Appunti completi Elettronica

Elettronica ed elaborazione segnalibiomedici

Lezione 1: Introduzione alla microelettronica

Studieremo come è fatto un sistema di elaborazione di un segnale. Si ha in generale una quantità fisica rilevata da un sensore che ha il compito di invertire la quantità fisica in un segnale elettrico di facile gestione dal punto di vista di una macchina elettronica. Questo viene poi amplificato con un amplificatore per renderlo più facilmente gestibile come stadio successivo.

Utilizziamo un filtro per amplificare il segnale che mantiene solo il segnale di interesse amplificato eliminando eventuali rumori. Viene fatta un’ulteriore elaborazione analogica mandato ad un ADC (analog to digital converter), un blocco che ci sono in tutti i sistemi che serve per convertire un segnale analogico in digitale, numerico, poi processato da ulteriori blocchi di elettronica digitali quali un computer. In generale ho una strada a senso unico, parto da una quantità fisica e lo rendo disponibile ad un elaboratore.

A volte ho anche dei sistemi che invece realizzano un anello che si chiude sul mondo reale, sul processo che stiamo controllando. Ho un sensore, un blocco di applicazione che amplifica, il convertitore analogico digitale e poi ho un ramo che fa ritornare all’inizio che è un attuatore, che fornisce energia per il processo che voglio controllare. L’interfaccia riceve e fornisce i dati e infine la catena in basso inversa che si comporta in maniera opposta a quella iniziale e mi riporta al mondo reale, interagendo col processo.

La natura dei segnali biomedici

Gli organismi viventi sono sistemi complessi composti da sottosistemi che portano con sé dei processi fisiologici e la maggior parte di questi processi sono caratterizzati da segnali che danno informazioni sulla loro natura. Sono segnali biochimici, elettrici e fisici. In generale dei difetti biologici portano delle alterazioni rispetto ai normali processi fisiologici portando a processi patologici, contraddistinti da segnali diversi dal normale. Dalla lettura di questi segnali capiamo che processo è in atto e se è patologico.

Applicato al paziente, l’analisi della prima slide, viene installato in lui un sensore, isolato e amplificato, filtrato e convertito. Qui a differenza di prima c’è il segnale di isolazione, nel settore biomedicale molto importante, e va inteso come isolamento elettrico. Stiamo applicando strumentazioni elettroniche ad un paziente e questi elettrodi sono collegati ad un sistema elettrico, quindi una condizione pericolosa, quindi serve isolarlo e salvaguardarlo elettricamente.

In ambito biomedicale poi ho un filtraggio fatto nel dominio centrale per rimuovere gli artefatti, legati spesso a movimenti del paziente. Successivamente si devono rilevare degli eventi, componenti di interesse del paziente e da questi essere in grado di effettuare il riconoscimento di certi pattern che vengono classificati e usati per diagnosi e cure. Ci sono diversi dispositivi elettronici in campo biomedico usati in ambito medicale, distinti in dispositivi medici per il monitoraggio dei pazienti, e dispositivi terapeutici per curare il paziente. Nel primo caso troviamo macchine di imaging, oppure di monitoraggio paziente. Nel secondo caso invece ci sono dispositivi come pacemaker o dispositivi chirurgici.

La rivoluzione microelettronica nel settore biomedicale

Le tecnologie microelettroniche si sono evolute nel tempo, e oltre all’elettronica di consumo anche nella smart home, o sistemi di navigazione e dell’automobile. Anche i settori militare e biomedico hanno avuto dei benefici con questa evoluzione. Tutto è iniziato nel 1903 in cui è stato creato il primo dispositivo elettronico per elettrocardiogramma. Da questa prima macchina siamo arrivati a sistemi molto più compatti, anche indossabili o applicabili sulla pelle, che si interfacciano con oggetti di uso comune, telefoni o pc, e la loro non invasività gli dà molti benefici per 24 ore al giorno.

Questo è una scheda blocchi di una tipica applicazione di healthcare. Si parte dal real word che si interfaccia con un sensore che fornisce una grandezza elettrica equivalente alla grandezza che vogliamo monitorare. Si includono questi blocchi, AFE: un blocco di amplificazione, filtraggio e conversione. Il blocco si protezione e isolamento per la sicurezza del paziente. Questi blocchi poi si interfacciano con una unità di controllo, digitale, che a sua volta è in collegamento con interfacce diverse, come display o input che servono per ricevere dati dal mondo.

Importante è la connettività dei dispositivi. L’unità di controllo deve comunicare con il dispositivo elettronico remoto che legge i dati del sistema. Ci sono quindi dei collegamenti con vari modi, bluetooth, USB, Ethernet o Zigbee. In contatto con l’unità di controllo ho la memoria in cui vengono memorizzate le funzioni lette dal sensore. Importante è anche il blocco di power management, perché ho un sistema elettronico che deve essere alimentato. Il sistema è alimentato a batterie e non alla pericolosa tensione di rete. Con le batterie servono dei circuiti elettronici che forniscono tensioni ai blocchi del sistema. Batterie tipiche al litio da 3.6 volt, ma a volte servono anche da 1.8 oppure più grandi di 5-9 volt.

I sensori servono ad emulare i nostri 5 sensi e mettono a disposizione anche altre utilità. Imitano la vista come i CMOS che sono comunemente in telefono e sono matrici di pixel fatti in silicio, chiamati diodi che hanno il compito di raccogliere l’informazione luminosa, i fotoni, e convertirli in un segnale elettrico. Per l’udito abbiamo dei dispositivi come i microfoni. Per olfatto e gusto ci sono sensori di gas o di umidità. Per il tatto ci sono i sensori di tatto che emulano tutto.

Oltre ai sensi ci sono altri sensori usati in applicazioni per controllare l’orientamento e l’equilibrio, con sensori inerziali con accelerometri o giroscopi usati per controllare l’orientamento in 3D. altri usati per emulare la voce, i microspeaker, altoparlanti miniaturizzati. Oppure sensori di pressione. Oltre a ciò ci sono altri dispositivi che sono importanti in questo sistema che ci permettono di realizzare una comunicazione RF (wireless) senza fili dall’interno del corpo per esempio.

Tutto questo è stato ottenuto grazie allo sviluppo della tecnologia elettronica. Partendo dall’inizio ho diversi sviluppi:

• Il primo computer: una macchina alta 2 metri e molto pesante che permetteva di fare delle operazioni, chiamata macchina differenziale di Babbage e costava come delle locomotive a vapore, non economico;
• La rivoluzione di ha nel 1883 con Edison che negli esperimenti con la lampadina si accorge che una corrente elettrica può fluire nel vuoto con un filamento a cui applichiamo una piastra metallica con tensione positiva. Tra filamento e piastra si instaurava una corrente elettrica e se la piastra era negativa il flusso si interrompeva;
• Nel 1904 Fleming inventò il primo dispositivo elettronico di interesse, il Diodo di Fleming, con due terminali, ingresso e uscita, che permetteva il passaggio di corrente dall’anodo al catodo, e sarà alla base di tutta la trasmissione radio;
• Nel 1906 Lee de Forest creò il Triodo, aggiunge un terzo elettrodo, la griglia, che permetteva di controllare il flusso di corrente tra anodo e catodo. Questo è quello che sta alla base di amplificazione del segnale usato in tutti i sistemi elettronici. Nella foto ho la valvola a vuoto, in vetro con dentro il triodo, costosa ma alla base tutto tutto. Il transistor in silicio è arrivato molto dopo;
• Nel 1946 fu realizzano all’ENIAC, università della Pennsylvania fu realizzato il primo computer, fatto con valvole termioniche di prima;
• Invenzione del transistor nel 1947 da Bell Labs fatto da due pezzi di materiali, uno di metallo e uno di semiconduttore che si comportava esattamente come il diodo di Fleming. All’inizio non era in silicio, poi si è sviluppato questo semiconduttore in tutto. Ha caratteristiche a metà tra i conduttori, metalli e gli isolanti come la ceramica. Il Silicio può essere modificato per ottenere delle funzionalità specifiche, cioè si impiantano dentro delle impurità con atomi diversi per realizzare delle zone che creino il transistor;
• Nel 1960 si creò un semiconduttore con dei transistor legati da fili conduttori. In più in questo Bipolar logic ci sono delle piazzole, i terminali che permettono di saldare i circuiti con il mondo esterno, collegando ad altre componenti;
• Nel 1947 è stato creato il primo processore a 4 bit con più transistor di prima, circa 2000-3000. Qui ci sono tre terminali, anodo, catodo e griglia che controlla il percorso. Qui invece ho una tecnologia PMOS in cui i transistor si comportano così come le valvole, sus e drain che sono anodo e catodo e qui il gate che è la griglia che ci permette di modulare tutta la corrente. Questi transistor hanno una lunghezza di canale di circa 40 micron. Tutto il cip era controllato da un segnale clock con una velocità di 100kHz;
• Nel 1982 si creò l’intel 80286 con tre terminali come prima ma che ha ora una lunghezza di 1.5 micron, diminuendo di circa 7 volte le sue dimensioni. Erano collegati tra loro grazie a due tipologie di layer metallici;
• Nel 1997 ho l’intel pentium e la lunghezza è diventata 0.35 micron, in scala nanometrica;
• Core I7 come il pentium realizzato integrando transistor da 45 e 32 nanometri, molto piccoli. Man mano aumenta anche il consumo di energia, e si pone il problema di dissipare il calore, con sistemi di raffreddamento.

Confrontando l’ENIAC iniziale con quello creato dalla stessa università nel 1997 con una tecnologia microelettronica, prima stava in un capannone e ora sta in 5 mm.

Tutti questi circuiti integrati su dei cip di silicio semiconduttore sono realizzati partendo da barre di silicio cristalline, con dimensioni variabili, fatte a fette chiamate Wafers (ueifers), di circa 30 cm e all’interno si realizzano le impiantazioni che servono per fare i transistor. Wafers contiene una matrice ripetitiva di diversi die, chip, che si ripete n volte all’interno e poi si andrà a tagliare in modo preciso per ottenere n cip a partire da un solo wafers.

Il dispositivo principale che ha permesso tutto ciò è il transistor, l’elemento base per la realizzazione di tutti i circuiti integrati in silicio. È un dispositivo a tre terminali, c’è un area a sinistra, la surce, a destra la drein e tra le due aree si instaura una corrente elettrica, controllata da un terzo canale, il gate, la tipica griglia. Il Muse dell’Unibg serve per monitorare attività fisiche come conta passi oppure per monitorare tremori del Parkinson o analisi dell’equilibrio. In tutt’altro campo è stato usato per dei piloti di moto e far scattare un airbag per salvarlo.

Sempre all’Unibg si usano i laser elettroni X-fels, macchine fondamentali per indagare i fenomeni su scala nanometrica. Sono macchine che forniscono dei fasci di raggi X molto intensi che sono spessi usati in vari campi soprattutto in biologia strutturale e in università hanno sviluppato la parte di microelettronica integrata in questi sistemi. Si vede un esempio di questi FEL, una macchina a Stanford in cui c’è una struttura lineare con diversi blocchi collegati che iniettano elettroni (injector), poi accelerano gli elettroni (linac), e nell’ondulatore ci sono magneti che permettono al fascio di elettroni di percorrere un percorso a slalom e la cinetica fa in modo che si generino dei raggi X intensi trasportati alla sala sperimentale con i vari esperimenti.

Lezione 2: Introduzione alla microelettronica e circuiti

Riprendendo il Transistor, è nato dall’invenzione nei primi del 900 della valvola termoionica a tre terminali. In base a source e drain avrò delle correnti più o meno grandi. Questo dimostra il numero di transistor in un complesso, in funzione del tempo. C’è una crescita passando da un singolo transistor, poi complessi discreti, fino a ASIC o IP che integrano milioni/miliardi di transistor.

La legge di Moore e i diversi andamenti

Tutta l’evoluzione è governata dalla legge di Moore che negli anni 60 ha notato che il numero di transistor in un CIP raddoppiava all’incirca ogni due anni. I Cip seguono quindi una crescita esponenziale (vedo slides). Nel 1965 traccia il grafico della slides in cui riporta il numero di transistor integrati per cip in funzione del tempo. I pallini erano i dati sperimentali e poi ha fatto una stima di crescita fino al 1975, tratteggiato. Questo andamento è stato proprio così.

Un parametro importante che descrive la MEMORIA è quanti bit riesce ad immagazzinare. Il bit è una variabile binaria che può assumere solo due stati, 0 e 1. Sul grafico vedo il numero di kbit per singolo cip e anche qui c’è un aumento esponenziale, logaritmico, passando da una capacità di 64kbit che corrisponde alla quantità di bit in un foglio scritto, a contenuti di 10mila come un libro, fino al 2010 con equivalente del contenuto informativo del DNA umano.

Un grafico simile si vede anche nella velocità con cui facciamo lavorare questi strumenti. I sistemi lavorano con un segnale clock con frequenze più alte svolgendo operazioni più velocemente. Si misura questa frequenza in Mhz per anno. Il trend è un po’ diverso ma è sempre crescente. Fino al 2004 è cresciuto bene poi un po’ si è bloccato.

Si parla anche di più un cip è veloce ma più si tende a scaldare il cip e si entra in tematiche di raffreddamento. Questo è un grande LIMITE.

Si vede nella slides dopo una foto di un cip, un microprocessore che include 4 core, e anche il numero di core integrabili per cip ha sempre andamento esponenziale. Aumentando Transistor, frequenza e velocità di essi, si porta con sé un aumento di potenza che deve essere dissipata sotto forma di calore. Oltre ad aumentare il numero di Transistor, si aumenta anche la densità di potenza, che anch’essa inizialmente dal 70 al 90 non cresceva molto, ma fino ai giorni nostri sì, e questo crea un potere serio della dissipazione. Un parametro importante è il costo del transistor, che ha un andamento completamente opposto, una decrescita. Segue la legge di Moore con andamento completamente opposto e ora come ora costo molto meno.

Nella tavola periodica ci sono gli elementi impiegati nei cip di silicio nelle varie decadi. Si osserva che ciò che ha sostenuto questo sviluppo elettronico è stato un aumento del numero di materiale, di elementi impiegati. Negli anni 80 erano pochi, nel 2000 molti di più. Questo ci permette di creare strutture sempre più piccole e performanti.

Per quanto riguarda le dimensioni, anche questo ha un andamento opposto al normale. La distanza tra source e drain è chiamata canale e ha una lunghezza, la lunghezza di canale. Il grafico ci fa vedere la lunghezza minima di canale in funzione del tempo. Fino a dove può arrivare questa curva? Quanto piccoli possono essere? Cioè c’è un limite a questo trend? Sono fatti generalmente da uno strato di poli-silicio e silicio e tra i due strati c’è uno strato di ossido di gate. Scalando le dimensioni del transistor, riducendo la lunghezza di canale, cambia anche la struttura dell’ossido di gate e diminuisce. Permette di separare il gate con il canale che fa il passaggio di corrente tra source e drain. Quando quindi diminuisce la lunghezza di canale del dispositivo, per fare in modo che si comporti bene si deve diminuire anche questo ossido che tende ad essere sempre più sottile.

Nelle tecnologie avanzate siamo arrivati a poco più di 1 nm, ci sono quindi solo 3 strati atomici, è molto piccolo. Volendo ridurre ancora la lunghezza del canale per renderlo più piccolo vorrebbe dire assottigliare l’ossido che già è piccolo, siamo molto vicini al limite. Si sta quindi cercando nuovi materiali e metodi per ovviare a questo problema.

Nel corso degli anni si è pagato molto per rendere sempre vera la legge di Moore, vogliamo quindi continuare a seguire questa legge More Moore, anche se siamo di fronte a dei limiti fisici per cui ci sono industrie che seguono un altro approccio, quello del More Than Moore, che prevede di aumentare le prestazioni di un sistema non diminuendo le dimensioni, ma investendo sull’integrazione di componenti eterogenee su un sistema. Questo ha portato alla creazione dei SoC, che integrano al loro interno componenti diverse.

Lo sviluppo di strutture microelettroniche ha portato in molti ambiti a strutture più compatte (vedo slides) per l’elettroencefalogramma, per esempio con elettrodi letti da un circuito integrato EEG ASIC ULP (ultra low power), con poca dissipazione di potenza, collegato in modo wireless, e ciò che ha reso possibile questo è stato l’ASIC, il circuito integrato. L’ASIC si vede qui come microfotografia, di 4x4mm circa che ha 8 canali di lettura e integrano l’elettronica di amplificazione, isolamento, filtraggio… il bias collega e il cip è piccolo e ottimizzato consuma una potenza piccola di 200 microwatt che rende il sistema adatto ad essere alimentato con una semplice batteria.

Queste macchine ricevono segnali che non sono puliti, che a volte segnano anche artefatti dovuti a movimenti del paziente o ad interferenze del luogo. Nell’ECG vediamo i picchi che rappresentano il segnale vero, più le parti più basse che sono date da artefatti per il movimento. Gli artefatti possono essere riparati conoscendo le dinamiche. Si può controllare l’impedenza, contatto tra tessuto ed elettrodo, rimuovendo la componente di questo dal segnale.