65 / 104
COMPONENTS
SENSING CAPACITIVO
65
- ELETTRONICA OGGI 452 - MARZO 2016
errore, poiché influenzata non solo dalle variazioni di tempe-
ratura, ma anche della tensione di alimentazione.
Metodo del bilanciamento della carica
Il principio del metodo basato sul bilanciamento della ca-
rica è il trasferimento della stessa da una capacità elettri-
ca già nota e completamente carica verso un corpo con-
duttore di capacità elettrica sconosciuta: il calcolo della
carica residua nella capacità nota rive-
la la grandezza della capacità elettrica
sconosciuta (Fig. 2).
Nel caso più semplice, si dovrà caricare
la capacità elettrica nota e trasferirne la
carica verso la sconosciuta, semplice-
mente collegando i corpi conduttori tra
loro utilizzando un interruttore. Apparen-
temente è un procedimento semplice, ma
se analizzato nei dettagli presenta alcu-
ne difficoltà.
Prima di tutto, l’interruttore necessita di una capacità in in-
gresso molto più bassa del valore della capacità da misura-
re. Quando si deve misurare una capacità nell’intervallo di
grandezza pF, un interruttore di questo tipo è difficile da im-
plementare. Inoltre la capacità in ingresso deve essere molto
stabile rispetto alla temperatura.
In secondo luogo, l’impedenza dell’amplificatore utilizzato
per misurare lo stato di carica deve essere estremamente
elevata: persino un amplificatore con impedenza maggiore
di 1 G
Ω
comporterebbe errori nella misurazione. Tali valori
di impedenza possono essere ottenuti solo in ambiente di
laboratorio; sul campo, l’esposizione alla polvere e all’umi-
dità protratta per anni rendono quasi impossibile trovare un
amplificatore con tali caratteristiche.
Un’eccezione è rappresentata, su scala nanometrica, dagli
accelerometri nanotecnologici che utilizzano il principio del
bilanciamento delle capacità elettrica per ottenere misura-
zioni a elevata precisione.
Circuiti a ponte
Questo metodo si basa su un circui-
to molto simile a un classico ponte di
Wheatstone. Proprio come quest’ulti-
mo, si basa su un confronto tra due
partitori di tensione: un percorso noto
e un percorso che include la capacità
elettrica da misurare (Fig. 3). La diffe-
renza tra le due tensioni al centro è
amplificata e digitalizzata. Il ponte do-
vrà essere alimentato da una corrente
alternata di frequenza appropriata.
Questo metodo per misurare la capacità elettrica è usato di
rado su scheda, poiché richiede tre capacità uguali con tol-
leranza limitata per la varianza tra le stesse. Questa soluzio-
ne risulta costosa da realizzare nella pratica.
A livello di chip, tuttavia, è molto più semplice da implemen-
tare. Capacità elettriche dell’ordine dei pF sono comuni e
non devono essere realizzate con precisione: infatti è ne-
cessario conoscere con precisione la proporzione ma non il
valore assoluto delle capacità in esame.
Inoltre, poiché le capacità on-chip hanno
caratteristiche termiche molto simili, le
misure di capacità elettrica del circuito
restano stabili rispetto alla temperatura.
Nuovi metodi per la misurazione
della capacità elettrica
Il convertitore capacità-digitale
Da un punto di vista tecnico, il termine
“convertitore capacità-digitale” (CCD)
può essere applicato a qualsiasi convertitore basato su un
circuito di bilanciamento della carica modificato o su un cir-
cuito con condensatori commutati. Tuttavia, solo i converti-
tori sigma-delta sono solitamente denominati CCD.
Il CCD rappresenta l’inversione di un circuito di bilancia-
mento convenzionale. Di norma lo stadio di ingresso di un
circuito di bilanciamento ha due capacità note (solitamente
uguali) e una tensione di riferimento nota. L’obiettivo è misu-
rare una seconda tensione sconosciuta.
Il CCD fa il contrario: utilizza due tensioni note (solitamente
uguali) e una capacità di riferimento, misurando la capacità
restante sconosciuta (Fig. 4).
Per prima cosa, è opportuno illustrare il circuito all’ingresso
dell’integratore. È qui che i valori di carica sono confrontati.
Affinché il circuito sia in grado di rilevare le variazioni di
capacità elettrica, l’ingresso del comparatore deve essere
a un valore medio di zero. Ciò significa che il comparatore
deve commutare la tensione di ri-
ferimento nella parte superiore del
circuito ogni volta che è necessario
compensare il valore di carica nella
parte inferiore del circuito.
Maggiore sarà la frequenza di que-
sta operazione, più alto sarà il valo-
re della capacità elettrica misurata.
(Questa spiegazione semplificata
non tiene conto della notevole com-
plessità di filtraggio alla base del
funzionamento di un convertitore
sigma-delta.)
Il vantaggio di questo circuito è che
Fig. 2 - Circuito semplificato per l’implemen-
tazione del metodo del bilanciamento della
carica
Fig. 3 - Uso di un circuito a ponte per misurare una capaci-
tà elettrica sconosciuta