OPAMP e segnali video: progetto e dimensionamento

Bentornati a questo nostro appuntamento con la progettazione e con i segnali video. Ci siamo lasciati la scorsa volta con alcuni interrogativi inerenti i segnali video. Ci siamo concentrati su come sono fatti e quali sono i formati, per comprendere che differenze ci sono tra loro. Oggi, invece, analizziamo cosa serve per gestire un segnale video, quali sono gli OPAMP coinvolti in queste elaborazioni, che caratteristiche hanno e quali sono le topologie circuitali utili alla progettazione di sistemi per l'elaborazione e la gestione del segnale televisivo. Buona lettura.

Gli amplificatori operazionali hanno subito, nel corso del tempo, un progressivo miglioramento delle loro prestazioni. Questo è valso a prescindere dal campo applicativo in cui fossero impiegati. Ciò ha investito anche il campo dell'elaborazione dei segnali video. Nelle prime versioni degli OPAMP per applicazioni video, le tensioni di alimentazione erano di tipo duale comprese tra ± 15 V, ed i segnali presentavano valori di larghezza di banda di 50 MHz ed avevano velocità di risposta di poche centinaia di V/μs. Man mano che il tempo è passato e le famiglie logiche sono cambiate, anche nel campo del video, gli OPAMP si sono modificati, arrivando a funzionare con tensioni operative di ± 5V, con una larghezza di banda dell'ordine di 1.4 GHz e con velocità dell’ordine di 6000 V/μsec. Non soltanto, perché molti costruttori si sono affacciati a questo segmento di mercato, rendendo disponibili per il progettista diverse soluzioni. Concordemente, la scelta è diventata un fattore importantissimo ed anche complesso. Il progettista può, dunque, utilizzare diversi criteri per la selezione dei componenti, come accade in qualsiasi altro progetto.

Le topologie

Come tutti i circuiti, anche quelli che trattano i segnali video possono essere fondamentalmente ricondotti ad alcune tipologie di interesse. In particolare, sono tre le configurazioni circuitali degli amplificatori per i segnali video che ci interessano. Nel mondo del video, infatti, l'amplificatore ha delle forme comuni che si basano sulla retroazione. I VFA (amplificatori a retroazione di tensione) hanno trade-off di tipo noise-versus-slew-rate. Il video NTSC (National Television System Committee), avendo solo circa 5 MHz di larghezza di banda del segnale, può tollerare un rumore totale di 50 nV/√Hz pp nella catena del segnale per un IRE. Il requisito di slew rate è di soli 22 V/μs. La corrente di alimentazione non deve essere superiore a 2 mA per i driver di linea con filtri. Pertanto, i VFA, inclusi i dispositivi cMOS, sono buoni candidati per molte applicazioni.
Nel caso component, i requisiti di prestazioni sono più elevati e si possono utilizzare solo i VFA più veloci. Questi amplificatori richiedono una larghezza di banda di 200 MHz, quando non di più, una velocità di variazione di almeno 200 V/μs ed una cifra di rumore complessiva di 20 nV/√Hz.
I CFA (amplificatori a retroazione di corrente) ed i vecchi VFA potenziati a rotazione migliorano il rendimento ma necessitano di doppi alimentatori.

Figura 1. Topologie circuitali per amplificatori Voltage feedback

Lo schema superiore è più a banda larga ma ha un guadagno inferiore. Esso è composto da un amplificatore differenziale che ha una transconduttanza G_M. Il segnale del nodo di guadagno passa attraverso un buffer di uscita. Il prodotto della larghezza di banda di guadagno è G_M/2πC_C. L'analisi ci dice che la banda di guadagno unitario a -3dB sarà solo inferiore al prodotto della banda di guadagno, ma questo non è vero per gli amplificatori a banda larga. A causa degli sfasamenti extra di tutte le fasi e del margine di guadagno, inferiore rispetto agli amplificatori a bassa frequenza, gli amplificatori a banda larga presentano un picco o un'estensione del prodotto della larghezza di banda di guadagno. Questa "espansione della larghezza di banda" è da 1.3 in amplificatori molto sereni fino a 2.5 in alcuni amplificatori più complessi. Il diagramma superiore in figura ha un'espansione generalmente più bassa, nell'intervallo da 1.3 a 1.8. Il suo guadagno a bassa frequenza è tipicamente limitato all'intervallo tra 500 e 2000, sebbene la sua linearità possa essere buona.

Il circuito inferiore in figura utilizza un secondo amplificatore per aumentare il guadagno a bassa frequenza e può essere utile per ridurre la distorsione a 10 MHz. Questi non sono tratti particolarmente importanti per la riproduzione di video. Come vedremo guardando i circuiti di uscita rail-to-rail, il partizionamento a due amplificatori è sempre utilizzato. La risposta in frequenza ed il ritardo di fase del buffer nel circuito superiore sono sempre migliori dell'integratore dello stadio di uscita del secondo circuito, quindi il circuito superiore ha una maggiore larghezza di banda potenziale. Il circuito di feedback di tensione più comune è il circuito Folded-Cascode.

Figura 2. Folded-Cascode Voltage feedback amplifier

I transistori pnp di ingresso con R formano il transconduttore di ingresso. Il loro segnale di uscita viene trasferito dagli npn cascodes, che spostano il livello, ovvero "piegano" l'uscita dello stadio di ingresso polarizzato con alimentazione negativa verso un nodo di guadagno che oscilla tra le alimentazioni. Un output cascode va al mirror, il cui output si ricongiunge al nodo “di guadagno”. A meno che non vi sia un cambiamento di livello, e qualche altro circuito all'interno del buffer di uscita, l'uscita non attraverserà i rail di alimentazione. In genere, l'uscita può oscillare tra 1 e 1.4 V. Questa prossimità è chiamata headroom di output.

I VFA che impiegano architetture Folded-Cascode funzionano normalmente con un'alimentazione di ±5 V o fino ad un'alimentazione singola +5V. Esistono compromessi fondamentali tra la velocità di risposta ed il rumore, nonché tra la corrente di alimentazione e la larghezza di banda o la velocità di risposta. Gli amplificatori progettati per gestire i video hanno rumore di ingresso in genere da 10 a 15 nV/√Hz ma una buona velocità di risposta. Ciò si traduce anche in offset di input da 5 a 10 mV e guadagni a bassa frequenza di circa 1000. Tali amplificatori hanno combinazioni di corrente di alimentazione/larghezza di banda a -3 dB/velocità di risposta di 1.4 mA, 200 MHz e 100 V/μs; 3 mA, 270 MHz, 270 V/μs e 6 mA, 600 MHz, 700 V/μs. Molti amplificatori a bassa frequenza offrono stadi di ingresso rail-to-rail che supportano i segnali fino ai limiti delle alimentazioni.

Figura 3. Stadio di ingresso rail-to-rail

La fase di input rail-to-rail presenta un comportamento molto scarso. L'offset della coppia di input npn non ha alcuna correlazione con l'offset della coppia di input pnp. Lo stadio di ingresso rail-to-rail ha circa gli stessi errori del circuito Folded-Cascode, ma la non-monotonicità non è affatto sorprendente in qualsiasi altro stadio di input. La commutazione provoca anche anomalie nell'output. Spesso questo non è visibile negli amplificatori a bassa frequenza, dove i tempi di commutazione a livello di dispositivo sono molto più rapidi rispetto al tempo di risposta complessivo dell'amplificatore, ma negli amplificatori video la risposta a glitch sarebbe altamente visibile. Per questi motivi, attualmente nessun amplificatore video ha ingressi rail-to-rail.

Un esempio nel concreto: il caso NTSC

NTSC viene utilizzato in maniera intensiva in questo caso d'uso analizzato al fine di illustrare le tecniche di progettazione per il video, anche se naturalmente gli standard televisivi sono molto diversi tra loro e variano anche da paese a paese. Un esempio riguarda i formati PAL e SECAM. In verità, sebbene siano standard differenziati, non c'è alcuna differenza sostanziale nel metodo di progetto dell'hardware da utilizzare nel caso dello standard preso effettivamente in considerazione ed uno degli altri possibili: tutte le forme d'onda vengono elaborate in funzione del fatto che l'immagine porta con sé alcune informazioni. Ciò riguarda, ad esempio, l'intensità luminosa oppure l'informazione sul colore. Ma naturalmente un segnale televisivo contiene più informazioni, per esempio rispetto alla sincronizzazione verticale oppure all'audio che accompagna le immagini. Il tutto viene codificato all'interno della forma d'onda a radiofrequenza che viaggia nell'etere, oppure via cavo.
Come tutti i segnali, però, anche quello televisivo può essere soggetto a distorsioni oppure interferenze e, sebbene questo valesse a maggior ragione per la trasmissione analogica, anche quella digitale non è esente da problematiche potenziali che degradano le prestazioni del sistema. Quando si intende lavorare con segnali digitali, la probabilità di errore sul singolo bit diventa uno dei parametri principali per evitare che il segnale video, audio oppure entrambi, possano degradare le loro qualità al punto da non essere più intelligibili.

Vediamo, nell'immagine che segue, una forma d'onda tipica in uso quando si parla del segnale NTSC:

Figura 4. Scanning line orizzontale nello standard NTSC

Qui viene rappresentata una color-bar. In particolare, le informazioni sono relative ai parametri "luminance" e "crominance", rispettivamente il grado di luminosità dell'immagine e l'informazione sul colore, rappresentate in una scala determinata dallo standard stesso. Ci sono, in questa proposizione grafica, delle caratteristiche che ricordano molto da vicino il funzionamento di circuiti digitali e, in particolare, stiamo parlando del sincronismo orizzontale e dell'intervallo di "blanking".

Il formato statunitense prevede che gli impulsi sincroni si ripetano ad una frequenza di 15.734 Hz. Una regione, cosiddetta “flat”, rappresenta il display scuro, ovvero senza colore, ed include un burst di crominanza che segue ogni sincronizzazione orizzontale. Il burst è un segnale di tipo sinusoidale da 3.58 MHz che viene impiegato come riferimento per le successive informazioni sul colore. Il ricevitore video composito è dotato, naturalmente, del proprio oscillatore di riferimento. Il suo scopo è quello di effettuare la risincronizzazione dopo ogni burst.

La dinamica di un segnale di questo tipo è composta di diverse sezioni per cui la parte di sincronizzazione, la crominanza così come il bianco, possono avere ampiezze differenti. In particolare, esse possono essere rispettivamente 300, 100 e 700 mV, con il risultato che, complessivamente, il segnale composito ha un'escursione picco-picco di circa 1.03 Vpp. Ovvio è che, per ciascun segnale, a parità di standard video e di profondità di rappresentazione, non tutte le combinazioni di crominanza ed ampiezza del bianco esistono. Pertanto, uno dei criteri di scelta è rappresentato dal fatto che l'amplificatore operazionale dovrà essere polarizzato in maniera coerente con il segnale da rappresentare quel determinato standard e formato.

Il progettista che si occupa di frequenze audio sa che la loro degradazione può essere tollerata ad alte frequenze per via del fatto che l'orecchio è poco, o per nulla, sensibile a quelle componenti spettrali. Pertanto, potrebbe essere soddisfatto dal circuito interno di trattamento del segnale video. Nel progetto è utile considerare che un circuito dedicato al segnale video che utilizza degli amplificatori operazionali e che abbia un guadagno inadeguato nella banda di interesse, si tradurrà in una bassa risoluzione. Alle frequenze video, l'occhio umano è molto più sensibile rispetto a quanto non lo sia l'orecchio nell'udibile. Altrimenti detto, risulta molto più facile che si spendano risorse per migliorare la qualità dell'audio, più di quanto non accada per quanto concerne l'audio. Dall'altro lato, però, sul video ci sono diversi interventi che vengono fatti, come ad esempio l'acquisto di occhiali, lenti, o addirittura interventi chirurgici correttivi che consentano di vedere meglio. L'atteggiamento generalizzato è quello di cercare di avere sempre maggiore dettaglio visivo, sempre più risoluzione. È apprezzabile, soprattutto in alcuni casi, con le partite di pallone, ove la risoluzione si spinge finanche ad apprezzare il filo d'erba. Questo tipo di feedback visivo è molto ben visto dall'utente ed è addirittura questo che viene ricercato. Ma naturalmente, la raffinatezza del dettaglio visivo corrisponde a componenti spettrali ad alta frequenza. Proprio per questo motivo è indispensabile dimensionare i circuiti ottenendo una giusta amplificazione delle componenti spettrali ad alta frequenza.

Figura 5. Effetti di un errato dimensionamento degli OPAMP Video

La figura mostra le frequenze del segnale video a partire dalla componente continua fino a 5 MHz e spiega che cosa accade quando l'amplificazione non avviene in maniera adeguata. Si vede che all'aumentare della frequenza, la dinamica dell'amplificazione diminuisce e questo rende le componenti frequenziali sbilanciate. Tra l'altro, tutto questo si verifica a partire dal bianco fin verso il nero. Quando la frequenza passa da 2 a 5 MHz, l'ampiezza si riduce sensibilmente e tutti i dettagli fini vengono persi. [...]

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