OPAMP e segnali video: ecco come scegliere il giusto operazionale

Gli amplificatori operazionali sono tra i circuiti integrati che più hanno cambiato il mondo dell'elettronica. La loro utilità è dovuta al fatto che hanno abilitato funzioni complesse eseguite mediante un unico dispositivo. Nel corso del tempo, la loro applicabilità è cresciuta fino a poter essere addirittura impiegati nell’elaborazione dei segnali video. In questo articolo ci occupiamo esattamente di questo aspetto, ovvero dell'utilizzo degli amplificatori operazionali nell'elaborazione dei segnali per le trasmissioni segnali televisivi. Quali sono i criteri di scelta? Come possono essere impiegati correttamente? Quali sono le specifiche tecniche alle quali dobbiamo prestare maggiore attenzione? A queste e ad altre domande risponderemo oggi insieme. Siete pronti?

La progettazione mirata alla realizzazione di sistemi per la gestione dei segnali video può essere considerata una branca della scienza della progettazione dei circuiti discreti fin dai giorni in cui si lavorava con i tubi a vuoto. C'è un componente che si è fatto sempre più strada ed ha dimostrato di saper diventare essenziale sia per la semplicità di impiego sia per le sue interessantissime funzionalità; stiamo, naturalmente, parlando degli amplificatori operazionali, comunemente detti OPAMP. Abbiamo trattato tale argomento su queste pagine, tra le altre occasioni, quando abbiamo descritto le importanti differenze che sussistono tra questo componente specifico e gli amplificatori alle differenze, non si tratta dell'unico riferimento ma in altre occasioni abbiamo chiarito la sua importanza strategica e le sue enormi potenzialità di impiego.
Le nuove generazioni di questi componenti prevedono la gestione di alti valori di tensione, la capacità di lavorare con segnali ad alta velocità ma anche la realizzazione di current feedback, che sono fondamentali in talune applicazioni.
Un esempio, in qualche modo preliminare rispetto alla realizzazione del sistema, è l'analisi di una figura di merito come la unity-gain bandwidth che, ad esempio, potrebbe avere un valore di 500 MHz. Se così fosse, il componente dovremmo scartarlo perché esso sarebbe largamente inadeguato a gestire segnali che hanno una banda da 6 MHz.
Ed ecco, allora, che il progettista deve guardare ai componenti in maniera asettica, cercando e studiando i parametri e le caratteristiche che si adattino al caso specifico, ovvero le forme d'onda del video, che peraltro, ormai, sono segnali puramente digitali e, pertanto, il fatto che vengano gestiti impulsi, forme d'onda rettangolari e così via dicendo, diventa sempre più importante.

Per semplificare le scelte progettuali è importante, comunque, identificare i principali criteri di interesse. A far principio, ad esempio, dalla tipologia del segnale che l'amplificatore deve gestire, si passa poi alla selezione delle tensioni di alimentazione verificando, ovviamente, eventuali discrepanze tra valori attesi e quelli disponibili sul mercato. Successivamente si considera la caratterizzazione della dissipazione di potenza, una figura di merito che naturalmente dipende dalla specifica applicazione. C'è poi da tenere conto delle varie tolleranze nel progetto, soprattutto in relazione alla disposizione dei componenti sulla scheda.

Segnale video, ma perchè? E quale?

Ci sono alcune sfide nella progettazione che riguardano i formati video e che in qualche modo rappresentano delle possibilità ma anche delle caratteristiche e, ancora, delle vere e proprie soluzioni di compromesso. I segnali video non solo contengono informazioni in una ampia banda ma anche componenti continue che non variano in frequenza.
Inoltre, i segnali prevedono una graduale degradazione di ampiezza e fase, che era accettabile ad alta frequenza per l'audio ma non lo è altrettanto per i segnali video. Guadagno e fase del segnale alla massima larghezza di banda devono essere di qualità comparabile alle componenti continue. Difatti, succede che il peggioramento delle performance alle frequenze più alte abbia un impatto estremamente evidente sul segnale video ed è proprio per questo motivo che ciò rappresenta una sfida.

Ci sono due tipologie di segnali video oggigiorno: il segnale in broadcast e quello elaborato a fine grafico. Nel primo caso, stiamo ovviamente parlando di segnale televisivo, ovvero inviato dall'emittente ad un numero più o meno grande di ricevitori a terra. La televisione prevalentemente si utilizza a fini commerciali, divulgativi o di intrattenimento. Quando si parla di segnale video inteso per la grafica, invece, ci si riferisce prevalentemente alle elaborazioni grafiche che vengono fatte tramite l'utilizzo di software dedicati e che sono in uso su PC desktop, workstation, server oppure altro tipo di elaboratori.

Naturalmente, le due possibilità sono molto diverse tra loro. Il segnale televisivo, quello inviato in broadcast, deve sottostare ad una serie di specifiche tecniche e regolamentazioni, inerenti, ad esempio, ai livelli di potenza, ma anche limiti che sono stabiliti dalle agenzie nazionali ed internazionali che gestiscono le telecomunicazioni perché esistono limiti e condizioni di utilizzo della banda e del mezzo trasmissivo, ovvero l'etere. In Europa questo compito è in capo all’ITU mentre negli US all’FCC.

Tra le altre cose, il segnale televisivo nel corso del tempo è molto cambiato. Una volta la televisione era in bianco e nero, in seguito è nato il colore. Nella sua prima versione il livello di colore non era altro che una variazione del livello di luminanza, ovvero nel momento in cui il segnale era molto elevato, il valore era altrettanto elevato e quindi indicava il bianco. Un valore molto basso, invece, identificava un'assenza di luminanza e quindi un colore nero.
Nel corso del tempo con l'aumento delle prestazioni, l'aggiornamento tecnologico e così via dicendo, si è andato aggiungendo il colore, una terna di valori codificati secondo tre colori fondamentali, ovvero il rosso, il verde ed il blu, che hanno triplicato la larghezza di banda. Per poter utilizzare al meglio le trasmissioni e standardizzare il metodo attraverso il quale è possibile trasmettere l'informazione, è stata creata una serie di standard ancora una volta relativi alle singole Nazioni ed alle singole località ove la trasmissione avviene. A tal proposito, prima di proseguire, vi proponiamo un elenco riassuntivo in cui chiariamo alcuni acronimi che, tra l'altro, presentano i principali formati standard per trasmettere e decodificare segnali sia audio sia video:

NTSC: National Television System Committee, standard americano per il segnale televisivo;
PAL: Phase Alternating Line, ovvero il sistema TV standard implementato in Europe ma anche altrove;
SECAM: SEquential Couleur Avec Memoire, standard francese per il segnale televisivo;
ATSC: Advanced Television Systems Committee, standard americano per la definizione del segnale TV ad alta definizione (HDTV);
VESA: Video Electronics Standards Association, propone e pubblica standard video per la grafica;
FCC: Federal Communications Commission, agenzia governativa americana con carattere di autorità amministrativa indipendente;
ITU: International Telecommunications Union, propone e pubblica standard video per il segnale televisivo in Europa;
SMPTE: Society of Motion Picture and TV Engineers, propone e pubblica standard video per il segnale televisivo negli USA;
JPEG: Joint Photographic Experts Group, propone e pubblica standard video per le immagini (Still Images);
MPEG: Motion Picture Experts Group, propone e pubblica standard video per il video;
EIA RS 170 & 170A, versione originale delle specifiche per segnale TV monocromatico ed a colori. Sostituito da SMPTE 170M;
EIA 770-1: specifica americana per Enhanced Component video, simile a ITU-R BT1197/ETSI 300 294 per PAL-Plus;
EIA 770-2: specifica americana per Standard Definition TV (SDTV) Baseband Component Video;
EIA 770-3: specifica americana per High Definition TV (HDTV) Baseband Video;
ITU-R BT.470: specifica a livello mondiale per SDTV, quindi inclusi NTSC, PAL e SECAM;
ITU-R BT.601: specifica globale per sampling in segnali video SDTV e HDTV, simile a SMPTE125M;
ITU-R BT1197/ETSI 300 294: specifiche per PAL Plus Enhanced TV in Europa;
SMPTE 125M: Simile a ITU-R BT.601;
SMPTE 170M: ha sostituito EIA RS 170A, specifica colore per NTSC;
SMPTE 253M: specifica RGB Analog Video Interface per applicazioni studio SDTV;
SMPTE 274M: specifica per 1920 x 1080 HDTV;
SMPTE 296M: specifica per 1280 x 720 RGB e YPbPr Baseband Video, simile a PAL Plus.

Quanto i segnali per la trasmissione video e quelli inerenti alla grafica sono differenti tra loro?

È importante sapere che le differenze non sono poi così immediate. Una di queste è il fatto che il segnale pensato per la trasmissione televisiva ha una proprietà che viene chiamata gamma (γ) che manca completamente alle immagini. Il segnale televisivo utilizza ad esempio lo scanning interlacciato mentre la grafica utilizza lo scanning progressivo. Un'altra differenza è il fatto che ci sono monitor differenti che sono in grado di mostrare il segnale televisivo, ovvero i televisori, rispetto a quelli della grafica, per i quali si usano dei “semplici” display.
In verità, le differenze partono dall'encoding, un processo necessario per convertire il segnale composito, che è indispensabile per la modulazione associata alla trasmissione televisiva. Tutti i formati video vengono creati utilizzando lo stesso processo, ovvero partendo dalle componenti primarie per poter arrivare ai segnali compositi. Nel caso della grafica, e quindi nel caso dei pc domestici o delle workstation, non ci sono segnali compositi in uso oggi.

Inizialmente, anche i computer utilizzavano gli stessi standard in uso per il formato televisivo, che era un singolo formato RGB utilizzato includendo scansioni multiple per aumentare la risoluzione. La richiesta di una maggiore risoluzione è stata prevalentemente motivata dalla necessità di poter vedere a distanze maggiori, cosa che non si è mai posta come necessaria nel caso del segnale televisivo. Tutto ciò, naturalmente, ha dei limiti fisici, ovvero la capacità che ha l'occhio umano di distinguere i dettagli. Pur tuttavia, siamo molto sensibili alle differenze qualitative sul segnale video. Quello che l'occhio umano non vede, ad esempio, è una incrementata fluidità quando la frequenza di aggiornamento diventa elevata oltre certi limiti.

I formati NTSC, PAL e SECAM sono utilizzati, rispettivamente, negli Stati uniti, in Francia ed in Europa. Lo scopo è comune, ovvero la diminuzione dell'occupazione di banda, ma soprattutto la riduzione degli artefatti.
In merito al primo obiettivo sulla riduzione dell'occupazione in banda, ovviamente ha un impatto non trascurabile sulla risoluzione, per cui è possibile che si verifichino dei difetti nella rappresentazione dell'immagine, delle ombre, delle scalettature, dei punti oscuri o magari opachi. Naturalmente, l'effetto visivo diventa più o meno sensibile, ed evidentemente più o meno fastidioso, a seconda non soltanto della sensibilità dell'occhio ma anche dell'applicazione.

I segnali televisivi, a prescindere dal formato e dalla codifica, hanno delle caratteristiche in comune, come ad esempio il fatto che hanno delle sotto-portanti per il suono, oppure il fatto che ciascuno prova a ridurre l'occupazione in banda, oppure ancora delle componenti colore sono pesate. Alcune di queste caratteristiche sono mostrate nella rappresentazione riportata in figura.

Figura 1. Gerarchia nel segnale video

Per meglio comprendere le caratteristiche di ciascuno, è importante descrivere con precisione come i segnali nativi vengono poi codificati ed a quale livello di tensione corrisponde quale componente. Che tipo di analisi bisogna fare dipende anche dal raffronto tra i vari standard, per poter verificare le differenze che esistono. Per meglio comprendere le caratteristiche, anche elettriche, dei segnali e la loro codifica, seguono una figura ed alcune tabelle riassuntive.

Figura 2. Procedure di encoding delle componenti del video

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