Soluzioni analogiche per SoC multimediali

IC ANALOGICI –

Le applicazioni multimediali sono uno dei settori in cui maggiormente si evidenzia la crescente diffusione di SoC misti analogico-digitali; la circuiteria analogica infatti fornisce al SoC le funzioni essenziali per la gestione della potenza.

L’elettronica di consumo offre gli utenti dispositivi sempre più piccoli, più accessibili e più ricchi di funzioni: tra i costruttori la differenziazione si gioca sulle prestazioni e sull’efficienza, anche perché il pubblico pretende ormai, indipendentemente dalle dimensioni dell’apparecchio e quindi anche su tutta l’elettronica mobile o tascabile, una qualità analoga a quella dei prodotti per uso residenziale: quindi alta elevata qualità audio-video (Hi-Fi, 1080p, ecc) e multi-funzionalità. Nell’ambito multimediale l’elettronica analogica occupa tutt’ora un ruolo preponderante con codec e front-end (interfacce) video e audio. Le interfacce video (o decoder video) sono componenti fondamentali dell’elettronica domestica e personale, dai televisori a schermo piatto, ai monitor per Pc, ai vari prodotti per l'home entertainment (set-top box satellitari, videoregistratori, lettori Dvd, fotocamere e videocamere digitali ecc.). Un rapido sguardo alla parte posteriore di uno qualsiasi di questi apparecchi mostra diversi connettori che corrispondono ai diversi modi in cui è possibile ricevere un segnale video analogico, ad esempio Rgb, YPbPr e S-Video.

Analogica e video
Grazie all’elevata qualità dell'immagine e ai ridotti consumi energetici rispetto alle interfacce video digitali, esiste un fiorente mercato per i dispositivi che usano lo standard video analogico come principale fonte di trasmissione del segnale. Idealmente, per soddisfare le diverse esigenze applicative, i progettisti mirano a integrare nei SoC decoder video ad alte prestazioni in grado di catturare e digitalizzare sia segnali video Xvga che i vari formati di analogici, tra cui il nuovo 1080p (noto come Full Hdtv), che nelle versioni 1080p50 e 1080p60 sembra destinato ad essere il futuro standard di produzione per le trasmissioni televisive ad alta definizione (Hdtv). Dal punto di vista del funzionamento pratico, un decoder video è pensato per ricevere un segnale analogico, generalmente proveniente da un Dac video e trasmesso su cavo 75 Ω. In alcuni casi però i segnali video analogici possono essere originati in modo diverso, ad esempio nel caso delle trasmissioni televisive in cui l’interfaccia video viene utilizzata dopo la conversione in radiofrequenza. In genere quindi, la sorgente del segnale e il canale di trasmissione sono spesso sconosciuti e non normalizzati. Il circuito di interfaccia video comprende quindi uno o più Adc e una serie di circuiti di clamping, filtraggio e condizionamento del segnale con in più, in certe applicazioni anche circuiti di sincronismo (sync) utilizzati per estrarre i segnali di temporizzazione e di sincronizzazione frame dal segnale analogico. In un circuito siffatto, la frequenza di campionamento e la risoluzione dell’Adc variano a seconda dell'applicazione: per la Tv sono necessari 10/12-bit con campionamenti da 27/54 MS/s, mentre i segnali Hdtv richiedono a 10-bit a 148,5 MS/s. Le applicazioni di grafica computerizzata richiedono una risoluzione di 8/10-bit, con frequenze di campionamento fino a 205 MS/s per catturare la risoluzione di un display Wuxga a 60 Hz o Uxga 75 Hz. Le variazioni dei requisiti di Adc, tuttavia, sono relativamente modeste rispetto alle differenze nei requisiti per la parte analogica della catena del segnale. Quest'ultima infatti è fondamentale per le prestazioni complessive e, nella maggior parte dei casi, richiede uno sforzo progettuale maggiore, perché deve elaborare il segnale prima di farlo arrivare all'Adc : in primo luogo occorre eseguire un clamping, cioè sopprimere la componente continua, se presente, del segnale video normalizzandolo e rendendolo compatibile con l'ingresso del convertitore analogico-digitale. Nelle applicazioni più comuni l'operazione prevede l'utilizzo di una pompa di carica mentre tecniche più sofisticate (mid scale clamping, sync-tip e altre) sono riservate alle applicazioni tipo monitor dei computer e televisori ad alta definizione. A valle è necessario regolare guadagno e offset di controllo: si usa un amplificatore a guadagno programmabile (PGA) per regolare l'ampiezza del segnale in ingresso in funzione del range di ingresso dell'Adc e per il controllo di saturazione di ogni componente di colore (nei sistemi video a componenti) o la luminosità / contrasto (nei sistemi video composito ).
I circuiti di recupero del clock e della sincronizzazione devono recuperare le informazioni contenute all'interno del segnale video analogico e fornire al flusso di dati digitali con il clock necessario a creare un'immagine con i frame corretti. La capacità del circuito di sincronizzazione per recuperare informazioni sulle temporizzazioni da segnali deboli o disturbati gioca un ruolo importantissimo nella prestazione complessiva della decodifica video e determina la sua capacità di funzionare in condizioni reali. Infine il filtraggio, demandato a circuiti con soglie programmabili e circuiti di eliminazione dei glitch, per ripulire proprio il segnale di sincronizzazione e per filtraggio anti aliasing di precisione per attenuare il rumore fuori banda nelle applicazioni Hdtv.

Il ruolo del codec audio
In sintesi, oggi i decoder video non sono più solo convertitori analogico-digitali ad alta velocità ma richiedono una gamma di funzioni analogiche altrettanto importanti per garantire immagini di alta qualità. La stessa cosa avviene nelle applicazioni audio; nell'elettronica di consumo dove l'audio gioca un ruolo di primaria importanza (come telefoni cellulari, lettori MP3, ecc) il codec audio deve rispettare l'imperativo categorico di non penalizzare i consumi (essendo gran parte degli apparati citati alimentati da batterie) mentre nei prodotti di fascia alta, come televisori digitali, set top box, console e smart phone, il parametro più importante è la qualità, che impone quindi capacità di gestire audio ad alta fedeltà (Hi-Fi). Diverse sono anche le funzioni richieste: in un tipico smartphone sono presenti più interfacce audio (microfono, auricolare, altoparlante, jack per cuffie e microfono esterni) ognuna delle quali corrisponde a ingressi e uscite audio di natura diversa e con esigenze funzione diversa. Mentre le uscite per auricolare e cuffie richiedono driver in grado di pilotare fino a 16 Ohm, l'altoparlante tipicamente utilizza driver per 8 Ω o 4 Ω ma con una maggiore potenza acustica di uscita. Le soluzioni adottate sono solitamente amplificatori di classe G per il pilotaggio dei primi e amplificatori i classe D nel secondo caso. Nei televisori digitali, gli altoparlanti sono generalmente integrati nell'apparecchio e in alcuni è presente anche una uscita stereo . Gli altoparlanti forniscono tipicamente 10 W (ma a volte arrivano anche più di 50 W) e quindi i driver audio necessari per fornire tali livelli di potenza non possono essere integrati in SoC digitali a 3,3 V e devono essere esterni. In questa situazione, il codec audio viene ottimizzato includendo solo semplici driver in classe A o in classe B e risparmiando spazio sul silicio.
Un altro esempio tipico di compromesso tra le varie funzioni, in questo caso tra soluzione analogica o digitale, è il controllo del volume che permette di regolare i livelli di ingresso al range dell'Adc, regolare il volume di riproduzione o adattarsi a diversi livelli di segnale, Anche se potrebbe sembrare più vantaggioso implementare controlli del volume in digitale, se non altro per sfruttare la maggiore integrazione su silicio consentita dai processi di produzione per la circuiteria digitale, tuttavia il controllo digitale non può sostituire il controllo d analogico nell'adattare i livelli di segnale in ingresso al range di ingresso del convertitore analogico digitale o regolare il volume di riproduzione, perché la risoluzione dei convertitori di dati non sarebbe stato proporzionale quanto la riduzione del segnale con una conseguente perdita di gamma dinamica. Anche nell'audio quindi, le funzioni analogiche non possono essere sempre sostituiti da soluzioni digitali senza compromettere la qualità e la funzionalità.

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