• amplificatore chopper
• filtro gmC
• filtro passa basso

DESCRIZIONE

In molte applicazioni, c’è la necessità di misurare tensioni a bassa potenza, prodotte, ad esempio, da sensori integrati, che permettono, così, di rilevare ed analizzare fenomeni fisici di natura diversa. Per ottenere risultati attendibili, la catena di lettura per questo tipo di segnali (con basso livello di ampiezza e, spesso, con banda limitata a poche centinaia o decine di Hz) deve essere particolarmente curata. Ad esempio, la loro amplificazione risulta critica, per problemi connessi all’introduzione di un significativo livello di rumore da parte dell’amplificatore stesso. Tuttavia, non si può prescindere da questa operazione, utile per rendere i segnali facilmente trattabili da parte di successivi sistemi di condizionamento ed elaborazione.
Nel caso affrontato in questo lavoro di Tesi l’obiettivo è quello di misurare, con la maggiore accuratezza possibile, la portata relativa a bassi flussi di gas. Il sensore che si è pensato di impiegare è basato su un elemento riscaldatore e due termopile; nel momento in cui scorre il flusso da misurare, la distribuzione di calore prodotta dal riscaldatore viene sbilanciata e le due termopile, disposte simmetricamente rispetto al riscaldatore, tradurranno questo sbilanciamento sulla distribuzione di calore in una tensione differenziale. Il valore del segnale da risolvere è dell’ordine delle centinaia di µV con banda dalla continua a poche decine di Hz. L’amplificatore di lettura impiegato deve essere caratterizzato da particolari prestazioni, in termini di offset e di rumore a bassa frequenza ed inoltre gli stadi di filtraggio successivi sono critici in termini di distorsione introdotta sul segnale e capacità di reiezione dei disturbi fuori banda utile. L’idea è quella di integrare sul medesimo die di silicio sia il sensore, sia la catena di lettura. Il sistema completamente integrato consente compattezza, affidabilità (le interconnessioni sono difficilmente soggette a rotture), minore sensibilità ai disturbi esterni (grazie a collegamenti di lunghezze limitate). L’unica sostanziale difficoltà consiste nella disponibilità di un range ridotto di componenti passivi.
In questo lavoro di tesi, viene completata la progettazione della catena di lettura di segnale in tensione differenziale prelevato da una coppia di termopile, realizzando lo stadio di filtraggio &conversione del segnale e gli stadi di bufferizzazione seguenti, a valle dell’amplificatore di lettura, oggetto di un precedente lavoro di tesi. Inoltre, è stato ripreso il progetto di tale amplificatore e ne è stata eseguita una dettagliata caratterizzazione, necessaria, per poter, poi, realizzare un intervento su determinati parametri di progetto, al fine di migliorare le prestazioni complessive del sistema.
Il progetto è stato eseguito a mezzo dell’ausilio del simulatore elettrico “ELDO SPICE”, necessario sia in fase della definizione della topologia del circuito sia in fase del suo dimensionamento e caratterizzazione finale.

Il lavoro svolto in questa tesi, si articola in quattro capitoli:

- CAPITOLO 1: descrizione dei sensori termici (termocoppie e termopile), dei piezoresistori e dei sensori basati su effetto “Hall”. Soluzioni circuitali che consentono la lettura di tensioni basse (ponte di Wheatstone). Varie soluzioni possibili per la realizzazione di sensori di flusso. Studio delle possibili tecniche circuitali per la lettura di tensioni di basso valore con banda fino alla continua (stabilizzazione chopper, tecnica autozero, tecnica “Correlated Double Sampling”).
- CAPITOLO 2: possibili soluzioni progettuali per la realizzazione di filtri integrati tempo continui.
Motivazioni per cui è necessario introdurre uno stadio di filtraggio integrato “Low-Pass” nella catena di lettura chopper, impiegata per le misure di flusso.
- CAPITOLO 3: descrizione ed analisi sella catena di lettura per la misura di piccole portate basata sull’impiego di amplificatore a chopper.
Progetto del filtro analogico in uscita all’amplificatore chopper in tecnologia DCD6S.
- CAPITOLO 4: caratterizzazione del filtro Gm-C progettato e caratterizzazione del sistema di lettura nel suo insieme (sistema costituito da chopper e filtro). Realizzazione del layout dello stadio di filtraggio. Progetto della “bias chain” per lo stadio di filtraggio e per il chopper e progetto dello stadio di “bufferizzazione” del segnale in uscita al filtro.