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COMPONENTS SENSING CAPACITIVO
66 - ELETTRONICA OGGI 452 - MARZO 2016
può beneficiare della risolu-
zione e della precisione eleva-
te dei convertitori sigma-delta,
che sono combinati a velocità
relativamente bassa. Poiché
la capacità elettrica misurata
è collegata alla terra virtuale
dell’ingresso dell’integrato-
re, non vi è alcuna necessità
di tener conto delle capacità
parassite in parallelo alla terra. In ogni caso, i segnali di di-
sturbo elettronico provenienti dall’esterno del chip in genere
possono essere soppressi con i grandi filtri digitali utilizzati
nei convertitori sigma-delta. Inoltre, la capacità elettrica di
riferimento può essere generalmente realizzata in modo da
avere un gradiente di temperatura simile a quello della capa-
cità misurata. Di conseguenza, il CCD può fornire in diversi
modi misurazioni precise della capacità prive di distorsioni
o errori.
Tuttavia, il problema posto dal CCD è l’incapacità di rileva-
re i percorsi a bassa impedenza in parallelo, che possono
manifestarsi nel tempo a causa di artefatti ambientali quali
umidità o sporcizia. Questi contaminanti distorcono le misu-
razioni del dispositivo scaricando la capacità elettrica du-
rante il processo. In questo modo una parte della carica non
raggiunge l’integratore: la contaminazione ambientale finisce
dunque per causare una diminuzione del valore effettivo del-
la capacità, rispetto alla misurazione corretta.
Il metodo PICO-CAP
Nel sud ovest della Germania, nei pressi della città di
Karlsruhe, ha sede una società chiamata acam Messelektro-
nik, una controllata della nota casa costruttrice di sensori
e semiconduttori ams (Unterpremstätten, Austria,
acam è specializzata in convertitori tempo-digitale
(TDC) ad altissima precisione, basati su un oscillatore ad
anello ricavato da un numero dispari di invertitori digitali. La
costante di tempo più piccola misurabile da questo oscillato-
re ad anello è il ritardo di un singolo inverter, permettendo al
dispositivo di operare a frequenze di misurazione nell’ordine
di grandezza dei 10 GHz. (Queste operazioni ad alta frequen-
za on-chip non possono mai essere implementate su sche-
da, dato che possono causare gravi problemi di interferenza
elettromagnetica e da radiofrequenza.)
Utilizzando un convertitore tempo-digitale acam, la misura-
zione di piccole capacità dell’ordine dei pF richiede solo di
quantificare il tempo di scarica, utilizzando il metodo deno-
minato PICO-CAP.
Per compensare eventuali variazioni di temperatura o di pro-
cesso, l’utente può confrontare il tempo di scarica misurato
con il tempo di scarica di una
capacità elettrica di riferimen-
to, costruita nello stesso pro-
cesso della capacità misurata.
Entrambe le misurazioni uti-
lizzeranno il clock interno del
chip: di conseguenza le varia-
zioni imputabili ai cambiamen-
ti di temperatura non hanno
alcun effetto.
Ma il metodo PICO-CAP presenta anche altri vantaggi. Può
rilevare facilmente se la capacità misurata è realmente col-
legata, se vi è un filo interrotto o un corto circuito, poiché
la carica della capacità avviene con un’impedenza elevata
nella parte iniziale del processo di carica (Fig. 5). La parte
finale del processo è condotta utilizzando l’impedenza mi-
surata. Esaminando la curva di carica, il sistema può rile-
vare se sta misurando un cortocircuito, un filo interrotto o
la capacitanza corretta. Per eliminare l’effetto di distorsione
dovuto alle capacità elettriche parassite, il PICO-CAP offre un
metodo per rilevare e misurare la loro grandezza. Gli switch
interni forniscono accesso alle capacità elettriche parassite,
commutando la capacità da misurare in un ordine specifico,
sia in stadio single ended, sia differenziale verso la terra e
l’alimentazione (Fig. 6).
Il metodo PICO-CAP per misurare la capacità è veloce, offre
risoluzione e precisione elevate, ed è inoltre relativamente
facile da implementare per il progettista di sistemi. Ad ogni
modo, possono sorgere problemi con le capacità elettriche
più elevate, che possono portare il convertitore tempo-digi-
tale ad acquisire segnali indesiderati di notevole entità. L’ele-
mento principale del circuito di misurazione è un compara-
tore, e se questo è saturo, nessun filtro a valle sarà in grado
di calcolare il segnale reale.
Ciò significa che le conduttanze indesiderate in parallelo non
possono essere misurate e rilevate. Fortunatamente, esiste
Fig. 4 - La struttura di ingresso di un CCD
Fig. 5 - Il metodo PICO-CAP per caricare una capacità