Elenco delle Figure iv

(1)

Indice

Indice ii

Elenco delle Figure iv

Elenco delle Tabelle vii

Introduzione 1

1 Acustica 3

1.1 Il suono . . . . 3

1.2 Variabili Acustiche Principali . . . . 5

1.3 Campi sonori . . . . 8

1.4 Equazione d’onda acustica monodimensionale . . . . 9

1.5 Sensori acustici . . . 12

1.5.1 Sensori acustici MEMS . . . 14

1.5.2 Microflown

^TM

. . . 15

1.6 Sensore APV sviluppato dal Dipartimento di Ingegneria dell’informazione 16 1.6.1 Descrizione del sensore e del meccansimo di di trasduzione . . . . 16

1.6.2 Cenni sulla tecnologia usata per la fabbricazione del sensore . . . . 18

1.6.3 Applicazioni pratiche del sensore . . . 19

2 Interfaccia del sensore APV 21 2.1 Versione 2011 dell’interfaccia di lettura del sensore APV . . . 21

2.2 Versione 2015 dell’interfaccia di lettura del sensore APV . . . 23

2.3 Problematiche dei sistemi elettronici di lettura fin qui utilizzati . . . 24

2.3.1 Bassa sensibilit` a e alto rumore . . . 25

2.3.2 Singolo ponte di Wheatstone . . . 26

2.3.3 Aumento della tensione di alimentazione . . . 27

2.3.4 Cascata di ponti di Wheatstone . . . 28

2.3.4.1 Rumore prodotto dai generatori di corrente di polarizza- zione . . . 31

2.3.5 Parallelo di n ponti di Wheatstone . . . 33

2.3.6 Problema della componente continua . . . 34

2.3.6.1 Limitazione della amplificazione applicabile . . . 35

2.3.6.2 Problema della intermodulazione . . . 35

2.4 Scelte e specifiche progettuali . . . 37

3 Amplificatore da strumentazione 39

ii

(2)

Indice iii

3.1 Caratteristiche di un amplificatore da strumentazione . . . 39

3.1.1 Guadagno differenziale preciso e reiezione del modo comune . . . . 39

3.1.2 Resistenze di ingresso elevate e simmetriche . . . 41

3.1.3 Basso offset . . . 42

3.1.4 Basso rumore riportato in ingresso . . . 43

3.2 Topologie circuitali per la realizzazione di amplificatori da strumentazione 46 3.2.1 Amplificatore da strumentazione a tre opamp . . . 46

3.2.2 Amplificatore da strumentazione con pseudoresistori e DDA . . . . 48

3.2.3 Amplificatore da strumentazione folded cascode basato su rapporti di resistenze . . . 50

3.2.4 Topologia Current Feedback . . . 52

3.3 Modulazione Chopper . . . 53

3.3.1 Non idealit` a della modulazione chopper . . . 57

3.3.1.1 Errore di guadagno . . . 57

3.3.1.2 Non idealit` a dei modulatori e offset residuo . . . 59

4 Soluzioni proposte 62 4.1 Circuito per la correzione della componene continua . . . 62

4.1.1 Dimensionamento dei componenti del circuito . . . 65

4.1.1.1 Dimensionamento M1 ed M2 . . . 65

4.1.1.2 Dimensionamento dell’integratore Gm-C . . . 66

4.1.1.3 Circuito per il controllo del modo comune in uscita al- l’integratore(CMFB) . . . 68

4.1.1.4 Dimensionamento del circuito CMFB . . . 70

4.2 Amplificatore da strumentazione proposto . . . 71

4.2.1 Schema circuitale . . . 74

4.2.2 Studio sul rumore e dimensionamento del primo stadio . . . 75

4.2.3 Dimensionamento del secondo stadio . . . 79

4.2.4 Dimensionamento dei modulatori chopper . . . 83

5 Risultati ottenuti 85 5.1 Simulazioni sul circuito per la cancellazione della componente continua . . 85

5.2 Amplificatore da strumentazione . . . 90

5.2.0.1 Analisi in transitorio . . . 91

5.2.0.2 Risposta in frequenza: Analisi AC e SST-AC . . . 93

5.2.0.3 Rumore: Analisi .NOISE e SST-NOISE . . . 95

Conclusioni 98

Bibliografia 100

Ringraziamenti 102

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Elenco delle figure

1.1 Rappresentazione grafica della propagazione di un’onda acustica . . . . . 4

1.2 Rappresentazione grafica di onde trasversali e longitudinali . . . . 5

1.3 L’onda sferica ad una certa distanza dalla sorgente pu` o essere trattata come un’onda piana . . . . 6

1.4 Volume attraversato da un’onda acustica . . . . 9

1.5 Schema semplificato di microfono dinamico e microfono a condensatore . . 13

1.6 Grafici rappresentanti i principali produttori di microfoni MEMS e pre- visioni di mercato . . . 14

1.7 Primo prototipo di Microflown . . . 15

1.8 Modello tridimensionale del sensore . . . 17

1.9 Profilo di temperatura . . . 17

2.1 Primo circuito nel quale ` e stato testato il sensore APV . . . 21

2.2 Sistema utilizzato per la lettura dati dal sensore. Si distinguono: l’al- toparlante LS, il microfono M, il sensore S, il generatore di segnali SG, gli amplificatori rispettivamente del microfono e del segnale MA e SA, il convertitore analogico-digitale ADC e il personal computer PC . . . 22

2.3 Seconda realizzazione dell’interfaccia elettronica di lettura del sensore APV. I componenti nella zona grigia sono integrati nello stesso chip . . . 24

2.4 Ponte di Wheatstone Full Bridge . . . 26

2.5 Aumento della tensione di alimentazione . . . 27

2.6 Cascata di ponti d Wheatstone . . . 29

2.7 Ponte di Wheatstone con dettaglio sulla realizzazione dei generatori di corrente i generatori(a). Sono stati utilizzati degli specchi n-mos e p-mos cascode a larga dinamica, di cui ` e riportata in figura solo la parte d’uscita. Modello utilizzato per lo studio sul rumore(b) . . . 31

2.8 Parallelo di n ponti di Wheatstone . . . 33

2.9 Schema a blocchi modulazione chopper . . . 35

2.10 Figura di riferimento per studio intermodulazione . . . 36

3.1 Amplificatore da strumentazione di interfaccia ad un sensore con uscita differenziale e resistenze serie . . . 39

3.2 Amplificatore da strumentazione: Resistenze di ingresso . . . 41

3.3 Amplificatore da strumentazione:sorgenti di offset . . . 42

3.4 Amplificatore da strumentazione: studio sul rumore . . . 44

3.5 Grafico di una generica densit` a spettrale di potenza di rumore . . . 45

3.6 Risoluzione determinata come ampiezza picco-picco del rumore . . . 45

3.7 Architettura a tre operazionali . . . 47

iv

(4)

Elenco delle Figure v

3.8 Spettro in frequenza dei segnali generati da ECG, EEG, EEG e dei relativi

disturbi, l’immagine ` e tratta da [1] . . . 48

3.9 Amplificatore da strumentazione a pseudoresistori . . . 49

3.10 Amplificatore da strumentazione DDA . . . 50

3.11 Rete semplificata folded cascode(a), Circuito utilizzato per studiare le variazioni(b) . . . 51

3.12 Modifica topologica proposta per incrementare la dinamica . . . 52

3.13 Topologia Current Feedback . . . 52

3.14 Modulazione chopper . . . 54

3.15 Rappresentazione grafica dello spettro del segnale utile durante i diversi stadi della modulazione chopper. Si distinguono:(a) lo spettro del segna- le utile in ingresso V

s

(f );(b)Lo spettro del segnale in uscita dall’ampli- ficatore V

_{AM P}

(f ), replicato dal primo modulatore e amplificato, (c) lo spettro del segnale in uscita dal secondo modulatore V

_B

(f ), che subir` a successivamente un filtraggio passa basso . . . 55

3.16 Densit` a spettrale di potenza di rumore e offset(a); Effetto del modulatore di uscita sulla densit` a spettrale di rumore ed offset(b) . . . 56

3.17 Sovrapposizione repliche in banda base, nel caso in cui il flicker non venisse rimosso. Le due repliche sono rappresentate in rosso e nero, la loro somma in verde . . . 57

3.18 Andamenti nel tempo di: (a) tensione di ingresso,(b)tensione in uscita al primo modulatore, (c) tensione di uscita dall’amplificatore a banda finita, (d)tensione di uscita al secondo modulatore . . . 58

3.19 Capacit` a di ingresso amplificatore da strumentazione . . . 59

3.20 Modulatore chopper come matrice di interruttori (a); Simbolo circuita- le del modulatore chopper (b); Pass transistor e pass-gate utilizzati per realizzare gli interruttori (c) . . . 59

3.21 Spike di tensione in uscita e relativo offset residuo. L’immagine ` e tratta da [2] . . . 60

3.22 Topologia Nested Chopper e relativi effetti sul segnale di uscita. L’imma- gine ` e tratta da [2] . . . 61

4.1 Rete per la correzione della componente continua . . . 62

4.2 Schema a blocchi del circuito utilizzato per la reiezione della componente continua . . . 63

4.3 Schema a blocchi del circuito utilizzato per la reiezione della componente continua . . . 64

4.4 Circuito blocco integratore . . . 67

4.5 Circuito per il controllo del modo comune utilizzato . . . 69

4.6 Versione non choppata dell’amplificatore proposto . . . 71

4.7 Amplificatore da strumentazione con implementazione della tecnica chopper 72 4.8 Circuito elettrico amplificatore . . . 74

4.9 Studio sul rumore generato dai transistor del primo stadio dell’amplificatore 75 4.10 RF amplificatore operazionale (in blu) e diagramma di modulo e fase del guadagno di reazione |βA| (in rosso) . . . 81

4.11 Equivalente per le variazioni di un ampop a due stadi . . . 82

(5)

Elenco delle Figure vi

5.1 Risposta in frequenza del circuito di reiezione della componente continua-

Diagramma di modulo per valori di capacit` a dell’integratore pari a: C=200pF(blu), C=1nF(rosso), C=10nF(grigio); C=100nF(verde) . . . 86 5.2 Risposta in frequenza del circuito di reiezione della componente continua-

Diagramma di fase per valori di capacit` a dell’integratore pari a: C=200pF(blu), C=1nF(rosso), C=10nF(grigio); C=100nF(verde) . . . 87 5.3 Radice della PSD di rumore riportato in ingresso all’amplificatore, in

assenza di mismatch (blu) e in caso di sbilanciamento massimo (rosso) . . 88 5.4 Schema a blocchi per lo studio del rumore nel circuito di reiezione della

componente continua . . . 89 5.5 Radice della PSD di rumore riportato in ingresso all’amplificatore al varia-

re della capacit` a dell’integratore C=200pF(blu), C=1nF(rosso), C=10nF(grigio), C=100nF(verde) . . . 90 5.6 Transtorio della tensione di uscita dell’ amplificatore sollecitato con im-

pulso rettangolare di tensione differenziale pari a 5mV . . . 92 5.7 Transitorio della tensione di uscita dell’ amplificatore sollecitato con im-

pulso rettangolare di tensione differenziale pari a 5mV in presenza di offset, nei casi di rete di reazione capacitiva(rosso) e resistiva(blu) . . . 93 5.8 Risposta in frequenza amplificatore da strumentazione nel caso di rete di

reazione resistiva e non applicazione della modulazione chopper . . . 94 5.9 Risposta in frequenza amplificatore da strumentazione nel caso di rete di

reazione capacitiva e applicazione della modulazione chopper . . . 95 5.10 Radice della PSD del rumore riportato in ingresso all’amplificatore non

modulato, con rete di reazione resistiva . . . 96 5.11 Radice della PSD del rumore riportato in ingresso all’amplificatore non

modulato, con rete di reazione resistiva . . . 97

(6)

Elenco delle tabelle

1.1 Sorgenti sonore comuni e relativi parametri associati . . . . 8

2.1 Scelte progettuali e risultati misure . . . 25

2.2 Specifiche di progetto . . . 38

4.1 Dimensioni dei transistor MOS dell’integratore . . . 68

4.2 Dimensioni dei transistor MOS del CMFB . . . 70

4.3 Dimensioni dei transistor del primo stadio dell’amplificatore . . . 79

4.4 Dimensioni dei transistor del secondo stadio . . . 83

4.5 Tipologia di interruttore e dimensione dei transistor dei modulatori chop- per utilizzati . . . 83

vii