模擬視頻技術(shù)(四)：電源和輸入

作者：Randy Stephens，成員組技術(shù)骨干，德州儀器

　　模擬視頻信號(hào)已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，至今仍在使用。最原始且最常見(jiàn)的通用視頻標(biāo)準(zhǔn)包括了NTSC（美國(guó)國(guó)家電視系統(tǒng)委員會(huì)）以及PAL（逐行倒相制式）。其它的現(xiàn)代消費(fèi)模擬視頻傳輸系統(tǒng)包括了S-Video、分量視頻(Component Video)、專(zhuān)業(yè)G'B'R'視頻以及計(jì)算機(jī)R'G'B'系統(tǒng)。本文將探討部分模擬視頻信號(hào)的需求，并討論它們之間有何相似點(diǎn)和差別以及如何簡(jiǎn)化此類(lèi)視頻系統(tǒng)的模擬輸入/輸出設(shè)計(jì)。

電源電壓及功耗

　　決大多數(shù)的視頻系統(tǒng)采用獨(dú)立供電的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（3.3V供電）。如果該電源能同時(shí)用于視頻濾波器/放大器，則系統(tǒng)將有可能減少一至兩個(gè)電源，從而使得系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔，并可降低了成本。THS73x3系列器件是該領(lǐng)域的探路者，可運(yùn)行于2.7V~5V的單電源。該系列器件采用的BiCom-3處理工藝，設(shè)計(jì)工作于此類(lèi)電壓，且在其整個(gè)電壓范圍內(nèi)都沒(méi)有性能上的降低。實(shí)際上，某些規(guī)格參數(shù)，例如差分增益及相位，都因更低的電源電壓而得到改善。

　　圖8展示了THS7303作為DAC的放大器緩沖器的典型配置，可接收外部輸入，采用了3.3V電源供電，并在輸出端采用了中沉校準(zhǔn)(SAG correction)。 該圖可作為本文其他部分的參考。

圖8：典型系統(tǒng)配置，THS7303采用了3.3V電源電壓，并采用DC+偏移量(DC+shift)、AC-STC以及AC偏置模式耦合DAC輸入，中沉校準(zhǔn)(SAG corrected)線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)輸出。

　　另一個(gè)考慮因素是功耗。與THS73x3系列類(lèi)似的5V單電源供電部件并不是很少見(jiàn)，但很多器件的功耗都超過(guò)50mW，甚至高達(dá)1.2W，從而可能導(dǎo)致很高的芯片溫度并容易影響設(shè)備的長(zhǎng)期可靠性。但THS73x3系列器件的功耗僅為55mW， 采用3.3V供電運(yùn)轉(zhuǎn)。該特性卓有成效地降低了所關(guān)注的熱耗，并確保了可靠性。

　　該系列器件的每一通道都可獨(dú)立的關(guān)斷(shutdown)，以降低功耗。當(dāng)所有的通道都處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，總的電流損耗小于1uA。因此，此類(lèi)器件可應(yīng)用于諸如便攜式或USB供電系統(tǒng)等功耗敏感性的系統(tǒng)。

信號(hào)耦合

　　對(duì)于單電源供電低至2.7V的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，其中的關(guān)注點(diǎn)之一是視頻信號(hào)是否會(huì)產(chǎn)生削波失真。在此，適當(dāng)?shù)闹绷髌脤?duì)于設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是十分重要的。對(duì)于不同類(lèi)別的視頻系統(tǒng)及設(shè)計(jì)，關(guān)鍵點(diǎn)之一是提供足夠的靈活性以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)THS73x3的偏置。

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中若采用了THS7303或THS7313作為6dB增益放大器，并由接地參考的DAC或編碼器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，則直流(DC)輸入模式是理想的。問(wèn)題在于DAC所產(chǎn)生的電壓將低至何種程度。如果同步信號(hào)（在視頻信號(hào)中典型的處于最低電壓）低于50mV，則6dB放大器的輸出需要產(chǎn)生低于100mV的電壓。然而由于晶體管的飽和狀態(tài)限制（CMOS及雙極型都存在此類(lèi)情況），使得放大器極難產(chǎn)生此類(lèi)低電壓。

　　為了消除此類(lèi)限制，所有的THS73x3產(chǎn)品都采用了DC+偏移模式，以為視頻輸入信號(hào)提供內(nèi)置的直流電壓偏置。由于該偏置僅為內(nèi)置，因而將不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響。該偏置還確保了THS73x3在輸入不適宜（甚至低至0V）的情況下輸出端也不會(huì)因?yàn)轱柡投鴮?dǎo)致削波。

　　如果DAC輸出電壓最低值僅為100mV，則直流輸入模式是最優(yōu)的。該模式對(duì)系統(tǒng)所施加的偏置電壓沒(méi)有要求。但需要注意的是任意放大器都具有偏置，THS73x3也不例外。盡管偏置電壓典型的很小，但部件間(part-to-part)的差異確實(shí)存在。

　　如果DAC采用了諸如3.3V、1.8V的電源或外部的輸入作為參考，則采用AC耦合是最優(yōu)的模式。AC耦合允許THS73x3忽略源極的直流偏置點(diǎn)，并將重新確立其自身的直流偏置點(diǎn)。AC耦合選項(xiàng)包括了AC偏置(AC-bias)以及AC同步端鉗位(sync tip clamp)。

　　AC偏置模式非常簡(jiǎn)單。THS73x3通過(guò)兩個(gè)電阻設(shè)定電源與地電平之間的電壓劃分。AC偏置模式的輸入阻抗約為20kΩ。因此，所使用的電容應(yīng)該足夠大以確保任意傾斜(tilt)或下降(droop)問(wèn)題的最小化。一般來(lái)說(shuō)，4.7uF ~ 10uF的電容即可合乎要求。該模式最為適用于色度(Chroma)或色差信號(hào)，同時(shí)也可用于亮度(Luma)信號(hào)、G'B'R' 信號(hào)或計(jì)算機(jī)R'G'B' 信號(hào)。由于信號(hào)是AC耦合，且DC偏置點(diǎn)也隨平均信號(hào)電平而變化，因此，對(duì)于攜帶同步信息的信號(hào)，最好采用AC偏置模式，并通過(guò)5V電源供電，以確保不產(chǎn)生削波失真。

　　正在申請(qǐng)專(zhuān)利的AC同步端鉗位(STC)模式（圖9）最為適用于處于視頻信號(hào)最低電平的同步信號(hào)。這就意味著亮度(Y')信號(hào)、帶同步的G'B'R'信號(hào)或是帶同步的計(jì)算機(jī)R'G'B'信號(hào)都很適宜采用AC-STC模式。THS73x3的同步端鉗位系統(tǒng)具有內(nèi)置的電流吸收(current-sink)以釋放耦合電容，單個(gè)濾波器以消除有可能出現(xiàn)的高頻信號(hào)相互干擾，單個(gè)放大器用以監(jiān)測(cè)輸入端電壓與參考電壓之間的差值，并具有一個(gè)晶體管以用于在信號(hào)低于參考電平時(shí)對(duì)電容充載。因此，該同步鉗位系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，在任意情況下都不依賴(lài)于定時(shí)校準(zhǔn)。此類(lèi)系統(tǒng)還通常被稱(chēng)為直流重構(gòu)(DC-restore)系統(tǒng)，優(yōu)于二極管鉗位系統(tǒng)。后者的問(wèn)題在于易受任意高頻信號(hào)或過(guò)沖(overshoot)的影響，從而將導(dǎo)致不期望的DC偏置點(diǎn)過(guò)度偏移以及信號(hào)的削波失真。

圖9：AC-STC基本系統(tǒng)

　　THS73x3系列的靈活性允許用戶(hù)調(diào)節(jié)某些AC-STC功能，包括了500 kHz、2.5MHz 及 5MHz之間的STC濾波器。這點(diǎn)非常重要，因?yàn)樗鶓?yīng)用的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（敬請(qǐng)參見(jiàn)表1）具有不同的水平同步寬度(horizontal sync width)。如將500kHz濾波器應(yīng)用于720p亮度信號(hào)，STC電路將無(wú)法銜接操作，而系統(tǒng)也將懸起。但如果是應(yīng)用于充滿(mǎn)噪聲或強(qiáng)烈振蕩的CVBS信號(hào)，500kHz濾波器將很好的抑制THS73x3內(nèi)部的直流偏置點(diǎn)漂移。

　　AC-STC模式允許選擇放電電流(discharge current)。如果出現(xiàn)于THS73x3輸入端的電壓下跌至低于參考電壓，系統(tǒng)將以最高2mA的電流充電以增加電壓。而如果電壓一定程度的高于參考電壓，情況又如何呢？放電電流將降低電容上的電壓，放電速率等于I/C = dV/dT。該電流可選擇為2uA、6uA以及8uA。具有高的放電電流使得系統(tǒng)可更快的捕捉信號(hào)并更好的抑制嗡鳴(hum)噪聲（當(dāng)50Hz或60Hz的線(xiàn)路信號(hào)耦合至系統(tǒng)時(shí)）。其它時(shí)候系統(tǒng)則需求較低的放電速率以改善線(xiàn)路上的傾斜或下降，特別是當(dāng)視頻信號(hào)在整條線(xiàn)路上保持不變(hold constant)的時(shí)候。由于AC耦合及放電電流的影響，DC信號(hào)將會(huì)向下傾斜，通?？山邮艿娜€(xiàn)路傾斜小于1 IRE。此類(lèi)可選擇性的允許系統(tǒng)實(shí)質(zhì)性的連接至任意外部源，而無(wú)需手動(dòng)改變輸入電容值。

　　圖8還展示了2:1輸入多路復(fù)用器(MUX)的特性。此多路復(fù)用器，并結(jié)合用戶(hù)可配置的輸入耦合方式（不同通道間完全獨(dú)立），可允許THS73x3應(yīng)用于眾多不同的系統(tǒng)。