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
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/258775.htm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)工作于此類電壓,且在其整個(gè)電壓范圍內(nèi)都沒有性能上的降低。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)線路驅(qū)動(dòng)輸出。
另一個(gè)考慮因素是功耗。與THS73x3系列類似的5V單電源供電部件并不是很少見,但很多器件的功耗都超過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,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)說是十分重要的。對(duì)于不同類別的視頻系統(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情況),使得放大器極難產(chǎn)生此類低電壓。
為了消除此類限制,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)問題的最小化。一般來(lái)說,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5V電源供電,以確保不產(chǎn)生削波失真。
正在申請(qǐng)專利的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于定時(shí)校準(zhǔn)。此類系統(tǒng)還通常被稱為直流重構(gòu)(DC-restore)系統(tǒng),優(yōu)于二極管鉗位系統(tǒng)。后者的問題在于易受任意高頻信號(hào)或過沖(overshoot)的影響,從而將導(dǎo)致不期望的DC偏置點(diǎn)過度偏移以及信號(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路上的傾斜或下降,特別是當(dāng)視頻信號(hào)在整條線路上保持不變(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€路傾斜小于1 IRE。此類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)。
評(píng)論