Il timing di silicio diventa intelligente

IC ANALOGICI –

L’avvento di una nuova classe di dispositivi di temporizzazione basati sulla tecnologia dell’oscillatore sul silicio sta modificando il panorama della temporizzazione.

A volte nell’elettronica i cicli di vita sono talmente brevi da non lasciare nemmeno il tempo di appassionarsi a una tecnologia. Questo però non vale per il vecchio circuito RC che da decenni continua a essere un elemento di temporizzazione molto diffuso. Basti pensare alla popolarità del timer 555 che fu inventato quasi 40 anni fa e si basa su un basato sulla RC; sul mercato ne sono arrivate nuove versioni anche negli ultimi anni. Ma non c’è solo il timer 555; molti dispositivi integrati si affidano a un circuito RC per la temporizzazione perché ha sempre rappresentato la scelta più semplice, flessibile e programmabile. Ma, a prescindere dall’uso a cui è destinato, questo tipo di circuito comporta una serie di limiti importanti. Questa situazione sta tuttavia cambiando con l’avvento di una nuova classe di dispositivi di temporizzazione basati sulla tecnologia dell’oscillatore sul silicio. Forse il circuito elettronico più semplice e diffuso è il resistore, in serie con un condensatore, collegato a terra. Applicando una tensione sul resistore in serie al condensatore la tensione su quest’ultimo mostra una risposta esponenziale: VC = VR (1 – e-t/T) e, mettendo a terra il resistore, la tensione sul condensatore mostra una risposta esponenziale simile : VC = VINITIAL (e-t/T). Questa semplice risposta prevedibile rende questo circuito la soluzione ideale per filtrare il rumore, rallentare i fronti dei segnali veloci, proteggere gli ingressi del dispositivo, evitare ‘race condition’ e altri innumerevoli problemi di temporizzazione. Anche senza l’aggiunta di un solo resistore o condensatore, questo circuito è spesso presente grazie alla resistenza nelle tracce o nel cavo. Aggiungendo alcuni componenti, le caratteristiche prevedibili di carica e scarica del circuito RC possono essere usate come elemento di temporizzazione elettronico. Un’interessante funzione prevede che questo circuito possa essere utilizzato per impostare la temporizzazione di una risposta sia monostabile che astabile. Con il funzionamento monostabile, un circuito apre l’interruttore, il condensatore si carica e il comparatore ripristina l’uscita quando il condensatore arriva a 2 V. Il funzionamento monostabile consente la temporizzazione asincrona, ad esempio per avviare o interrompere una sequenza o ritardare un evento. Con il funzionamento astabile, il feedback cambia continuamente la direzione di carica e scarica del condensatore, mantenendo la sua tensione entro un range fisso (1 e 2 V, in questo esempio). Il risultato è un treno d’impulsi continuo, o oscillatore, finché il circuito rimane attivo.

La giusta combinazione
La possibilità di programmare la frequenza e il tempo è una caratteristica fondamentale del circuito RC; è compito del progettista trovare la giusta combinazione di resistore e condensatore. Esistono condensatori di diverse dimensioni e vario tipo, anche se presentano alcuni pro e contro in termini di precisione, dimensioni e costi. La tolleranza migliore è 1-2%, usando condensatori NP0/COG. Ma, dato che questi condensatori sono limitati a meno di un microfarad e poi diventano alquanto costosi, è probabile che il progettista si accontenti di una tolleranza del 5% o peggiore che è tipica di altri tipi di condensatore. Per capacità molto piccole, il progettista deve tener conto dell’errore derivante da capacità parassite o di gate. Ad esempio, pochi picofarad di capacità sugli ingressi del condensatore comportano un errore dell’1%. Oltre a questi problemi, esistono altre fonti potenziali di errore come la Esr, il coefficiente di temperatura e la corrente di dispersione. Considerati tutti i problemi relativi al condensatore, può sembrare una buona idea integrare un condensatore RC nel semiconduttore. Ma dato che i condensatori basati su semiconduttore precisi richiedono un ingombro del die e un trimming notevoli, la soluzione diventa costosa, anche integrando una capacità molto contenuta. A causa del limite sul range RC e ai costi maggiori, questa non è un’alternativa diffusa tra i dispositivi con circuito RC ed è probabile che il problema del condensatore esterno non venga mai risolto. Considerati i limiti pratici dei condensatori, la scelta del resistore diventa fondamentale, ma anche questo presenta dei limiti. Una resistenza molto piccola nel circuito RC influisce sul consumo energetico perché nel resistore viene sprecata parecchia energia.  Dall’altro lato, le correnti di dispersione superficiali e di polarizzazione in ingresso metterebbero un limite alla resistenza massima. Con pochi nanoampere di corrente parassita o di polarizzazione, più di 10 MW mostrano un errore notevole a causa di queste correnti. Ammesso che siano disponibili resistori e condensatori adeguati, esiste un’altra importante fonte di errore nel circuito RC dovuta alla risposta non lineare della curva di carica e scarica. Qualsiasi errore di soglia del comparatore è amplificato di un fattore di >2,5 nella risposta di temporizzazione. Ad esempio, gli errori di soglia del comparatore di ±2% comportano un errore di temporizzazione di circa ±5,4%  . Con il funzionamento astabile, questo problema, oltre a presentarsi come un errore di frequenza, crea un errore di duty cycle.

I vantaggi della programmabilità
Uno dei vantaggi della programmabilità è la capacità di implementare la modulazione con controllo della tensione, la modulazione della larghezza di impulso, la modulazione d’impulsi in durata e altri tipi di controllo dinamico del tempo e della frequenza. È lungo l’elenco delle applicazioni che hanno bisogno di questa funzionalità: generazione di segnali acustici, controllo riscaldamento, controllo motore, generazione di impulsi, ecc. L’esigenza è messa in evidenza dall’enorme numero di pagine web, libri, articoli e note dedicati a queste applicazioni implementate con dispositivi basati su 555 o circuiti RC. A prescindere che si tratti di un timer 555 o di un altro dispositivo, l’implementazione con un circuito RC prevede la regolazione della tensione di soglia del comparatore o della curva di risposta RC. La regolazione delle soglie del comparatore è piena di errori, come dimostrato sopra. L’implementazione più semplice del controllo richiede l’uso di potenziometri o condensatori variabili per regolare il tempo RC. In pratica, la maggior parte delle implementazioni comporta l’uso di altri circuiti, ad esempio reti di feedback a loop chiuso, per compensare le numerosi fonti di errore. In pratica, il fatto che ogni nuova generazione di elettronica ponesse requisiti sempre maggiori in termini di precisione, potenza e dimensioni ha messo in evidenza i limiti intrinseci del circuito RC. In genere questi circuiti non funzionano sopra 1 MHz, sono imprecisi, consumano molta energia e possono essere più costosi di quanto sembrino, soprattutto quando si fa di tutto per migliorarne la funzionalità o le prestazioni. L’approccio alternativo tradizionale per i circuiti di temporizzazione prevede l’uso di un oscillatore a cristallo a frequenza fissa. Per aggiungere funzioni di programmabilità o asincrono, occorrono altri circuiti. A prescindere che si utilizzino componenti discreti o si decida di programmare un microcontrollore, le applicazioni di temporizzazioni semplici finiscono per diventare progetti complessi e rigidi; una prospettiva per niente interessante per molte applicazioni. Con gli oscillatori di silicio il timer basato su RC ha qualche possibilità di riuscire a competere.

Gli oscillatori di silicio
Gli oscillatori di silicio sono dispositivi a stato solido che usano un servo loop a frequenza bloccata controllato da corrente. La corrente di controllo della frequenza può essere impostata con un solo resistore, e l’architettura programmabile consente anche il funzionamento monostabile. Grazie all’oscillatore di silicio usato come “motore di temporizzazione” base al posto di un circuito RC, i nuovi dispositivi possono offrire un approccio alla temporizzazione più semplice, flessibile e programmabile. Gli oscillatori di silicio, che non si basano su elementi risonanti meccanici e sono realizzati con tecnologia Cmos standard, offrono un’elevata immunità agli urti, alle vibrazioni e all’usura, il che significa che possono essere dotati di altre funzionalità, ad esempio programmabilità della frequenza, uscite multifase, modulazione di frequenza ad ampio spettro e circuiti di avviamento intelligenti. Gli oscillatori di silicio funzionano in un range compreso tra 10 kHz e 170 MHz che può essere esteso a frequenze bassissime utilizzando partitori integrati. La precisione e il consumo energetico degli oscillatori di silicio sono eccezionali. Ad esempio, l’LTC6906 di Linear Technology ha una precisione maggiore del 99% in un range da 10 kHz a 1 MHz e consuma meno di 80 uA.

I dispositivi TimerBlox
Di recente Linear Technology ha presentato una nuova famiglia di oscillatori di silicio basati su dispositivi di temporizzazione, denominata TimerBlox. Questi dispositivi sono dotati di circuiti intelligenti e offrono 5 funzioni di temporizzazione di base: oscillatore controllato in tensione, clock a frequenza bassissima per temporizzazione di lunga durata, oscillatore Pwm, generatore di impulsi one-shot e blocco di ritardo. Queste parti insieme coprono un range operativo compreso tra 29 uHz (9,5 ore) e 2 MHz con una precisione tipica di frequenza e tempo del 98% o superiore. I prodotti TimerBlox offrono 8 range operativi di frequenza/tempo diversi, selezionabili con un partitore resistivo semplice. Dopo aver selezionato questo range, l’utilizzatore imposta la frequenza o il tempo esatti con un solo resistore tra 25 kW e 800 kW. Questa architettura consente ai prodotti TimerBlox di coprire un ampio range di funzionamento, con un influenza minima delle dimensioni del resistore sulla precisione o sul consumo energetico (le correnti parassita e il consumo mediante la corrente impostata sono trascurabili). I dispositivi TimerBlox funzionano con tensioni comprese tra 2,25 e 5,5 V, correnti comprese tra 60 µA e 250 µA, inoltre offrono un avvio preciso e veloce al primo ciclo. La funzionalità di fornire o assorbire 20 mA permette di pilotare direttamente gli optoisolatori e i trasformatori per l’isolamento elettrico. I prodotti TimerBlox sono disponibili in package SOT23 e Dfn specifici per il funzionamento con temperature comprese tra -40 e 125°C. Grazie a tutte queste caratteristiche la famiglia TimerBlox può offrire la soluzione di temporizzazione più semplice, flessibile e programmabile, evitando l’eventualità di dover usare un circuito RC per creare un timer o un orologio. A questo punto è possibile ridimensionare il ruolo del circuito RC che non sarà più l’unico dispositivo a saper affrontare “grandi problemi di temporizzazione”.

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