Il Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni (DET) del Politecnico di Torino (PoliTo) ha annunciato che il dottorando Pedro Toledo – in collaborazione con il gruppo del professor Sergio Bambi dell’Universidade Federal di Rio Grande do Sul e con il gruppo GreenIC del professor Massimo Alioto della National University of Singapore (NUS) – ha sviluppato il più piccolo amplificatore operazionale al mondo, con un consumo di 500 picoWatt e una superficie di soli 1500 micron quadrati.

Che cosa è un amplificatore digitale?

Un amplificatore in classe D (d sta per digitale) è un apparecchio a commutazione che ha il compito di generare impulsi successivamente all’emissione di un segnale che va da analogico a digitale, riformulando in seguito una conversione nella direzione opposta, ovvero da digitale ad analogica.

Si tratta di apparecchi dall’alta efficienza energetica, ed è anche per questo che molto spesso vengono identificati come l’opzione migliore per i sistemi audio domestici, portatili e per auto.

Ritornando a noi…

Il lavoro sarà presentato alla conferenza ISICAS 2021 che si terrà a Singapore dal 9 all’11 dicembre 2021 e i risultati della ricerca sono stati pubblicati su IEEE Solid-State Circuits Letters, IEEE Transactions on Circuits and Systems part I e IEEE Transactions on Circuits and Systems part II.

Un possibile campo di applicazione è ad esempio quello dei sensori impiantabili a fini medicali nel corpo umano per rilevare dati in tempo reale trasferendoli a un dispositivo esterno in modalità wireless.

É grande come una cellula umana e richiede così poca energia da non aver bisogno nemmeno di una batteria: l’alimentazione viene fornita da una piccolissima cella solare.

I punti di forza sono sostanzialmente due:

• dimensione di 1.500 µm² 
• 500 picoWatt, con 1 pW che è pari a 10^-12 Watt.

“L’amplificatore digitale proposto non solo batte i record di consumi e di area, ma permette anche di ridurre in modo significativo i tempi di progetto“, spiega il dottorando Pedro Toledo. Dunque rientra tra i dispositivi energeticamente autonomi, che non necessitano di batterie o di collegamenti: preleva l’energia dall’ambiente circostante, e ciò è più che sufficiente per un corretto funzionamento.

L’importanza di questo progetto è data dal fatto che, se è vero che il costante sviluppo delle tecnologie dei semiconduttori ha permesso di migliorare sempre più le prestazioni e di ridurre in modo eccezionale il consumo di energia e le dimensioni dei circuiti digitali, è altrettanto vero che i circuiti analogici come gli amplificatori non hanno praticamente tratto vantaggio dai recenti sviluppi tecnologici. Per questo motivo gli amplificatori e gli altri circuiti analogici, che sono tuttavia indispensabili in ogni sistema elettronico – per acquisire segnali provenienti dal mondo esterno e per convertirli in formato digitale – rappresentano oggi un punto critico in termini di consumo di energia e di dimensioni dei sistemi elettronici integrati e rappresentano un importante ostacolo per lo sviluppo di tecnologie emergenti quali l’IoT e dispositivi biomedicali impiantabili.

L’amplificatore sviluppato da Pedro Toledo riesce ad abbattere i consumi e a ridurre le dimensioni grazie all’applicazione di una tecnica innovativa ideata dal nostro gruppo negli ultimi anni, che prevede di “tradurre in digitale” il funzionamento di circuiti analogici come gli amplificatori, così da poter trarre pienamente vantaggio dei recenti sviluppi delle tecnologie dei semiconduttori – Paolo Crovetti, docente del Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni del Politecnico di Torino