Teoria di Elettronica per i sistemi biomedicali

Sistemi elettronici

Un sistema elettronico ha degli ingressi (sensori) connessi con il sistema da cui escono dei risultati. C’è un'interfaccia in entrata che trasforma le “cose” in numeri e un’interfaccia in uscita che trasforma nuovamente questi numeri in “cose”. Il front-end converte i sensori in numeri e un processore elabora delle informazioni. Il sensore acquisisce il segnale in tensione, successivamente le informazioni vengono elaborate tramite numeri.

Circuiti elettronici

Ciò che vediamo dei circuiti elettronici è il PCB assemblato. I circuiti elettronici si possono trovare nei telefoni, PC, amplificatori audio, alimentatori, scheda TV… Un circuito elettronico è costituito da:

• Base (PCB: Printed Circuit Board) sulla quale vengono montati i componenti elettronici. Nella base il verde chiaro indica le connessioni elettriche e quando si hanno linee sottili vuol dire che passa poca corrente.
• Componenti elettronici come Resistenze, condensatori, circuiti integrati… Nella base vengono fatte le connessioni dei circuiti elettronici.

VIAS= connessioni (buchi) che passano da un lato all’altro della base. In realtà il PCB non ha connessioni solo sopra e sotto ma può essere costituito anche da più strati, quindi le connessioni possono “correre” anche sui vari strati interni.

PCB Stackup

Il PCB è composto da diversi strati di rame intervallati da isolanti. Vi sono anche dei vias per passare da uno strato all’altro. Laminato di rame, 2 tipi di isolanti. Tutti questi strati vengono saldati e pressati in modo da avere un blocco unico.

Realizzazione di un circuito elettronico

• Disegno del circuito
• Disegno del PCB
• Il progetto del PCB si trasforma in un file che viene mandato a un’azienda, la quale realizza fisicamente il PCB
• Assemblaggio dei pezzi del PCB (i componenti vengono saldati sulla base)
• Test per vedere se funziona

Quiz riassuntivo

1. Cos’è un dispositivo elettronico?

   → Una parte di circuito o sistema elettronico, come resistore, condensatore, circuito integrato

2. Un layer di PCB:

   • È visibile dall’esterno? NO perché vi possono essere anche strati interni
   • Include le piste di rame (o parte di esse) per le connessioni nei componenti elettronici → SÌ
   • Normalmente è spesso 1.6mm perché tutto il PCB è spesso 1.6 mm
   • È attraversato da vias ove le piste cambiano layer → SÌ

3. A cosa serve il “solder mask” in un PCB?

   • Rendere il PCB più piacevole alla vista → NO
   • Proteggere il rame dall’ossidazione e da cortocircuiti → SÌ MA IN PARTE, perché è una protezione dai cortocircuiti perché è isolante, ma non è così vero che protegge il rame dall’ossidazione
   • Delimitare aree ove verranno effettuate le saldature → SÌ
   • Maneggiare il PCB senza romperlo → NO, perché non è una protezione meccanica ma è un isolante

Richiami di elettrotecnica

Quantità di elettricità fisica

Le quantità fisiche principali sono la tensione V (V), la corrente i (A), la potenza P (W), resistenza R (R). Tensioni più basse → Consentono di dissipare meno calore. Nell’industria vengono utilizzati 380 V (trifase= tre fili). La tensione è alta ma la potenza è bassa. Vi sono anche tensioni alte con potenza alta. Quindi la potenza in casa è di 2 o 3 kW (P= 230V ·10A/16A). Un filo conduttore ha una resistenza molto bassa.

Nella corrente alternata la tensione può variare nel tempo: 20 ms la media della tensione è =0. L’elettronica è invece alimentata da una tensione continua, invece nella rete si ha una tensione alternata (perché con i trasformatori è possibile cambiare i valori della tensione).

Nei circuiti elettronici ci sono altre due grandezze fondamentali: Capacità C (F) e Induttanza L (H) → In questo caso si ha anche il tempo.

Capacità

Può essere considerata come una piccola batteria, quando è sottoposta a una tensione accumula una carica elettrica (Q= C · V) e può cedere questa carica elettrica quando è necessario. Caricare una capacità significa creare un campo elettrico. L’energia immagazzinata in una capacità è E= ½ CV ². Ci vuole del tempo per cambiare il campo elettrico all’interno della capacità. La capacità tende a mantenere costante la tensione.

Induttore

Se si fa scorrere corrente in un induttore si crea un campo magnetico. L’induttore accumula energia trasformando l’energia elettrica in campo magnetico. L’energia immagazzinata in un induttore è E= ½ LI ². Il carattere dell’induttore è mantenere il proprio campo magnetico (si oppone alle variazioni del campo magnetico). La resistenza dissipa potenza, mentre la capacità e l’induttore no.

Il circuito elettronico consuma una corrente i(t) che varia nel tempo. La capacità permette di mantenere la stessa tensione (3V) nonostante la variazione della corrente. L’induttanza invece si oppone alla variazione di corrente.

Divisore di tensione

È realizzato da un partitore resistivo, quindi da due resistori. La tensione si misura sempre tra due punti, di cui spesso uno dei due viene dato per scontato (viene chiamato massa o terra ed è il punto di riferimento di tutte le tensioni del circuito). Il punto di riferimento ha 0V. La batteria impone una tensione V e fa circolare la corrente (tanta ne butta fuori quanta ne entra dentro).

V = I (R1 + R2) → I = V/ (R1 + R2) V1= I R2 = V1+2 → tensione tra V1 e il punto di riferimento. Un partitore diminuisce la tensione rispetto a quella del generatore. Un caso tipico può essere il seguente: V: tensione che viene usata per far passare le informazioni dal generatore alla scheda. mV = kC° (nel nostro caso si può assumere k=1, 1 volt per ogni grado) i V = V → R deve essere trascurabile rispetto a R in modo tale che il rapporto tenda a 1. Qualunque cosa che produce un segnale ha un generatore con una sua impedenza di uscita.

Il sensore è fatto da un generatore e una sua resistenza RG, il lettore è fatto da una sua resistenza RL. Quando vengono messi insieme si forma una partizione. Il generatore fornisce la corrente, la quale deve circolare (la spinge da una parte e la riprende dall’altra). → Tanta corrente esce quanta ne entra. Quindi il sensore va connesso sempre con due fili: uno di andata e uno di ritorno della corrente. Vi possono essere delle interferenze, che sono dovute al fatto che la corrente non prende il percorso dovuto.

Sensore e impedenza in ingresso

Considera, per esempio, un sensore che produce in uscita come un segnale elettrico. Sensore ideale: Il lettore ideale può essere modellato da un circuito aperto (RL = ∞). Non richiede corrente dal sensore. Nessuna differenza di tensione è presente su RS. Il circuito di lettura legge VS = VG. Questo non dipende da RS. Infatti, il lettore ideale legge perfettamente tutti i sensori non richiedendo corrente.

Considera, per esempio, un sensore che produce il suo output come un segnale elettrico. Il sensore produce il segnale VG. Sensore reale / lettore: Qualunque segnale può essere letto in due modi: 1. Il suo andamento nel tempo 2. Con il dominio delle frequenze 50Hz 70 Hz. È più comoda la frequenza perché i circuiti elettronici lavorano sui segnali in frequenza (per esempio nello stereo, nel momento in cui regolo i bassi e gli acuti, agisco sullo spettro del segnale).

Quiz riassuntivo

1. È possibile danneggiare una scheda elettronica solo maneggiandola?

   • Sì, sporcandola con il grasso delle mani → anche questa in parte è giusta perché normalmente sulle mani abbiamo un grasso legato alle ghiandole che producono varie sostanze
   • Sì tramite piccole scariche elettrostatiche ad alta tensione (circa 1000 V) → GIUSTA
   • No non è possibile → SBAGLIATA

2. Qual è il tipico range della resistenza del corpo umano?

   300-1000 Ohm

3. Qual è il carattere della capacità?

   • Tende a mantenere costante la tensione ai suoi capi → GIUSTA
   • Non offre resistenza al passaggio di corrente → SBAGLIATA
   • Tende a mantenere costante la corrente ai suoi capi → SBAGLIATA, perché questo è il carattere dell’induttore

4. Quanta tensione/corrente può fornire un caricabatterie per cellulare?

   5V, 1A GIUSTA (ed è tensione continua)

Dispositivi elettronici semiconduttori

Semiconduttori

Questi dispositivi sono basati sul silicio cristallino o altri materiali, ma questi devono avere una struttura cristallina idealmente perfetta (vi devono essere pochissimi difetti). Conduttore = conduce energia elettrica Semi-conduttore = la base di questo componente non è né un isolante né un conduttore perfetto. I semiconduttori includono i diodi. Si parte da un cristallo puro di silicio, il quale è un ottimo isolante. Quando si costruisce il componente, si fa diventare il silicio un semiconduttore.

Conduttori e isolanti

La corrente elettrica è un flusso di cariche elettriche (solitamente elettroni). Nella pila o nel generatore di tensione, quando scorre una corrente i si ha un flusso di elettroni. In un circuito, tanti ne escano da un punto tanti ne escono da un altro. → La pila quindi rimane sempre elettricamente neutra, non si ha un accumulo di elettroni, perché questi circolano. Gli elettroni sono negativi, quindi la vera corrente degli elettroni circola nel verso opposto rispetto a quello disegnato: le particelle cariche negativamente sono attratte dal positivo. Gli elettroni scorrono sui campi elettrici e l’elettrone sarebbe attratto dai +.

Ciò che fa muovere gli elettroni è quindi V (perché è l’integrale del campo elettrico). Un conduttore è quel materiale che non oppone resistenza (resistenza trascurabile) al passaggio di elettroni. I materiali che permettono ciò sono per esempio i metalli. Nucleo fatto da neutroni e protoni e gli elettroni che vi girano intorno (elettricamente neutro). L’elettrone non è legato al nucleo, quindi teoricamente può andare dove vuole. È il campo elettrico che tiene gli elettroni vicini al nucleo. Un atomo che per sua natura ha degli elettroni che stanno più lontani dal nucleo, è più propenso a perdere elettroni (perché per toglierglieli basta poca energia perché sono meno legati). Gli elettroni molto vicini invece necessitano di un'energia maggiore per levarli dal nucleo.

Gli atomi non sono isolati (materia fatta di atomi e molecole). Gli elettroni più esterni di un atomo tendono ad essere attratti anche dagli altri atomi. Vi sono materiali in cui la loro struttura molecolare è tale che alcuni elettroni (quelli più esterni) sono liberi di circolare in tutto il materiale. Materiali in cui gli elettroni non circolano = isolanti. Materiali in cui gli elettroni possono circolare = conduttori. Vi sono materiali in cui è più facile far sì che un elettrone diventi libero. Può dipendere per esempio dall’energia che c’è nel materiale (materiale più caldo → libera elettroni).

Dispositivi semiconduttori

Dispositivi non lineari (Esempio: diodi, mosfet…). La maggior parte dei dispositivi è basata sulla tecnologia a silicio (quello più economico e più facile da lavorare). Questi dispositivi sono realizzati su wafer di silicio, che sono dischi molto sottili (con diametro 10-30 cm). Si parte da un cristallo di silicio → Si deve costruire un reticolo cristallino quasi perfetto. Un semiconduttore ha una resistenza elettrica (non capacità a far passare le cariche elettriche). Un materiale che ostacola il passaggio di elettroni crea una resistenza R. Per far passare corrente dalla resistenza devo creare un campo elettrico V. Sul conduttore perfetto si dovrebbe avere V=0 (gli elettroni passano senza resistenze). I= V/R.

Drogaggio

Si deve partire da un reticolo cristallino perfetto del silicio. Vengono aggiunti atomi “estranei” (chiamati atomi droganti→ silicio= drogato), che interferiscono la struttura. Sostituisco gli atomi di silicio con atomi di altri elementi, i quali sono molto simili al silicio ma differiscono perché hanno o un elettrone in meno o uno in più rispetto al silicio (per esempio arsenico e fosforo hanno un elettrone libero e di conseguenza anche un protone in più rispetto al silicio; mentre il Boro o l’Alluminio hanno un elettrone in meno, quindi tendono ad attrarre un elettrone di qualche altro atomo). Un elettrone in più può essere visto come una carica negativa. Un elettrone in meno può essere visto come una specie di carica positiva “virtuale”. Bastano pochi atomi “estranei” per creare l’effetto del materiale semiconduttore.

Wafer

La produzione dei dispositivi semiconduttori inizia dal wafer di silicio. I wafer sono dischi di silicio puro molto sottili.

Processo di fotolitografia planare

Per fare i drogaggi si usa la litografia. Si parte dal substrato di silicio (= wafer). Si prende il silicio e si espone all’aria. Il silicio si arrugginisce e si crea un ossido di silicio (SiO₂) sulla superficie. Questo ossido viene sfruttato perché è un ottimo isolante e protegge il substrato di silicio sottostante. Si spalma sul disco il photoresist, il quale è sensibile agli ultravioletti. Quindi tramite una mascheratura viene illuminato dagli ultravioletti (dove viene illuminato cambia la struttura del photoresist). Sull’ossido di silicio si crea quindi una struttura. Il disco di silicio viene messo in un’altra macchina, la quale li bombarda con gli ioni dell’elemento drogante. Nelle aree protette dal photoresist non si ha questo bombardamento, ma dove non si ha questa protezione i droganti passano nel substrato.

Drogaggio di tipo P = con elementi con elettroni in meno (carica positiva in più). Drogaggio di tipo N = con elementi con elettroni in più → cambiano le caratteristiche elettriche del cristallo di silicio. Questi passaggi vengono ripetuti più volte per creare il pattern di cui ho bisogno. Con varie fasi realizzo i vari drogaggi (p o n) che servono. Si crea una maschera di photoresist e si leva l’ossido dove non serve. Nelle zone aperte si possono mettere dei metalli. Il wafer si mette in una camera a vuoto, dove gli atomi di metallo si depositano sul wafer. Nei dispositivi più economici si utilizza l’alluminio, mentre nei dispositivi più avanzati si utilizza il rame. Attaccando chimicamente le zone non protette, si può togliere il metallo nei punti in cui quest’ultimo è in eccesso. Un esempio di questi dispositivi è il CMOS (non importa sapere i particolari).

Diodi

Un diodo è formato da una zona drogata P vicina a una zona drogata N e una metallizzazione. Quindi si ha una giunzione tra la zona N e la zona P. Come funziona la giunzione P-N nel diodo: Nella zona N ci sono più elettroni liberi di girare, mentre nella zona P ci sono cariche positive libere di girare (CALL= buchi, mancanze di elettroni che girano). Il drogaggio P crea dei buchi e gli elettroni viaggiano con questo meccanismo: Gli elettroni tendono a spostarsi dalla zona N alla zona P per “tappare” i buchi della zona P. Si crea una zona di svuotamento (si svuota di elettroni e di buchi) = depletion region. Quindi si creano due zone, una carica positivamente e una negativamente → si crea campo elettrico, quindi si ha una tensione (barriera di potenziale). La barriera è caratteristica del materiale (in questo caso circa 0.7V).

Quando viene sottoposto a una batteria esterna: la batteria vorrebbe spingere elettroni dal – e riprenderli dal +, ma la barriera potenziale è contro questa cosa. Se la batteria ha un potenziale minore a quello della barriera gli elettroni non riescono a fluire, se è maggiore possono passare. In questa condizione quindi può passare corrente. Mettendo la batteria in questo modo, la batteria aumenta la zona di svuotamento e la barriera. Viene creato un campo elettrico tale che il suo V è uguale al V della batteria. In queste condizioni non passa corrente. Quindi questo componente ha un comportamento molto diverso in base a come viene messa la batteria.

Andamento corrente-tensione all’interno del diodo: Il vero andamento è un’esponenziale, ma dal punto di vista pratico...