgono i requisiti di precisione che si impongono per l’analogica. Afe, convertitori A/D e D/A, sensori, radio front-end sono i principali componenti analogici alla base di sistemi sempre più complessi e con requisiti funzionali sempre più stringenti, tra cui il consumo di potenza elettrica e l’immunità al rumore (soprattutto quello di interferenza).


Mixed-signal sensoriale ad altissima integrazione
Il modulo ADPD174GGI di Analog Devices è un esempio di soluzione ad alta integrazione per applicazioni medicali professionali e consumer ove la componente analogica, oltre ad essere application-specific, è anche particolarmente complessa e caratterizzata da requisiti che solo tramite l’elevata integrazione possono essere adeguatamente soddisfatti. L’ADPD174GGI è infatti un sistema completo e integrato per applicazioni di photoplethysmografia, cioè di cattura ottica di informazioni relative al sistema cardiaco e circolatorio del sangue. Il modulo integra un rivelatore ottico di 1.1 mm2, tre Led e un sistema fotometrico, basato su un fotodiodo, realizzato in modaltà mixed-signal e tecnologia Asic. Due Led emettono luce verde e il terzo Led luce infrarosso. L’Asic include anche un blocco analogico di signal processing, un Adc, un blocco digitale di signal processing, una interfaccia di comunicazione I2C e tre sorgenti di corrente programmabili per i Led. La circuiteria di controllo eccita i Led in intervalli di tempo separati e misura il segnale di ritorno come dati separati memorizzandoli in registri o buffer di memoria Fifo. L’elevata integrazione di tale dispositivo consente a questo di operare in maniera efficiente in condizioni in cui il controllo della luminosità è scarso, ottenendo in tal modo un elevato rapporto segnale/rumore anche in condizioni di bassa potenza di emissione dei Led. Il modulo integra un fotodiodo deep junction di piccolissime dimensioni (1,2 mm2) di superficie per la funzione sensoriale e due Led di emissione di luce verde a 525 nm di lunghezza d’onda e un Led a luce infrarosso a 850 nm. Il modulo può pilotare direttamente anche Led esterni.
Un altro esempio di integrazione ad elevata densità di funzionalità analogica sensoriale e mixed-signal è il Grid-Eye di Panasonic, un array (8 x 8) di sensori di infrarosso in tecnologia Mems, combinato con un Asic digitale e un set di lenti su silicio. Il dispositivo implementa tutta la catena di digitalizzazione del segnale termico, dall’array di sensori (64 pixel), all’amplificazione analogica, alla conversione analogico/digitale, alla correzione della sensibilità e degli effetti della temperatura. Tutto incapsulato in un package ceramico che tiene insieme i vari moduli in una dimensione ridottissima (11,6 x 8 x 4,3 mm).

Analogica programmabile
La metodologica Fpga può essere applicata vantaggiosamente anche alla componentistica analogica sia per aumentare il livello di integrazione, sia per conferirgli le peculiarità della programmabilità tipiche delle logiche digitali. Un esempio di tale tecnologia viene da Maxim Integrated con il dispositivo MAX11300. Questo dispositivo implementa nel dominio analogico la metodologia Fpga tipica del dominio digitale. MAX11300 consiste di un convertitore analogico-digitale multicanale a 12 bit e di un convertitore digitale-analogico bufferizzato multicanale a 12 bit. Connesse a questi convertitori vi sono 20 porte bipolari di natura mixed-signal e programmabili sia come porta di ingresso analogica (Adc), sia come porta di uscita analogica (Dac), sia come generica porta di ingresso o di uscita. Altri componenti analogici, come una serie di sensori di temperatura interna ed esterna, completano questo dispositivo in un contesto di programmabilità tipo Fpga tramite un microprocessore host che trasferisce al dispositivo un codice di configurazione e di sequenzializzazione operativa. Pur essendo controllato da una Mcu host, il MAX11300, una volta configurato funziona indipendentemente dal microcontrollore. Ciò consente al dispositivo di eseguire il processo di elaborazione analogico del segnale e la relativa gestione digitale in maniera autonoma e soprattutto deterministica.

Front-end analogici
I front-end analogici rappresentano un’altra importante area di integrazione tra l’analogica e il digitale. Quest’area applicativa continua a crescere in importanza a seguito della crescente varietà e complessità delle applicazioni che fanno riferimento a informazioni di natura fisica piuttosto che logica. Il condizionamento del segnale per l’acquisizione delle informazioni dal mondo fisico richiede componentistica analogica specifica e anche molto complessa. Il fattore di integrazione su singolo chip diventa determinante al fine di rendere effettiva l’applicazione. Smart Analog IC500 di Renesas è un esempio di approccio alla problematica dello sviluppo di front-end analogici in accordo con la filosofia di integrazione e programmabilità. Questo circuito integrato è un insieme di circuiti analogici programmabili tra cui un set di instrumentation amplifier dotati di comparatori, convertitori D/A, e sensori di temperatura che possono essere configurati per realizzare i front-end analogici necessari in applicazioni di controllo motore. Utilizzando una connessione Serial Peripheral Interface (SPI) è possibile controllare ognuno dei circuiti analogici on-chip, ottenendo in tal modo configurazioni di funzionalità analogica cui collegare i sensori. Tale soluzione consente di contenere in maniera significativa le dimensioni e di fruire di una elevata flessibilità nella progettazione. La riduzione del ciclo di sviluppo è uno dei principali vantaggi offerti da questo tipo di soluzione analogica. Ciò viene ottenuto grazie alla programmabilità e a un ambiente di sviluppo di natura grafica per la configurazione dei sensori.
Un altro esempio di single chip Afe, in questo caso orientato alle applicazioni biomedicali professionali e consumer, è il chip AD8232 di Analog Devices. Questo circuito integrato contiene una serie di dispositivi analogici di base per la configurazione ottimale della catena di condizionamento necessaria per connettere i contatti ad elettrodo utilizzati per acquisire il segnale biolettrico dell’attività cardiaca per renderlo disponibile alla circuiteria mixed-signal per la conversione analogica/digitale e quindi all’application processor. Opportunamente configurati, gli instrumentation amplifier consentono di amplificare in presenza di elevato rumore potenziali elettrici di bassissima intensità. L’AD8232 consente di implementare fitri a due poli passa altro per eliminare artefatti come quelli generati dal movimento. Altri amplificatori operazionali on-chip consentono di implementare filtri passa basso per rimuovere altre fonti di rumore particolarmente insidiose in applicazioni di natura consumer. Il circuito integrato è a bassissimo consumo e di ridottissime dimensioni, solo 4 x 4 mm in un package di 20 pin (LFCSP).

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