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Tesi etd-09062010-163012


Tipo di tesi
Tesi di laurea specialistica
Autore
LUSCHI, LUCA
URN
etd-09062010-163012
Titolo
progetto di un amplificatore da strumentazione compatto per la lettura di sensori termici integrati
Struttura
INGEGNERIA
Corso di studi
INGEGNERIA ELETTRONICA
Commissione
relatore Prof. Paolo Bruschi
relatore Ing. Federico Butti
Parole chiave
  • amplificatore
  • strumentazione
  • sensori
  • chopper
Data inizio appello
2010-10-08
Disponibilità
completa
Riassunto analitico
Lo sviluppo delle tecnologie microelettroniche si è sempre più indirizzato verso i cosiddetti System on a Chip (SoC), sistemi che integrano sullo stesso die di silicio uno o più sensori, necessari a trasdurre le grandezze fisiche d'interesse in grandezze elettriche (tipicamente tensioni o correnti, ma anche resistenze e capacità) e l'elettronica di condizionamento ed elaborazione del segnale.
In questo lavoro di tesi è stata proposta un'interfaccia compatta per la lettura di sensori termici integrati. Una prima analisi ha portato ad individuare nell'amplificatore chopper in tecnologia CMOS la soluzione più adatta, adottata anche in precedenti lavori di tesi svolti presso il Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione.
Nella prima parte di questo lavoro sono stati individuati i punti critici dell'architettura tradizionale: il filtro di soppressione del clock, posto in cascata all'amplificatore, non beneficia della cancellazione dell'offset e del rumore a bassa frequenza dovuta alla modulazione chopper. Nella tecnologia CMOS, dove offset e rumore fliker sono particolarmente accentuati, questo contributo risulta rilevante, andando a limitare le prestazioni della cella. La necessità di avere una banda passante limitata a poche centinaia di Hertz, introduce ulteriori problematiche legate all'ingombro ed al rumore termico del filtro. Una seconda criticità dell'architettura tradizionale, riguarda la costante di tempo d'ingresso, determinata dalle elevate resistenze di sorgente e dalle capacità d'ingresso necessariamente alte per soddisfare le specifiche di rumore. Questa, in presenza delle commutazioni del modulatore d'ingresso, introduce un'errore di guadagno di qualche punto percentuale, degradando l'accuratezza del sistema.
La soluzione adottata consiste nell'incorporare la funzione filtrante nell'amplificatore, ottenendo così un filtro Gm-C sottoposto alla modulazione chopper. L'analisi del circuito ha mostrato come soltanto il primo dei due transconduttori del filtro dia un contributo significativo all'offset ed al rumore a bassa frequenza, pertanto la modulazione è stata applicata soltanto a quest'ultimo. Per quanto riguarda il rumore termico, che non viene ridotto dalla modulazione chopper, è stata adottata una topologia preamplificata che consente di limitarne il contributo riportato in ingresso alla cella. Il preamplificatore è stato anch'esso ottimizzato per ottenere un compromesso fra rumore e consumo di potenza. L'ingombro del filtro è stato invece minimizzato tramite una routine di ottimizzazione numerica, prevedendo dei vincoli sui gradi di libertà, sempre al fine di evitare l'eccessivo aumento del rumore termico dei transconduttori.
L'utilizzo di un'originale tecnica di port swapping sul modulatore d'ingresso ha infine permesso di cancellare l'errore introdotto dalle costanti tempo, aumentando inoltre il matching fra le porte dell'amplificatore, parametro che può influenzare anch'esso il guadagno nel caso in cui l'area della cella venga considerevolmente ridotta.
Una volta definito completamente l'amplificatore, si è passati ad un dimensionamento per la lettura di termocoppie facenti parte di un flussimetro calorimentrico. La cella ottenuta rispetta le specifiche richieste: il rumore introdotto è marginale rispetto a quello termico prodotto dalla sorgente, non degradando così il massimo range dinamico teorico. L'offset residuo è contenuto ad un valore di circa 5 µV. La corrente assorbita, di poco superiore ad 1 mA, rientra nei limiti previsti. Una stima dell'ingombro, effettuata sommado le aree di gate e dei pozzetti di ogni transistore, più le aree di resistori e condensatori, ha dato come risultato 0.145 mm2, testimoniando la validità dell'approccio per la realizzazione di celle compatte.
La metodologia di sintesi descritta in questo lavoro fornisce inoltre tutti gli strumenti necessari per sviluppare soluzioni alternative per differenti specifiche di ingombro, rumore e banda passante.
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