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Un amplificatore operazionale digitale a bassissimo consumo: una svolta nell’IoT

Sviluppato al Politecnico di Torino, il dispositivo consuma meno di 500pW e apre la strada a sistemi di acquisizione energeticamente autonomi per applicazioni biomedicali

Ha le dimensioni di una cellula umana, l’amplificatore a più basso consumo mai realizzato. Grazie a una tecnica di funzionamento innovativa consuma meno di 500pW, 30 volte di meno degli amplificatori precedentemente proposti allo stato dell’arte, così poco da poter funzionare senza batterie, alimentato da una minuscola cella solare, aprendo la strada a nuove applicazioni nel campo dell’Internet of Things (IoT) e dei dispositivi biomedicali. Lo ha realizzato il gruppo di ricerca del professor Paolo Stefano Crovetti presso il Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni del Politecnico di Torino.

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Il chip con l’amplificatore da 1,5 mm

Il contesto applicativo IoT

Con le attuali tecnologie, una batteria al litio con dimensioni dell’ordine del millimetro può garantire al massimo poche ore di autonomia per un nodo IoT standard, e la potenza media che si può pensare di ottenere dall’ambiente (luce, vibrazioni, calore…) utilizzando dispositivi delle stesse dimensioni è da cento a mille volte inferiore al consumo dello stesso nodo. Alla luce di queste considerazioni, il consumo di potenza dei circuiti integrati, più di ogni altra caratteristica, segna il limite ultimo a cui si può spingere la visione di un mondo completamente interconnesso propria dell’Internet of Things, e ogni progresso nella direzione della riduzione dei consumi apre la strada a nuovi scenari applicativi.

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Mentre lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori ha permesso di ridurre in modo significativo il consumo di energia dei circuiti digitali, i circuiti analogici come gli amplificatori operazionali – indispensabili in ogni sistema elettronico per acquisire segnali provenienti dal mondo esterno attraverso i sensori – non ne hanno praticamente tratto vantaggio. Per questo, gli amplificatori e gli altri circuiti analogici rappresentano a oggi il collo di bottiglia nello sviluppo di tecnologie emergenti quali l’Internet of Things (IoT) e dispositivi biomedicali impiantabili.

La nuova tecnica sviluppata al Politecnico di Torino

I limiti degli amplificatori realizzati con tecniche tradizionali sono legati al loro consumo statico di potenza. Mentre nei moderni circuiti digitali, infatti, il consumo di potenza è prevalentemente dinamico, cioè legato all’attività del circuito (numero di operazioni eseguite nell’unità di tempo), nei circuiti analogici tradizionali il consumo di potenza è quasi esclusivamente statico, cioè indipendente dai segnali applicati in ingresso, ed è principalmente legato alla necessità di far fluire attraverso i dispositivi una corrente continua (corrente di polarizzazione) al solo scopo di imporre il funzionamento dei transistori in un preciso punto sul piano delle caratteristiche tensione-corrente (punto di lavoro).

Il nuovo amplificatore riesce ad abbattere i consumi e a ridurre le dimensioni grazie a una tecnica innovativa ideata negli ultimi anni, che consente di emulare il comportamento analogico voluto senza necessità fissare il punto di lavoro dei dispositivi, annullando così di fatto le correnti di polarizzazione e con esse il consumo statico di potenza. Il concetto fondamentale della nuova tecnica è quello di tradurre in digitale la funzione dell’amplificatore operazionale stesso, così da poterla descrivere ed implementare con le tecniche estremamente efficienti proprie dell’elettronica digitale.

Descrizione del circuito

Per illustrare il processo di “traduzione in digitale”, prendiamo un amplificatore operazionale a transconduttanza (operational transconductance amplifier, OTA), elemento base di tutti i sistemi analogici.

 

Figura 2: principio di funzionamento dell’amplificatore digitale

Questo dispositivo può essere pensato come un circuito in cui la tensione d’uscita viene incrementata quando l’ampiezza del segnale al morsetto non invertente (+) è maggiore rispetto all’ampiezza del segnale al morsetto non invertente (-), e viene viceversa decrementata se è minore di .

Figura 3: circuito dell’amplificatore operazionale digitale

Mentre questa funzionalità è normalmente realizzata utilizzando circuiti analogici, il metodo innovativo alla base del nuovo amplificatore digitale consiste nel realizzare questa funzione utilizzando porte logiche, (i due buffer riprodotti nel rettangolo su sfondo azzurro in Fig.2), cioè circuiti che forniscono un’uscita digitale “1” se il segnale d’ingresso è al di sopra di una soglia o “0” in caso contrario.

Assumendo che le porte logiche evidenziate in azzurro siano collegate agli ingressi e , come illustrato in Fig.2, guardando le uscite OUT+ e OUT- di queste porte è possibile riprodurre in digitale il comportamento dell’amplificatore operazionale: quando le due uscite sono “10” (caso evidenziato in rosso in tabella) è possibile concludere che è maggiore di ed incrementare di conseguenza l’uscita, mentre per “01” (in blu in tabella) è possibile concludere che è minore di e decrementare di conseguenza l’uscita. Quando OUT+ e OUT- sono “11” (in verde in tabella) o “00” (in arancione in tabella), però, non è possibile stabilire quale segnale tra e sia maggiore dell’altro così da incrementare o decrementare l’uscita di conseguenza. Quando questo si verifica, gli ingressi e vengono entrambi decrementati (nel caso “11”) o incrementati (nel caso “00”), così da ricadere in uno dei due casi precedenti.

Queste considerazioni hanno portato a progettare un circuito completamente digitale, il cui schema elettrico è riportato in Fig.3, che è in grado di realizzare la funzione di un amplificatore operazionale, con tutti i vantaggi in termini di consumi che derivano dalla sua natura digitale. Maggiori dettagli sul funzionamento del circuito sono riportati negli articoli [1-3]

Prestazioni e sviluppi futuri

L’amplificatore, realizzato in una tecnologia CMOS a 180 nm, occupa un’area di silicio inferiore a 1500 µm2 ed è in grado di funzionare alimentato con una tensione estremamente bassa, di soli 300 mV, assorbendo una potenza di 500 pW, che è inferiore a quella che può fornire una cella solare di 1 mm2 in un interno poco illuminato (in Fig.4 sono riportate le forme d’onda della tensione d’ingresso e di uscita misurate per l’amplificatore in configurazione “inseguitore di tensione”).

Fig.4: tensione d’ingresso e di uscita dell’amplificatore digitale in configurazione “inseguitore di tensione”

Conclusioni

Se è vero che le prestazioni del prototipo realizzato in termini di guadagno (30 dB) e di banda (400Hz) sono ancora inferiori a quelle degli amplificatori operazionali commerciali (il cui consumo di potenza è però milioni di volte maggiore), i risultati ottenuti corrispondono a una riduzione di 30 volte del consumo di potenza e di 20 volte delle dimensioni di amplificatori con prestazioni simili presentati in letteratura e aprono la strada a nuove applicazioni, come sistemi IoT energeticamente autonomi, in grado cioè di prelevare direttamente dall’ambiente l’energia necessaria per funzionare, senza necessità di batterie o collegamenti alla rete elettrica, oppure dispositivi impiantabili nel corpo umano di dimensioni confrontabili con le cellule umane, in grado di rilevare in tempo reale informazioni di interesse clinico e di trasferirle all’esterno del corpo attraverso un collegamento wireless (Body Dust).

Il dottorando Pedro Toledo e il professor Paolo Crovetti con l’amplificatore realizzato presso i laboratori del Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni del Politecnico di Torino

Note

[1] P. S. Crovetti, “A Digital-Based Analog Differential Circuit,” in IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 60, no. 12, pp. 3107-3116, Dec. 2013, doi: 10.1109/TCSI.2013.2255671.

[2] P. Toledo, P. Crovetti, H. Klimach, S. Bampi, O. Aiello and M. Alioto, “300mV-Supply, sub-nW-Power Digital-Based Operational Transconductance Amplifier,” in IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, doi: 10.1109/TCSII.2021.3084243.

[3] P. Toledo, P. Crovetti, O. Aiello and M. Alioto, “Design of Digital OTAs With Operation Down to 0,3 V and nW Power for Direct Harvesting,” in IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 68, no. 9, pp. 3693-3706, Sept. 2021, doi: 10.1109/TCSI.2021.3089339.

 

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