elettronica analogica ed elettronica digitale

24 Pages·2003·0.41 MB·Italian

ELETTRONICA ANALOGICA
ED ELETTRONICA DIGITALE

Elettronica analogica ed elettronica digitale
Una distinzione arbitraria, ma utile
Da un punto di vista "fisico" la distinzione tra elettronica analogica e digitale è
arbitraria poiché in qualsiasi circuito elettronico le tensioni e le correnti assumono
valori continui (a rigore, anche se la carica elettrica è "quantizzata", la corrente elettrica
non lo è, poiché il tempo è una variabile continua).
Nonostante ciò è prassi consolidata classificare, adottando un punto di vista
"sistemistico", alcuni circuiti come "digitali" e altri circuiti come "analogici"; questa
classificazione è utile per indicare, sinteticamente, il tipo di segnali di ingresso e di
uscita di un circuito, ma è opportuno evidenziarne i limiti.
Oggi moltissimi sistemi non possono essere, a rigore, considerati né analogici, né
digitali. A parte i classici esempi (convertitori ADC e DAC; sistemi che utilizzano
tecniche di tipo "sigma-delta",…) in cui devono necessariamente convivere segnali
analogici e digitali, oggi perfino nel progetto dei sistemi digitali "per eccellenza"
(memorie, microprocessori,…) sono necessarie conoscenze approfondite di elettronica
analogica (si devono considerare parassiti, interferenze,…), al punto che, come si dice,
"high-speed digital design is analog design".
Allo stesso modo, anche i sistemi analogici "per eccellenza", devono oggi contenere
sistemi digitali (come nel caso degli "smart sensors").
In conclusione i circuiti analogici e digitali non sono due categorie di circuiti in
competizione, ma solo due categorie di circuiti "complementari"; il progettista di
sistemi elettronici deve essere in grado di sfruttare tecniche analogiche, digitali o miste.

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C. Falconi, A. D’Amico, Sensors and Microsystems Group
Dispense del Corso di Elettronica Analogica a Bassa Tensione
Una previsione sbagliata
Tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni '80 lo straordinario progresso della
tecnologia microelettronica rese possibile l'integrazione di un gran numero di transistor,
e quindi di un gran numero di porte logiche, all'interno dello stesso circuito integrato.
Fu immediatamente chiaro che i circuiti digitali potevano elaborare le informazioni e
memorizzarle in modo molto più economico e accurato dei circuiti analogici.
Il progetto di sistemi digitali è così semplice da poter essere, in molti casi,
automatizzato; oggi sono disponibili software per il progetto (CAD, computer aided
design) di sistemi digitali molto potenti e affidabili, in grado di trasformare
automaticamente una descrizione ad alto livello, ad esempio un diagramma di flusso,
nel lay-out del circuito finale. Al contrario, il progetto di circuiti analogici integrati
(anche semplici) è complicato dall'esistenza di un gran numero di specifiche spesso
contrastanti tra loro (guadagno, banda, rumore, interferenze, dissipazione di potenza,
tensione di alimentazione, margine di guadagno e margine di fase, accuratezza,…) così
che è spesso necessaria la determinazione di un gran numero di compromessi (trade-
offs). Nonostante molti sforzi, non sono attualmente disponibili software per il
progetto automatico (automatic design) di sistemi analogici.
Per questi motivi furono molti a prevedere, tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni
'80, che l'elettronica analogica sarebbe presto scomparsa; oggi, a distanza di più di 20
anni, questa previsione non si è avverata e una delle figure professionali più richieste (e
meglio pagate) nei Paesi con grandi aziende microelettroniche è il progettista di circuiti
elettronici analogici.
Infatti, senza dubbio, i sistemi per l'elaborazione delle informazioni digitali sono (salvo
alcune significative eccezioni) più accurati, più flessibili, più semplici da progettare,
più a basso costo e consumano meno potenza; di conseguenza è quasi sempre
conveniente utilizzare metodi digitali in tutti i sistemi che devono solo "calcolare
qualcosa". In molti casi però, oltre a "calcolare qualcosa", i sistemi devono interagire
con il mondo esterno, cioè acquisire informazioni ("misurare qualcosa") e/o agire sul
mondo esterno. Poiché i segnali presenti nel mondo reale sono, ovviamente, segnali
analogici, nei sistemi elettronici che devono interagire, in qualche modo, con il mondo
esterno, è indispensabile disporre di circuiti elettronici analogici.
Consideriamo il caso, molto importante, dei sistemi destinati all'automazione; questi
sistemi devono acquisire delle informazioni sull'ambiente in cui devono operare,
decidere le azioni più opportune (in base alle informazioni acquisite) ed eseguire queste
azioni. Molto spesso la "decisione delle azioni più opportune" è possibile, a basso
costo, con sistemi elettronici; spesso anche l'esecuzione delle azioni non pone problemi
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(è possibile controllare elettricamente attuatori che sviluppano potenze anche notevoli);
in molti casi il problema più complesso è l'acquisizione di informazioni accurate
sull'ambiente in cui il sistema deve operare; mancano cioè sensori abbastanza
"intelligenti" (vedi nel seguito).
Anche se in molti circuiti integrati mixed mode (analogico-digitale) l'area di silicio
occupata da circuiti digitali è molto più grande dell'area occupata dai circuiti analogici,
generalmente il progetto della parte analogica è più impegnativo e più critico; in
pratica, spesso la sezione digitale occupa un'area molto estesa del chip (80%-90%), ma
il tempo necessario per il progetto della sezione digitale è molto più breve (10% o
anche meno in alcuni casi).

Figura 1 I sistemi che devono interagire con il mondo esterno dovranno sempre avere una sezione
analogica (ASP, analog signal processing); grazie alla potenza degli odierni sistemi digitali è spesso
conveniente "passare" prima possibile nel dominio digitale; nonostante ciò, le maggiori difficoltà di
progetto e il limite all'accuratezza del sistema complessivo dipendono spesso dalla (spesso piccola in
termini di area occupata nel chip) sezione analogica (immagine tratta da Allen, Holberg).

La complessità del progetto analogico fa sì inoltre che il buon progettista analogico sia
difficilmente sostituibile e che sistemi analogici ben progettati possano rimanere sul
mercato anche per decine di anni, cioè per tempi fino a dieci volte superiori rispetto ai
sistemi digitali; a questo proposito riportiamo un breve racconto di Barrie Gilbert
Gilbert (inventore, tra l'altro, dei circuiti translineari e dei moltiplicatori di Gilbert).

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"The threat of the decline of all things analog was never more apparent than during a
visit I made to the Science Museum in London in 1982. Wandering around halls
devoted to the history of computing, I found a display marked “Obsolete Techniques.”
Alongside a nostalgic assortment of relay boards, vacuum-tube operational amplifiers,
patch panels, and electromechanical servo systems was a monolithic analog multiplier I
had designed in the early 1970s. At first I was surprised, then embarrassed, and soon
irritated at the curators. “What do they know?” I fumed. Although the implication stung
a little, I later took solace as I walked back into the cool evening air of South
Kensington in the knowledge that this particular product not only remained firmly in
the catalog, but was generating admirable revenues. It still does, more than a quarter of
a century since its design. Analog is durable." (Barrie Gilbert, "Analog at Milepost
2000: A Personal Perspective", Proc. Of the IEEE, vol. 89, no. 3, March 2001)

threat, minaccia
wander, vagabondare
to fume, andare su tutte le furie
stung, participio passato di to sting, essere doloroso
to take solace¸ essere confortato
revenues, profitti

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Le due tabelle seguenti (tratte da Allen, Holberg) riassumono, schematicamente, le
differenze fondamentali tra i circuiti analogici e digitali e le competenze necessarie per
il progetto di circuiti integrati (IC, integrated circuits) analogici.

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Applicazioni dei circuiti integrati analogici
Alcune importanti applicazioni dei circuiti integrati analogici sono:
- interfacce tra i sistemi digitali e il mondo esterno (ADC, DAC, interfacce per
sensori, circuiti per telecomunicazioni, interfacce per hard disk, display, sistemi
audio…)
- sensori e attuatori
- microsistemi
- generatori di tensione di riferimento
- filtri
- convertitori DC-DC
- PLL
- …

Il progetto di sistemi digitali ad elevate prestazioni (low power, high speed,…) è, da
molti punti di vista, un progetto "analogico".

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Il futuro dell'elettronica
La rapidissima evoluzione tecnologica rende molto difficile stimare, anche solo
approssimativamente, quale sarà il futuro dell'elettronica; si pensi che le dimensioni
minime definibili in un circuito integrato sono passate da circa 25µm nel 1960 a circa
100nm oggi (2002), obbedendo alla cosiddetta "legge di Moore" (Gordon Moore,
cofondatore della Intel, si accorse che il numero di transistor integrabili in un chip
cresceva esponenzialmente, e in particolare raddoppiava ogni 3 anni; Moore previde
che questo andamento esponenziale sarebbe continuato per molto tempo; questa
previsione era allora "folle" poiché si intravedevano molti ostacoli, sia tecnologici, sia
fisici, al corretto funzionamento di transistor così piccoli; nonostante ciò, grazie anche
al grande miglioramento dei processi tecnologici, la "legge di Moore" è stata
sostanzialmente rispettata fino ad oggi).
Nonostante la grande incertezza sul futuro, e in particolare sui futuri processi
tecnologici, è fondamentale per le grandi aziende di semiconduttori avere delle
previsioni "certe" sul futuro (per poter programmare investimenti, alleanze,…). Per
questo motivo le più grandi aziende di semiconduttori (Intel, Toshiba, ST, Philips,…)
hanno formato un comitato di tecnici destinato a "prevedere" il futuro, almeno a breve
termine (fino a 10 anni); questo comitato (SIA, Semiconductor Industry Association)
non si occupa di definire come certi problemi tecnologici andranno risolti, ma solo la
"roadmap" (itinerario), cioè come, e con quali tempi, evolveranno le future
caratteristiche (velocità di funzionamento, tensione di alimentazione, numero di
transistor,…) dei circuiti integrati. Queste previsioni (o, come si dice, la "roadmap")
sono le più affidabili disponibili; sulla base di queste previsioni le aziende più
importanti programmano investimenti per centinaia di milioni di dollari.
La "roadmap" prevede che nei prossimi anni il mercato sarà ancora largamente
dominato dai processi CMOS.

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Andamento della tensione di alimentazione e della tensione di soglia al variare delle dimensioni minime
del canale

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La SIA fornisce, oltre alla "roadmap", anche le cifre ufficiali sul mercato mondiale dei
semiconduttori.

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L'evoluzione dei processi tecnologici ha ovviamente grandi conseguenze per il
progettista di circuiti integrati; nelle seguenti tabelle (tratte da Allen, Holberg) sono
riassunte alcune di quest conseguenze.

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