降低高性能便攜式電子產(chǎn)品功耗的視頻輸出級(jí)電路

如今便攜式電子產(chǎn)品的功能都非常豐富，例如：手表可用作電視遙控器，手機(jī)同時(shí)還是數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算器，MP3播放器還可用作收音機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備和電子相冊(cè)，PDA具有日歷、照相機(jī)、手機(jī)和游戲機(jī)功能。當(dāng)我們將越來(lái)越多的功能集成在這些設(shè)備中的同時(shí)，也給電源帶來(lái)越來(lái)越大的負(fù)擔(dān)。

如今的電子設(shè)備一般采用鋰離子可充電電池供電。鋰離子可充電電池的充電速度很快，但能提供數(shù)小時(shí)的工作時(shí)間和幾周的待機(jī)時(shí)間。ADI公司已開(kāi)發(fā)出新的電源管理和電池監(jiān)測(cè)電路產(chǎn)品系列，主要用來(lái)有效管理電源以延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。電源管理和電池技術(shù)的進(jìn)步有助于延長(zhǎng)電池壽命，但它們僅起一部分作用，延長(zhǎng)電池壽命的真正有效方法是提高目前半導(dǎo)體器件的效率，以更少的功耗支持更多的功能。如今，人們要求半導(dǎo)體器件的工作電壓更低、帶寬更高、開(kāi)關(guān)速度更快、失真更小、功耗更低并支持更多字節(jié)的處理。

視頻功能正在成為當(dāng)今許多便攜式電子產(chǎn)品的常見(jiàn)功能，例如個(gè)人媒體播放器和手機(jī)。然而，由于顯示屏的尺寸和分辨率的限制，多個(gè)人一起欣賞手持設(shè)備播放的圖像并不方便，所以它們要求具備視頻輸出功能，但這種新功能意味著要消耗更多的電池能量。這些設(shè)備的視頻輸出通常屬于輔助功能，因此在正常工作期間視頻驅(qū)動(dòng)器通常處于關(guān)閉狀態(tài)。因此，在評(píng)估視頻放大器或視頻驅(qū)動(dòng)器時(shí)，工作電流和待機(jī)電流都是關(guān)鍵的參數(shù)。

為更透徹地分析當(dāng)今設(shè)計(jì)工程師所面臨的挑戰(zhàn)，這里介紹兩個(gè)設(shè)計(jì)案例。第一個(gè)例子討論MP3播放器視頻輸出部分的設(shè)計(jì)要求，其主要的設(shè)計(jì)考慮是工作電流和板面積。第二個(gè)例子是低功耗緩沖器的應(yīng)用，待機(jī)電流是主要關(guān)注點(diǎn)。

圖1：具有分立重建濾波器的視頻輸出級(jí)。

具有視頻輸出的MP3播放器

這個(gè)設(shè)計(jì)在MP3播放器上增加了復(fù)合視頻輸出級(jí)電路。該電路必須提供2倍增益的低通濾波和最小6MHz的帶寬，工作電壓為3V，但靜態(tài)電流小于3mA，待機(jī)電流小于15μA，并且要求占板面積最小。成本總是需要考慮的因素，但在本文的設(shè)計(jì)案例中暫不考慮。

圖1為一個(gè)典型的視頻輸出級(jí)電路，其中視頻放大器和濾波器由視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和編碼器的輸出驅(qū)動(dòng)，這里使用ADV7190或ADV7191。視頻放大器/濾波器利用運(yùn)算放大器和分立元件構(gòu)成一個(gè)雙極點(diǎn)Sallen-Key低通濾波器。運(yùn)算放大器提供2倍增益以驅(qū)動(dòng)75Ω的視頻負(fù)載。這種重構(gòu)濾波器有助于消除視頻DAC采樣過(guò)程中產(chǎn)生的多重圖像。

每種放大器都為設(shè)計(jì)工程師提供了各自不同的優(yōu)勢(shì)。ADA4850具有工作電流低、待機(jī)電流非常低(15nA)以及采用小型LFCSP封裝的優(yōu)點(diǎn)。如此低的待機(jī)電流對(duì)容量低的電池的應(yīng)用非常有用，下一個(gè)案例將對(duì)此進(jìn)行討論。ADA4851的工作電流與ADA4850一樣，但電源電壓范圍更寬，待機(jī)電流大小適中。ADA4853的工作電流在表中列出的所有放大器中最低，待機(jī)電流也很低。對(duì)于低工作電流的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，ADA4853是一個(gè)理想選擇。ADA4430是一種全集成濾波器和放大器解決方案，其工作電流和低待機(jī)電流都很低，并且無(wú)需外部元件。

支持便攜式設(shè)備視頻輸出的放大器和濾波器，這些器件適合低功耗應(yīng)用。

雖然ADA48xx系列放大器具有優(yōu)異的工作性能，但它們還需要額外的元件才能滿(mǎn)足本案例的設(shè)計(jì)要求。一種替代分立濾波器的解決方案是帶有增益單元的全集成濾波器ADA4430，用ADA4430替代分立解決方案可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)(圖2)。

圖2：具有ADA4430集成放大器和濾波器的視頻輸出級(jí)。

對(duì)于上述兩種解決方案，工程師必須在電路性能、電流消耗和尺寸方面進(jìn)行折衷。ADA4853也是適合這種應(yīng)用的一個(gè)很好選擇，且其功耗比ADA4430更低，但ADA4430只需較少的外部元件就可滿(mǎn)足所有的目標(biāo)規(guī)范，因此它是此應(yīng)用的一個(gè)更好選擇。

超低功耗緩沖器

這個(gè)應(yīng)用適用于便攜式娛樂(lè)設(shè)備中采用的25MHz時(shí)鐘緩沖電路，其主要設(shè)計(jì)約束是待機(jī)電流。該應(yīng)用采用的電源是容量?jī)H為87毫安小時(shí)的鋅空氣電池，主要技術(shù)指標(biāo)包括：待機(jī)電流小于0.1μA (分配給這部分電路的總待機(jī)電流僅為10μA)、占用面積小、工作電壓為3V、電源電流小于3mA、總電路面積為1cm²、帶寬為1MHz。

圖3：傳統(tǒng)上采用外部FET旁路晶體管來(lái)滿(mǎn)足待機(jī)電流小于0.1μA的要求。

傳統(tǒng)上采用一個(gè)外部場(chǎng)效應(yīng)(FET)旁路晶體管來(lái)滿(mǎn)足待機(jī)電流小于0.1μA的要求(圖3)，但這會(huì)增加元件數(shù)量，并使板面積超過(guò)為該電路分配的板面積大小。利用ADG842這樣的模擬開(kāi)關(guān)代替FET及其相關(guān)電路雖然可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，但仍需要額外的板面積。

ADA4850能滿(mǎn)足該應(yīng)用的所有系統(tǒng)要求，它讓設(shè)計(jì)工程師無(wú)需使用外部FET旁路晶體管及其外圍電路，從而能簡(jiǎn)化布局并減小電路面積，以滿(mǎn)足1 cm²的板面積要求。

為滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)工程師在選擇元件和電路結(jié)構(gòu)時(shí)經(jīng)常要面臨折衷，且必須權(quán)衡所有選擇。工作電流與待機(jī)電流之間的折衷、性能與價(jià)格之間的折衷，以及尺寸和設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性都是便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常要考慮的問(wèn)題。

隨著便攜式電子產(chǎn)品的尺寸不斷縮小，以及制造商不斷在這些產(chǎn)品中增加更多功能，半導(dǎo)體公司需要不斷開(kāi)發(fā)出效率更高的器件，并提高每種芯片的集成度和功能性。技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步將使未來(lái)的設(shè)計(jì)工程師能夠設(shè)計(jì)出電路板面積更小、速度更快、電源電壓更低(電流更小)，并為終端用戶(hù)帶來(lái)更高價(jià)值的下一代便攜式電子產(chǎn)品。