Front End analogico

Un front end analogico (Analog Front End o AFE) è un dispositivo a semiconduttore utilizzato per il condizionamento del segnale in uscita dai sensori.

Cos'è un Front End Analogico AFE

Nella maggior parte dei casi, l'uscita dai sensori richiede amplificazione e condizionamento in modo da fornire il miglior segnale possibile all'ADC (convertitore analogico-digitale).

Tale combinazione di circuiti di condizionamento è chiamata front end analogico (AFE). 

Un AFE è costituito da amplificatori analogici, amplificatori operazionali, filtri e circuiti integrati. 

Questo blocco funzionale configurabile viene utilizzato per interfacciarsi con una varietà di sensori.

È così possibile ottenere le migliori prestazioni quando si convertono le uscite del sensore in un segnale favorevole all'ingresso del dispositivo ADC.

Funzionamento di un AFE

Molti sistemi di sensori analogici comprendono tre elementi: il sensore analogico che misura una specifica forma energetica, il microcontrollore (MCU) che elabora in digitale il segnale del sensore, e l'AFE tra di essi. 

L'AFE riceve il segnale del sensore e lo trasforma affinché l'MCU lo possa usare. Questo perché spesso i segnali di uscita del sensore non si possono interfacciate direttamente all'MCU.

Invece, un AFE si può generalmente collegare al microcontrollore mediante interfacce seriali standard disponibili in uscita. 

Applicazioni dei dispositivi AFE

Gli AFE si possono trovare ovunque, dai sistemi di monitoraggio della salute personale fino agli enormi array di sensori dell'acceleratore LHC.

A seconda dell'applicazione, l'AFE svolge molteplici funzioni: 

Amplificazione

L'AFE può amplificare i segnali troppo deboli per essere letti dall'MCU. 

Il circuito AFE impiega amplificatori per fornire tensioni di uscita che sono fino a migliaia di volte superiori alla tensione fornita dal sensore. 

Questo viene in genere fatto con amplificatori operazionali che possono variare ampiamente in termini di costo e potenza in base alle caratteristiche richieste. 

A seconda delle caratteristiche del sensore, la struttura dell'amplificatore AFE varierà. Ad esempio:

• se l'uscita del sensore è differenziale e a bassa impedenza, è possibile utilizzare un semplice ingresso differenziale.
• Se l'uscita del sensore è differenziale e ad alta impedenza, potrebbe essere necessario un amplificatore per strumentazione più complicato, con corrispondenti ingressi ad alta impedenza.

Filtro

L'AFE può filtrare gli intervalli di frequenza indesiderati dal sensore (rumore) e rimuoverli prima che il segnale analogico venga convertito in digitale. 

Impiega circuiti di filtro passa-basso per bloccare il rumore ad alta frequenza e/o circuiti passa-alto per rimuovere il rumore a bassa frequenza.

Conversione dei segnali

L'AFE può convertire i segnali da un tipo di segnale a un altro. Ad esempio, i sensori tipici emettono una tensione, altri una corrente. 

I circuiti ADC MCU non accettano input di corrente, quindi tali correnti devono essere convertite in tensioni prima di passare all'MCU. 

Questa conversione da corrente a tensione viene eseguita dal circuito AFE, il quale amplifica anche la tensione risultante a livelli utilizzabili dall'MCU.