Introduzione
I segnali prodotti dai sensori integrati sono tipicamente a bassa potenza, la loro am- plificazione risulta quindi necessaria per renderli trattabili dai sistemi elettronici di condizionamento e di elaborazione normalmente impiegati.
Con lo sviluppo della tecnologia microelettronica e delle tecniche di micromachining, al giorno d’oggi ci si sta sempre pi`u orientando verso la realizzazione dei cosidetti SoC (System on a Chip), sistemi che integrano sullo stesso die di silicio uno o pi`u sensori assieme all’interfaccia elettronica di lettura. Questa soluzione permette tipicamente di ottenere prestazioni migliori in termini di dissipazione di potenza, occupazione di area, costo e affidabilit`a rispetto alle interfacce di lettura a componenti discreti.
In alcuni ambiti l’utilizzo di SoC rappresenta un vantaggio decisivo: si pensi ad esempio alle applicazioni biomedicali impiantabili nelle quali `e richiesta una miniaturizzazio- ne estrema del microsistema, allo scopo di effettuare una misura del segnale biologico attraverso un esame che sia il meno possibile invasivo per il paziente.
Una classe di sensori attualmente oggetto di studio e ricerca ( e gi`a commercializzati dall’azienda Microflown) `e quella dei cosidetti Acoustic Particle Velocity Sensor(APV), in grado di effettuare misure accurate della velocit`a delle particelle acustiche, ovvero della velocit`a locale del mezzo indotta da un’onda acustica. Questi sensori possono essere abbinati ai microfoni tradizionali, i quali rilevano le variazioni locali di pressione, allo scopo di fornire una caratterizzazione completa del campo acustico, aprendo la strada ad applicazioni innovative.
Il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Universit`a di Pisa ha sviluppato un sensore APV compatibile con il processo CMOS standard, aprendo la strada a realizza- zioni compatte, robuste ed economiche. Questa tesi tratta la progettazione full custom di un amplificatore da strumentazione di interfaccia per questo sensore. Il progetto `e stato sviluppato considerando, oltre ai problemi tipici della lettura di sensori integrati, quali la bassa potenza del segnale di uscita e la necessit`a di risolvere piccole variazioni,
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alcune problematiche specifiche per il sensore APV in esame, che hanno reso necessa- rio l’uso di particolari accorgimenti sia a livello topologico, sia per quanto riguarda il dimensionamento dei dispositivi.
Il processo tecnologico utilizzato `e stato il BCD8s di STMicroelectronics caratterizzato da una lunghezza di canale minima di 0.18µm. In fase di progettazione si `e fatto uso del simulatore ELDO, utilizzato in ambiente CADENCE, oltre che dei modelli dei dispositivi del processo.
La presente tesi si articola in cinque capitoli:
- Capitolo 1: Breve introduzione sul mondo sonoro, sui principali tipi di sensori acustici a disposizione e sulle loro applicazioni. Viene poi mostrata la struttura del sensore APV sviluppato in dipartimento, spiegandone il principio di funzionamento ed i suoi possibili usi.
- Capitolo 2: Vengono presentate le interfacce precedentemente realizzate, metten- done in evidenza i problemi riscontrati. Sono poi descritte alcune soluzioni in un primo momento prese in considerazione, ma poi successivamente scartate a causa di problematiche venute alla luce dopo un’analisi approfondita. Sono riportate infine le specifiche del progetto in esame.
- Capitolo 3: E’ data una definizione generale di amplificatore da strumentazione.
Vengono presentate le sue caratteristiche principali e le possibili topologie per la sua realizzazione. Infine viene descritta la tecnica adottata in questo progetto per la reiezione del rumore flicker e dell’offset dell’amplificatore: la modulazione chopper.
- Capitolo 4: Sono presentate le soluzioni proposte per l’amplificatore oggetto di questa tesi. Le architetture pensate vengono prima analizzate nel loro complesso per passare poi alla successiva analisi di ogni blocco circuitale che le costituisce, riportando i dimensionamenti utilizzati per i dispositivi.
- Capitolo 5: Sono mostrati i risultati delle simulazioni effettuate sulle soluzio- ni circuitali descritte nel capitolo precedente, mettendo in evidenza le specifi- che pienamente soddisfatte e quelle per le quali `e stato necessario operare alcuni compromessi rivedendo in parte gli obiettivi iniziali.
