Progetto di un amplificatore da strumentazione in tecnologia BCD6

I segnali d’uscita dei sensori integrati sono tipicamente a bassa potenza, in special modo se sono presenti trasduttori autogeneranti; la loro amplificazione risulta quindi critica, e tuttavia necessaria per renderli facilmente trattabili da convenzionali sistemi di condizionamento e di elaborazione. L’obiettivo di questa tesi è quello di progettare una catena di amplificazione particolarmente sensibile, in grado di leggere i segnali provenienti da un sensore di portata basato su termocoppie; sia il sensore, sia l’interfaccia di lettura verranno integrati sul solito die di silicio. Questo lavoro si suddivide in cinque capitoli: Capitolo 1 : Viene fatta una breve panoramica sui sensori integrati di portata ed è data una descrizione di massima dei principi fisici implicati nella trasduzione delle grandezze: dal flusso al segnale elettrico. Si è dedicata particolare attenzione ai sensori di portata calorimetrici ed al loro pilotaggio, in quanto il circuito qui progettato, è destinato alla lettura di questo tipo di dispositivi. Capitolo 2 : Dopo aver introdotto i fenomeni – offset e rumore flicker – che limitano la risoluzione di un amplificatore per segnali la cui banda comprenda la continua, vengono descritte le tecniche note in letteratura per eliminare o ridurre queste limitazioni. Tra le tecniche conosciute, quella pi`u efficace risulta la tecnica di stabilizzazione a chopper: questa permette di ottenere un offset idealmente nullo ed un livello di rumore, in banda base, pari al rumore broad band dell’amplificatore, ossia il minimo possibile. E' quindi introdotta l’architettura adottata, composta da un amplificatore chopper e da un filtro passa-basso, oggetti di studio nei successivi capitoli. Capitolo 3 : Viene esplorato lo spazio di progetto dell’amplificatore chopper, con particolare attenzione al rumore che esso introduce, ed alla sensibilità del guadagno rispetto alle variazioni di temperatura e dei parametri di processo. Sono ricavati alcuni limiti teorici al minimo rumore introdotto dall’amplificatore, i quali hanno condizionato le scelte progettuali ed il dimensionamento del circuito. Dopo aver adottato alcune specifiche, come la densità di potenza di rumore riferita all’ingresso, è stato fatto un dimensionamento che ottimizza nel contempo il consumo di potenza e l’ingombro; sono stati quindi verificati i parametri più importanti che determinano le prestazioni del sistema, sia tramite simulazioni Monte Carlo, sia confrontando i risultati nominali con quelli ottenuti considerando la variabilità dei modelli dei dispositivi (corners). Si è tenuto di conto degli effetti di non linearità dell’amplificatore e della massima amplificazione ottenibile, in relazione ai limiti di dinamica del filtro in cascata. Saranno ricavati alcuni limiti teorici al minimo rumore introdotto dall'amplificatore i quali orienteranno le scelte progettuali ed il dimensionamento del circuito. Capitolo 4 : Poiché lo stadio di amplificazione impiega una tecnica di riduzione del rumore basata sulla modulazione dei segnali, è necessario rimuovere le componenti spettrali indesiderate tramite un opportuno filtraggio. In questo capitolo verranno esposti i criteri di dimensionamento del filtro preposto a questa operazione. Anche in questo caso è stato verificato il comportamento del sistema, in presenza di offset e di variazioni di temperatura. Capitolo 5 : Sono mostrate le prestazioni, ricavate per via simulativa, del sistema complessivo. Tali simulazioni sono volte a garantire la fattibilità del circuito, specialmente in presenza di errori di processo. Inoltre si è verificato che il rumore riportato all’ingresso di tutto il sistema, risultasse effettivamente quello desiderato