下一代視頻濾波放大器,延長了手持式視頻系統(tǒng)
電池使用時間是便攜設(shè)備的關(guān)鍵,任何可以延長電池使用時間的系統(tǒng)IC都有重要的意義。這將使手持設(shè)備對用戶更具吸引力,由于設(shè)備無需頻繁充電,因此使用戶的使用更便利。延長電池使用時間還意味著減少廢舊電池的數(shù)量,以及充電電池鉛板的使用次數(shù),以上兩點均有利于環(huán)保。Maxim新一代視頻濾波放大器采用1.8V電源供電,功耗僅為12mW,與目前3.3V的視頻濾波放大器相比,功耗降低了近70%。
能量消耗在哪里?
簡單地說,每個電路的功耗包括自身工作的損耗和驅(qū)動負(fù)載的損耗。圖1中,電源為電路提供總電流(IT),其中IQ是運算放大器的靜態(tài)電流,IL是負(fù)載電流。圖1. 單電源運算放大器,帶有一個對地電阻負(fù)載。
電流和電源電壓相乘得出功率。首先按照以下公式計算靜態(tài)功耗(PQ)、負(fù)載功耗(PL)以及總功耗(PT):
PQ = VDD × IQ
PL = VDD × IL
PT = PQ + PL = VDD × (IQ + IL)
為降低實際消耗的功率,必須同時減小PQ和PL。減小VDD、IQ和IL都可以達到這一目的。
通常情況下,IC數(shù)據(jù)資料會給出IQ或PQ參數(shù),但很少提到典型信號和典型負(fù)載條件下的平均功耗。對于便攜式視頻濾波放大器,由于電路不是處于關(guān)斷狀態(tài),就是完全開啟,因此,PQ幾乎是無用信息。完全開啟時,視頻濾波放大器為負(fù)載提供視頻信號驅(qū)動。沒有視頻負(fù)載時,為了節(jié)省電池能量,應(yīng)關(guān)斷視頻濾波放大器;如果在沒有視頻負(fù)載時開啟視頻濾波放大器,會造成電池能量的浪費。
3.3V視頻濾波放大器的功耗
當(dāng)3.3V視頻濾波放大器向負(fù)載提供視頻信號驅(qū)動時,功耗增大,如表1所示。平均功耗定義為視頻濾波放大器以50%平場視頻信號驅(qū)動150Ω對地負(fù)載時的功耗。50%平場信號作為典型的視頻信號,在電視上顯示為灰屏(PL取決于圖像內(nèi)容,黑屏?xí)r功耗最低,白屏?xí)r功耗最大)。表1中需要注意的是,盡管元件的PQ差別很大,平均功耗卻非常接近。表1. 各種視頻濾波放大器的平均功耗和靜態(tài)功耗
Company | Part | Supply Voltage (V) | Average Current (mA) | Average Power (mW) | IQ (mA) | PQ (mW) | Output Style |
Maxim | MAX9502 | 3.3 | 13.5 | 44.6 | 5.3 | 17.5 | Positive DC bias |
TI? | OPA360 | 3.3 | 12.2 | 40.1 | 6 | 19.8 | Zero DC bias |
Maxim | MAX9503 | 3.3 | 13.2 | 43.4 | 12 | 39.6 | DirectDrive? |
將視頻信號驅(qū)動至視頻負(fù)載造成功耗增大,這在很大程度上取決于視頻放大器的輸出方式。MAX9502輸出視頻信號采用了正向直流偏置(參見圖2)。維持輸出信號的正向直流偏置會使總功耗增大。因此,MAX9502必須供出大約8.7mA的電流(圖2b中以藍色粗線表示的電壓除以150Ω)。
圖2. MAX9502G應(yīng)用電路,輸入、輸出為50%平場信號。
圖2a. 50%平場信號波形,輸入到需要測試的視頻濾波放大器。
圖2b. MAX9502G的輸出波形,藍色線段表示50%平場信號的近似平均直流電平。
OPA360 (表1)的輸出可以配合SAG網(wǎng)絡(luò)工作,它由兩個交流耦合電容組成(圖3)。這些電容阻斷了輸出和負(fù)載之間的直流連接。因此,放大器不需要源出或吸入維持輸出偏置的電流,從而降低了功耗。
圖3. 對于50%的平場信號,由于電容阻斷了輸出和負(fù)載之間的直流連接,因此,OPA360應(yīng)用電路可有效降低功耗。
圖3a. OPA360輸出波形中的藍色線段表示50%平場信號的近似平均直流電平。
利用Maxim受專利保護的DirectDrive技術(shù)*,MAX9503能夠輸出接近零直流偏置的視頻信號,無需任何交流耦合電容(參見圖4)。由于片內(nèi)反向電荷泵可產(chǎn)生負(fù)電壓,因此,這一技術(shù)使MAX9503能夠輸出地電平以下的信號。盡管DirectDrive增大了PQ,但由于PL降低,MAX9503的平均功耗能夠與MAX9502和OPA360保持在同一水平。由于直流偏置接近地電平,MAX9503只需源出較小的電流。
圖4. 50%平場信號通過MAX9503G的應(yīng)用電路。
圖4a. MAX9503G輸出波形中的藍色線段表示50%平場信號的近似直流平均值。
新一代產(chǎn)品的功耗:1.8V視頻濾波放大器
MAX9509是Maxim新一代視頻濾波放大器系列的首款器件,大大降低了平均功耗和PQ,如圖5所示。其電源電壓(VDD)由3.3V降到了1.8V,1.8V是移動電話正在逐漸使用的數(shù)字I/O電壓;靜態(tài)電源電流(IQ)也由12mA降到了3.1mA (參見表2)。圖5. MAX9509 1.8V應(yīng)用電路處理50%平場信號,大大降低了功耗。
圖5a. 50%平場波形輸入到MAX9509;其振幅是圖2a中波形振幅的四分之一。
圖5b. MAX9509輸出波形中的藍色線段表示50%平場信號的近似直流平均值。
表2. MAX9509的平均功耗和靜態(tài)功耗
Company | Part | Supply Voltage (V) | Average Current (mA) | Average Power (mW) | IQ (mA) | PQ (mW) | Output Style |
Maxim | MAX9509 | 1.8 | 6.5 | 11.7 | 3.1 | 6 | DirectDrive |
附錄1.8V視頻濾波放大器的電路考慮,給出了采用新的1.8V數(shù)字I/O電壓設(shè)計視頻電路時需要解決的特殊問題。
當(dāng)視頻濾波放大器采用1.8V電源電壓工作時,必須采用DirectDrive技術(shù)。采用電壓模式輸出級的放大器必須至少提供2VP-P擺幅,才能輸出復(fù)合視頻信號。傳統(tǒng)的放大器采用1.8V單電源供電時,沒有足夠的余量產(chǎn)生2VP-P輸出信號。而采用DirectDrive后,集成反向電荷泵將產(chǎn)生一個嘈雜的-1.8V電壓;負(fù)電壓線性穩(wěn)壓器將-1.8V電壓穩(wěn)定到-1V,降低了電荷泵噪聲。因此,由于采用-1V至+1.8V的電壓供電,MAX9509剛好有足夠的余量輸出2VP-P視頻信號。
MAX9509采用低電壓、低IQ的DirectDrive輸出級,器件平均功耗(表2)大大低于表1中3.3V器件的功耗。這意味著如果采用相同的電池給包含MAX9509的系統(tǒng)和包含3.3V器件的系統(tǒng)供電,則MAX9509放大器所需的電池功率比另一個系統(tǒng)低70%,從而延長了電池使用時間。這對環(huán)境有直接的影響,因為減少了廢舊電池,以及充電電池鉛板的使用次數(shù)。
更值得注意的是,MAX9509平均功耗低于3.3V視頻
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