L’audio, inteso nella sua più ampia accezione come fenomeno acustico (suoni, voce, musica, ecc.) è senza dubbio il media più ricco di informazioni che le persone utilizzano sia per comunicare, sia per interagire con l’ambiente esterno. La natura acustica dell’informazione di segnale audio è tale da non impegnare chi lo utilizza in termini di “collaborazione” come per esempio accade per l’informazione di segnale video che impone all’utilizzatore di “osservare” o di “farsi osservare”, quindi di collaborare. L’informazione di segnale audio può essere acquisita da una persona o da un sistema senza modificare la propria posizione e indipendentemente dalla sua volontà di ascolto. Queste peculiarità dell’informazione di segnale audio sono alla base di applicazioni innovative in ambiti tecnologici emergenti come il wearable, Internet of Things, l’automotive infotainment, la domotica, il medicale, ecc. La tecnologia microelettronica relativa all’audio è stata focalizzata in passato soprattutto sulla parte di front-end analogico, ma recentemente un notevole sviluppo si è concretizzato nella direzione dell’integrazione analogico-digitale e soprattutto dell’integrazione System-on-Chip. Sviluppi importanti e interessanti sono stati fatti relativamente alla connettività wireless audio, in particolare l’audio streaming di alta qualità senza compressione dei dati. L’ottimizzazione energetica (low e ultra low-power) e la riduzione delle dimensioni dei componenti, soprattutto grazie alle tecnologie System-on-Chip, sono due delle principali caratterizzazioni dei circuiti integrati per l’audio che stanno emergendo, soprattutto per soddisfare le crescenti esigenze applicative dei sistemi portatili e wireless. Un altro importante aspetto d’innovazione per la componentistica audio è stata la riduzione delle dimensioni congiunta all’aumento della densità di integrazione, sia a livello strettamente elettronico (amplificazione, elaborazione, controllo, ecc.), sia a livello elettroacustico, di cui i microfoni Mems sono senza dubbio l’esempio emblematico.
Audio IC e wearable
Grazie alla tecnologia microelettromeccanica è stato possibile agire in termini dimensionali sulle dimensioni dell’ultimo anello della catena audio, il microfono e l’altoparlante. Il wearable, sinonimo di miniaturizzazione estrema, per integrare la funzionalità audio ha dovuto rivedere completamente il paradigma realizzativo dei dispositivi, in particolare la natura realizzativa del microfono e dell’altoparlante. La tecnologia Mems in questo caso è stata fondamentale per fare il salto dalla miniaturizzazione, che aveva ormai raggiunto i suoi limiti fisici, alla microelettromeccanica, che ha aperto spazi applicativi prima impossibili. I microfoni Mems sono ormai da considerarsi una tecnologia allo stato dell’arte per la realizzazione dei sensori elettroacustici microfonici. L’interessante dei microfoni Mems non sta tanto nelle ridottissime dimensioni, ma sostanzialmente nel livello di integrazione che si estende non solo alla parte mixed-signal, ma anche a quella del controllo e dell’interfaccia di comunicazione nel dominio digitale. Le dimensioni dei microfoni Mems sono un importante elemento di scelta in varie tipologie applicative e per questo motivo tali dispositivi sono disponibili come integrati sia nella versione analogica, sia in quella digitale. Considerando le dimensioni del sistema, il posizionamento dei componenti, le interconnessioni elettriche e le possibili sorgenti di rumore, la scelta tra la soluzione analogica e quella digitale diventa determinante ai fini di una applicazione audio ottimale. Il package di un microfono Mems analogico è più piccolo di quello del microfono Mems digitale, però le sue caratteristiche elettriche sono tali da non consentire l’utilizzo in certe applicazioni ove per esempio non è possibile tenere il microfono vicino al convertitore analogico-digitale, evitando che le interconnessioni catturino rumore di varia natura. Un microfono Mems analogico si caratterizza per un’impedenza di uscita di poche centinaia di Ohm, quindi è necessario far seguire l’uscita di tale dispositivo da un amplificatore operazionale inteso ad attenuare il livello del segnale e ad evitare che saturi ai livelli di tensione d’alimentazione. Il livello di integrazione dei microfoni è fondamentale per il superamento dei limiti applicativi ove le dimensioni rappresentano un fattore importante per il successo dell’applicazione. Un esempio importante viene dall’innovazione che i microfoni Mems stanno portando nel campo dei sistemi di ausilio all’ascolto per ipoudenti. In questo campo la tecnologia microfonica corrente, quella cosiddetta Ecm (Electrec Condenser Microphone) ha una serie di limitazioni relative alla stabilità, ripetibilità e in generale alle prestazioni che solo la tecnologia dei microfoni Mems sta dimostrando di poter superare. Un altro aspetto di innovazione della tecnologia dei microfoni Mems, legata alle ridottissime dimensioni, ma anche alla qualità del segnale catturato, è quello delle applicazioni multimicrofoniche, dette anche array microfonico. Le applicazioni multimicrofoniche (due o più microfoni operanti in parallelo) sono sempre più significative in conseguenza di utilizzo crescente della funzionalità vocale nei dispositivi sia di comunicazione, sia di accesso all’informazione. Applicazioni come la cancellazione d’eco, la riduzione del rumore , la localizzazione delle sorgenti audio, ecc. sono solo alcune delle applicazioni che fruiscono dei vantaggi funzionali dei microfoni Mems. Lo STEVAL-MKI126V2 di STMicroelectronics per esempio è una scheda che può connettere fino a 6 microfoni utilizzando appositi zoccoli oppure un array di 6 microfoni dedicati. Questa scheda dispone di una interfaccia digitale che consente l’interfacciamento verso i dispositivi audio che possono catturare l’audio multimicrofonico e processarlo in modalità multisorgente. Il segnale Pdmin uscita dai Mems viene convertito in segnale I2S e Pwm, il primo per essere trasferito in forma digitale, mentre il secondo in forma analogica. I microfoni Mems onboard sono MP34DB01.
Digital Audio Processor
L’audio digitale e le relative applicazioni implicano una elevata ottimizzazione delle funzionalità di signal processing da una parte e di controllo dall’altra. In passato la soluzione consisteva in schede basate su application specific processor, in particolare i Dsp da 16 fino a 32 bit affiancati da altri chip ausiliari come i codec, le periferiche di comunicazioni seriali sincrone, i front-end analogici, ecc. Ora queste soluzioni sono integrate su singolo chip e basate su architetture di computing non application-specific. Per esempio, il STA321MP di STMicroelectronics è un processore PDM ad elevate prestazioni per applicazioni basate su microfoni multipli (array). Si tratta si un sistema su chip completamente digitale, quindi predisposto a ricevere in ingresso segnali audio in formato digitale. Il segnale PDM viene passato ad un audio processor che implementa le funzionalità di mixing e muxing, oltre a quelle di filtraggio (10 biquad configurabili come equalizzatore). Il segnale audio processato viene riportato in uscita su interfaccia I2S. Il processore audio consente di eseguire una serie di elaborazioni tipiche delle applicazioni audio, per esempio quelle di equalizzazione, di limiting/compressione, selezione multibanda per l’eliminazione del rumore, ecc. I canali (in totale 8) sono tutti a 24 bit e quindi viene garantita una qualità audio digitale superiore a 100 dB di rapporto segnale/rumore. Pur essendo destinato ad applicazioni di audio vocale, la precisione del formato digitale (24 bit) è effettivamente molto elevata, abbastanza prossima ai requisiti delle applicazioni audio di qualità.
Il chip SigmaDSP ADAU1701 di Analog Devices è un esempio di integrazione su un solo IC di tutto il sistema di elaborazione digitale del segnale audio per applicazioni di elevata qualità come i sistemi audio multispeaker, la televisione digitale, i sistemi di crossover per gli altoparlanti, i sistemi audio integrati, ecc. ADAU1701 è un single-chip audio system basato su un Dsp a 28/56 bit, 2 Adc, 4 Dac. La precisione computazionale del Dsp è di 28 bit (12 bit oltre i 16 bit) con estensione hardware fino a 56 bit. Ciò consente di implementare algoritmi di audio processing computazionalmente ottimizzati fino a 24 bit di qualità senza appesantire la codifica con istruzioni di controllo e aggiustamento della precisione. L’estensione di 4 bit è gestita internamente dall’Alu in modo da evitare le distorsioni per saturazione (clipping) fino a un massimo di dinamica di 24 dB. Per gestire in maniera ottimale la variazione di formato (24/28/24) dei dati audio in ingresso e uscita per evitare la saturazione, il chip dispone di un circuito dedicato di gestione del formato, un digital clipper che condiziona il formato da 28 interno all’ALU a 24 esterno verso il Dac, eseguendo l’estensione del segno sul bit 23 del dato. In tal modo gli algoritmi e i processi di elaborazione dell’audio non si fanno carico delle problematiche di normalizzazione dei dati in input e in output. ADAU1701 è in grado di caricare il codice di programmazione da una Eeprom seriale oppure da un microcontrollore esterno. Molto interessante è la capacità di memorizzare nella Eeprom esterna il suo stato al momento del power down.
Amplificatori audio per sistemi portatili
L’amplificazione del segnale audio è una delle funzionalità dei sistemi portatili più sensibili alle problematiche di consumo di potenza elettrica, ma anche alla linearità, soprattutto in sistemi audio di qualità. L’efficienza energetica del sottosistema di amplificazione audio dei dispositivi portatili (per esempio MP3 player, smartphone, ecc.) è oggetto di ottimizzazione in funzione del tipo di uscita audio che si deve gestire. A tale scopo sono stati sviluppati vari modelli di amplificazione che cercano di ottimizzare entrambi gli aspetti. Gli amplificatori più lineari sono quelli in Classe A, che però allo stesso tempo sono i meno efficienti. Questo modello di amplificazione, basato su un solo transistor, si è evoluto in successive Classi, con l’obiettivo di ottimizzare il consumo energetico. Sono state sviluppate altre configurazioni di amplificazione, come per esempio la Classe B (push-pull) che utilizza due transistor che lavorano alternativamente con l’alternarsi della fase del segnale audio, diminuendo in tal modo il consumo di potenza, introducendo però non linearità per i piccoli segnali. La Classe AB di amplificatori ottiene il meglio dalla due classi di amplificazione (A e B), sia in termini di linearità per i piccoli e grandi segnali, sia per consumo di potenza elettrica (l’efficienza energetica è di circa il 65%). Ovviamente questa efficienza non è sufficiente per far durare in maniera ragionevole la batteria dei dispositivi portatili, per cui, per tali dispositivi, l’amplificazione in Classe D è la soluzione più applicata in quanto l’efficienza in questo caso è dell’ordine del 90%. Tale efficienza deriva dall’utilizzo in questo tipo di amplificatore della conversione da segnale AM (modulazione di ampiezza) a segnale Pwm (modulazione ad ampiezza d’impulso) per pilotare due transistor che operano solo a due livelli (ON e OFF) ottenendo in tal modo un segnale audio di natura impulsiva variabile in durata dell’impulso. Questa ulteriore ottimizzazione di efficienza introdotta con la Classe D di amplificazione estende quindi le prestazioni degli amplificatori in classe AB, offrendo in tal modo una soluzione di amplificazione per i sistemi portatili ad elevato requisito di qualità audio e basso consumo di potenza.
Per esempio, l’amplificatore in Classe D Max98304 di Maxim Integrated è un amplificatore da 3,2 W mono con qualità AB ed efficienza D, a guadagno programmabile (0, 3, 6, 9, 12 dB), che oltre all’efficienza energetica e alla linearità, offre altre peculiarità particolarmente importanti per i sistemi portatili. Le dimensioni sono molto ridotte (1 x 1 mm) in package WLP alto 0,3 mm e l’uscita non richiede il filtraggio in quanto questo dispositivo utilizza uno schema di modulazione filterless spread-spectrum, soddisfando in tal modo anche il requisito di riduzione del numero di componenti necessari per la realizzazione del dispositivo portatile. Un’ulteriore ottimizzazione è rappresentata dalla Classe G di amplificazione che utilizza
più generatori di tensioni, ottimizzando tale alimentazione per i piccoli e per i grandi segnali. Inoltre, non soffre delle problematiche Emi tipiche degli amplificatori in classe D, pur conseguendo efficienza superiore a quella della Classe AB. La combinazione della Classe D con la Classe G, quindi la classe DG, mette insieme il meglio delle due tipologie di amplificazione. La Classe H di amplificazione è il caso più ottimizzato, ma è anche il più complesso in quanto richiede circuiteria di controllo per la predizione e il controllo delle alimentazioni. Il livello di ottimizzazione dei consumi e l’elevata efficienza di questa classe di amplificatori è tale che è stato integrato da Maxim nel audio Codec ultra low-power Max98091. Questo è un Codec stereo audio ad elevate prestazioni con consumo di potenza elettrico bassissimo, pensato proprio per le applicazioni portatili, quindi alimentabili a batteria. La qualità dei componenti di questo Codec è molto elevata (102 dB DR Stereo DAC e 99 dB DR Stereo Adc) e pur disponendo di un Dsp al suo interno, il Flexsound Dsp, il consumo di potenza è bassissimo. A tale efficienza energetica contribuiscono sia l’amplificatore in Classe D stereo a basso Emi che pilota gli altoparlanti, sia l’amplificatore in Classe H DirectDrive che pilota la cuffia.
Wireless Audio Streaming
Un altro importante campo applicativo cui la soluzione integrata per l’audio contribuisce in maniera determinante è lo streaming audio wireless. Lo streaming audio wireless implica il soddisfacimento di due requisiti applicativi fondamentali, la qualità e il consumo di potenza elettrica. Il requisito elettrico diventa comunque particolarmente importante se le applicazioni sono di natura portatile.
Texas Instruments ha realizzato la piattaforma PurePath Wireless, una chip a basso consumo ottimizzato per le trasmissioni wireless di audio digitali di alta qualità. Il chip CC85xx integra un protocollo di trasmissione audio wireless e la logica di controllo un serie di dispositivi audio esterni, senza interferire con altri sistemi radio a 2.4 GHz. Il dispositivo può essere controllato da una Mcu, ma può anche operare autonomamente. Il chip è in versione a due canali (CC8520) o a quattro canali (CC8530) e consente di realizzare, anche in maniera immediata, un’applicazione per connessione diretta del dispositivo audio agli ingressi e uscite del chip. L’audio trasmesso non è compresso e di qualità CD. Lo streaming audio è multicanale compatibile con Bluetooth e Wlan.
