Livelli maggiori di integrazione: di solito è una buona idea, ma a volte no

La tecnologia dei circuiti integrati degli ultimi decenni ci ha insegnato che per applicazioni completamente digitali e a segnale misto è auspicabile passare a livelli superiori di integrazione funzionale. Poiché i nuovi componenti integrano più della catena di segnali, i vantaggi sono molteplici: una maggiore semplicità nella progettazione complessiva, un minor numero di interconnessioni, migliore affidabilità, riduzione dello spazio su scheda, attenuazione del rischio di incompatibilità tra i componenti, minore dissipazione di potenza, prestazioni garantite a livello di sistema, una scheda tecnica più completa e, ovviamente, un costo inferiore.

Ma la storia dell'integrazione ha due facce. Gli stessi produttori che offrono alti livelli di integrazione in un singolo CI stanno anche introducendo CI ad alte prestazioni con funzioni minime, come gli amplificatori operazionali, come componenti costitutivi di base.

Per certi versi, le due storie si contraddicono. Dopo tutto, perché scegliere un amplificatore operazionale a funzione singola quando si può "avere tutto" o quanto meno "avere molto di più" tramite un dispositivo altamente integrato? La risposta non è semplice, poiché dipende dalle specifiche dei componenti, dal loro relativo equilibrio reciproco, dall'applicazione, dalle sue priorità e, soprattutto, dai compromessi che ne conseguono.

Scendere a compromessi per soddisfare gli obiettivi nonostante i vincoli è il nocciolo della progettazione e della competenza ingegneristica. L'attrattiva del dispositivo più altamente integrato deve essere soppesata a fronte di qualsiasi carenza nelle prestazioni di un parametro critico rispetto a un elemento costitutivo altamente ottimizzato, a funzione singola, che può essere utilizzato per realizzare un sistema completo. Come esempi utilizzeremo due componenti molto diversi di Analog Devices.

Il front-end elettrochimico AD5490 di Analog Devices

AD5490 di Analog Devices, introdotto da poco, è un front-end elettrochimico completo per misurazioni potenziostatiche, amperometriche e voltammetriche, che sono requisiti standard negli esperimenti elettrochimici e biologici (Figura 1).

Figura 1: AD5490 di Analog Devices è un front-end completo per esperimenti elettrochimici e biologici. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo CI è progettato per misurare le uscite dei sensori su un ampio intervallo che va da 50 pA (o 10^-12 ampere) a 3 mA (o 10^-3 A), comune in applicazioni di bioimpedenza come la valutazione dell'impedenza di pelle e corpo, il monitoraggio continuo della glicemia e i test di impedenza della batteria (Figura 2). Per AD5490, la corrente di polarizzazione in ingresso tipica è di 20 o 80 pA, a seconda del canale di ingresso selezionato.

Figura 2: AD5490 è ottimizzato per la chimica biologica e le misurazioni del corpo umano come questo anello di bioimpedenza ad alta frequenza e a quattro fili. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo è un CI sofisticato e complesso, come dimostrano le 133 pagine della sua scheda tecnica. Tentare di replicare il suo circuito con componenti discreti sarebbe un'impresa improba. Oltre alla sua corrente di polarizzazione in ingresso estremamente bassa, questo CI include convertitori analogico/digitale (ADC), convertitori digitale/analogico (DAC), riferimenti di tensione, una matrice di switch e molto altro.

Data tutta questa capacità, perché un progettista non dovrebbe scegliere di usarlo? Del resto, se può soddisfare gli obiettivi del progetto, sarebbe sciocco e quasi irresponsabile cercare di costruire un circuito paragonabile quando ce n'è già uno a portata di mano che elimina tutti i grattacapi e le sfide.

Amplificatore operazionale ADA4530-1 di Analog Devices

Tuttavia, alcune applicazioni sono prevalentemente guidate dall'esigenza di una corrente di polarizzazione in ingresso ancora più bassa, come gli elettrometri e i sensori ottici ad altissime prestazioni. Riconoscendo che "non esiste una taglia unica", Analog Devices di recente ha introdotto anche ADA4530-1, un amplificatore operazionale con una corrente di polarizzazione in ingresso di femtoampere (10^-15 A). Include anche un buffer di protezione integrato contro le differenze di potenziale parassita che potrebbero portare a un flusso di corrente indesiderato (Figura 3).

Figura 3: L'amplificatore operazionale ADA4530-1 vanta una corrente di polarizzazione in ingresso a livello di femtoampere e include anche connessioni per buffer di protezione integrato (GRD) che fungono da barriera contro le differenze di potenziale parassita che potrebbero portare a un flusso di corrente indesiderato. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Anche questo dispositivo, semplice dal punto di vista funzionale, ha molte sottigliezze, come dimostra la sua scheda tecnica di 52 pagine. La sua corrente di polarizzazione in ingresso è di tre ordini di grandezza inferiore a quella del circuito integrato front-end AD5490 e ha un coefficiente di bassa temperatura fino a circa 60 ⁰C (Figura 4). Entrambe le specifiche sono molto impressionanti per questi attributi sottili ma critici nelle applicazioni di destinazione.

Figura 4: Il grafico della corrente di polarizzazione in ingresso rispetto alla temperatura per ADA4530-1 mostra che rimane al di sotto o vicino a circa 0,1 fA fino a 55-60 ⁰C, fornendo così stabilità e riduzione al minimo dell'errore delle prestazioni di un sistema. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Essendo focalizzato su un parametro in particolare - una corrente di polarizzazione estremamente bassa - può essere utilizzato in un flusso di progettazione, processo e flusso ottimizzato per questo attributo, che però potrebbe essere meno idoneo per altre funzioni associate come ADC, DAC o riferimenti di tensione.

Conclusione

In genere, la tendenza in atto verso una maggiore integrazione è stata vincente sia per i produttori che per i progettisti. Tuttavia ci sono casi, come il già citato ADA5430-1, che dimostrano che singoli blocchi di basso livello, ognuno ottimizzato per un attributo specifico, mantengono un loro ruolo. Questo è particolarmente vero quando i circuiti analogici sensibili e a basso rumore sono una priorità, da c.c. a RF, e il progetto richiede anche funzioni miste analogiche/digitali o anche completamente digitali come processori e memorie di vario tipo.

Se state decidendo se scegliere un prodotto più integrato o costruirne uno vostro con componenti discreti, è opportuno controllare le ultime versioni dei fornitori pertinenti, perché le opzioni stanno cambiando velocemente. Eppure, ci saranno momenti in cui un dispositivo umile, a funzione singola, altamente ottimizzato e senza compromessi si rivelerà essenziale per il successo di un progetto completo.

Anche se saranno in molti a beneficiare di ADA5430-1 in modo netto, dovranno costruire da soli i circuiti associati. È un compromesso che devono soppesare attentamente, prima di decidere se il gioco vale la candela. Tuttavia, i requisiti applicativi e le pressioni competitive potrebbero decidere per loro.

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