小型低成本手機(jī)視頻放大器OPA360的應(yīng)用

引言

在電視屏幕上顯示照片上當(dāng)今照相手機(jī)中一項(xiàng)越來越重要的功能，因?yàn)樗茏屇纫酝钊藵M意地與朋友及家人一起觀看您拍攝的照片，電視輸出功能能以相對(duì)較少的成本增加至照相手機(jī)中，并為手機(jī)廠商提供重要的增收機(jī)會(huì)。

照相手機(jī)對(duì)技術(shù)的要求遠(yuǎn)比典型的視頻應(yīng)用技術(shù)更具挑戰(zhàn)性，并且需要性能、功耗、印制電路板空間與成本之間進(jìn)行折衷。照相手機(jī)與電視機(jī)機(jī)頂盒中對(duì)技術(shù)的要求就可形成鮮明對(duì)比。首先，機(jī)頂盒與交流電源相連，故功耗并不是大問題，其次，視頻信號(hào)電路板安裝在一個(gè)空間相對(duì)較大的盒子中，因此封裝尺寸與所需外部器件數(shù)通常也不那么重要，第三，機(jī)頂盒電源電壓一般為5V（或更高的）單電源，因此給視頻信號(hào)留有較大的余地。但在照相手機(jī)中以上每個(gè)方面都有特定的設(shè)計(jì)約束，要想成功地將電視輸出功能設(shè)計(jì)至照相手機(jī)中，就必須仔細(xì)考慮這些設(shè)計(jì)約束以及其他技術(shù)與商業(yè)要求。

照相手機(jī)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)

◇ 視頻信號(hào)選擇

復(fù)合視頻（CVBS）輸出是便攜式應(yīng)用中最常用的信號(hào)，幾乎所有新型電視機(jī)都有復(fù)合視頻輸入插口。盡管稍微有些性能優(yōu)勢(shì)，但帶S或分量視頻輸入后的電視機(jī)畢竟較少，另外，S視頻所帶來的少許圖像質(zhì)量改善，不也并不足以抵消照相手機(jī)應(yīng)用中的功耗，電路板空間與成本的增加。

◇ 頻率響應(yīng)

盡管NTSC/PAL制式的頻率范圍只有5MHz，但仍要求使用寬帶放大器才能在此頻率范圍內(nèi)達(dá)到平坦的頻率響應(yīng)。通常需要用低通或多極濾波器來減少視頻編碼器的“采樣產(chǎn)物”。例如，嵌入在德州儀器公司（TI）數(shù)字多媒體處理器中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其速度已被提高至27MHz，因此可在視頻信號(hào)頻譜中看到27MHz采樣頻率所產(chǎn)生的“鏡頻”。如果不進(jìn)行任何濾波，則這些采樣產(chǎn)物將被所連接視頻設(shè)備（例如電視機(jī)）中的視頻處理折疊到視頻信號(hào)中，并在電視屏幕上產(chǎn)生不希望的圖像失真。而像OPA360等視頻放大器，則帶有一個(gè)內(nèi)部低通或多極放大器，除使信號(hào)通過且不產(chǎn)生任何圖像失真外，還能有效地衰減采樣產(chǎn)物。

像集成OPA360放大器中的兩極濾波器，就像體現(xiàn)了對(duì)采樣產(chǎn)物進(jìn)行最佳可能的衰減與減少芯片尺寸和解決方案成本之間的良好平衡，這種解決方案一般能在27MHz頻率上提供21dB的衰減，同時(shí)能夠有效地減少采樣產(chǎn)物。

◇ 關(guān)鍵模式下的功耗

當(dāng)照相手機(jī)以電視輸出模式工作時(shí)，一個(gè)典型的視頻放大器將消耗5-9mA的電源電流加上用于視頻行驅(qū)動(dòng)的電流。因此，挑選一種用于便攜式視頻設(shè)備的視頻放大器時(shí)，工作模式功耗雖是必須考慮的一項(xiàng)重要因素，但更重要的是視頻功能不啟用時(shí)的功耗，當(dāng)希望在電視屏幕上比較滿意地觀看照片時(shí)，照相手機(jī)一般只與電視機(jī)或投影儀連接。

因此，適合照相手機(jī)應(yīng)用的視頻放大器必須具有關(guān)機(jī)（或休眠）模式。以延長(zhǎng)電池工作時(shí)間及充電間隔時(shí)間，關(guān)機(jī)模式的源電流在整個(gè)行業(yè)內(nèi)有很大的不同，必須在產(chǎn)品選擇階段仔細(xì)挑選，以確保在關(guān)機(jī)模式下具有很小的靜態(tài)電流。例如OPA 360，其靜態(tài)（或關(guān)機(jī)模式） 電流即小于5A。而很多其他視頻放大器則具有50A或更大靜態(tài)電流。

集成視頻放大器解決方案

由于照相手機(jī)中的印制電路板（PCB）空間極為有限，因此任何視頻功能塊的尺寸都必須盡可能地小，帶視頻放大器及必要分立元件的解決方案或許能行，但在照相手機(jī)中卻行不通，因此最好采用更為集成的解決方案。

現(xiàn)代集成解決方案可節(jié)省印制板空間并減少器件數(shù)，圖1是一種采用標(biāo)準(zhǔn)視頻運(yùn)放及必要分立元件（包括一個(gè)大而高的220μF耦合電容）的傳統(tǒng)電視輸出功能電路原理圖，該電路中的電容體積很大，不能滿足大多數(shù)照相手機(jī)設(shè)計(jì)的尺寸與成本要求，雖然在機(jī)頂盒等電路板空間足夠大的應(yīng)用中，這不是一個(gè)問題，但在照相手機(jī)中，由于“空間”極為緊張，因此必須考慮可減少總體解決方案尺寸的方法。


OPA360是一種增益為2，并帶有集成兩極濾波器與輸入電平轉(zhuǎn)換電路的全集成視頻放大器解決方案，它不需要任何輸出電容，就能支持直流耦合輸出，能進(jìn)一步將該解決方案的尺寸減小至5.5mm2。所需的唯一外部器件是一只極小的100nF電源去耦電容，圖2是采用OPA360以及帶有中沉校正的交流耦合輸出解決方案。實(shí)際上，如果采用直列耦合輸出，還可取消其中的兩個(gè)交流耦合電容，圖3所示是采用直流耦合輸出的OPA360放大電路。


現(xiàn)地手機(jī)設(shè)計(jì)中一般不采用5V單電源，最大電源電壓通常為3.3V，有時(shí)還會(huì)更低，這種低電源電壓對(duì)放大器及其輸出高質(zhì)量視頻信號(hào)的能力提出了特殊的要求，而視頻放大器輸出上2Vp-p的信號(hào)擺幅，也要采用更低的電源電壓。并必須增加正向飽和限制來適應(yīng)輸出中的場(chǎng)傾斜，故中沉校正交流耦合解決方案中的最小實(shí)際源電壓設(shè)計(jì)限制大約為3.3V，由于直流耦合輸出沒有場(chǎng)傾斜。因此，它能安全地在2.8-3.0源電壓上工作。

嵌入在數(shù)字媒體處理器中的很多常用視頻DAC（例如TI公司的數(shù)字媒體處理器與新型OMAP處理器等）都可在低、單電源電壓下工作，一般來講，視頻DAC同步脈沖輸出的最低與0V相對(duì)應(yīng)。但不幸的是，典型單電源高速運(yùn)放的輸出卻不能向下擺動(dòng)至0V，因此如果以0V輸入來驅(qū)動(dòng)，則放大器輸出級(jí)將飽和并會(huì)使同步脈沖底部限幅，從而降低視頻信號(hào)的完整性，而IT公司的OPA360則在輸入級(jí)擁有一個(gè)60mV的電平轉(zhuǎn)換器，且可在帶有150視頻負(fù)載的輸出上擁有25mV的到地?cái)[幅，這種組合使放大器能連續(xù)地在線性區(qū)域工作，并提供完整的視頻信號(hào)。電平轉(zhuǎn)換器使OPA360很容易直流耦合至輸出上，而不會(huì)降低視頻性能，圖4所示是采用內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換后的波形圖。


輸出耦合的選擇

◇ 帶中沉校正的交流耦合輸出

自從有電視以來，交流耦合就是一種用來連接視頻信號(hào)的經(jīng)典方法，如果設(shè)計(jì)工程師選擇用一個(gè)傳統(tǒng)視頻放大器來交流耦合輸出，則需要用一個(gè)220μF或470μF的大電容，這些電容不僅體積龐大而且價(jià)格昂貴，一般只在機(jī)頂盒（例如）等空間較大的設(shè)備中使用，而在現(xiàn)代便攜式視頻應(yīng)用中，通常利用一種稱為“中沉校正”的技術(shù)，并通過兩個(gè)小輸出耦合電容來取代傳統(tǒng)大輸出電容，來減少整個(gè)解決方案的尺寸，傳統(tǒng)220μF電路會(huì)在5Hz處產(chǎn)生一個(gè)低頻極點(diǎn)（3dB頻率）。如果此電容做得很小，則在關(guān)鍵50-100Hz范圍內(nèi)的過渡相移會(huì)產(chǎn)生場(chǎng)傾斜，而這種場(chǎng)傾斜又會(huì)干擾電視接收機(jī)中同步信號(hào)的正常恢復(fù)，象照相手機(jī)這種低、單電源電壓應(yīng)用中的過渡場(chǎng)傾斜，可能會(huì)導(dǎo)致輸出限幅并嚴(yán)重降低視頻性能，例如OPA360中所采用的中沉電路，即可在20Hz區(qū)域產(chǎn)生幅度響應(yīng)峰值。這種通常只有十分之幾dB的小幅度尖峰，可對(duì)關(guān)鍵50-100Hz范圍內(nèi)的相位響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而極大的減少場(chǎng)傾斜，應(yīng)當(dāng)說明的是，此時(shí)只需要使用兩只體積與成本小得多的電容，因此很容易安裝到照相手機(jī)中。為獲得良好的視頻性能，可采用一只22μF的中沉電容與一只47μF的耦合電容，圖5是帶220μF耦合電容的標(biāo)準(zhǔn)視頻電路與帶中沉校正電路的放大器性能比較。事實(shí)上，兩種信號(hào)基本相同。


◇　直流耦合輸出

實(shí)際上，直流耦合輸出才是一種較好的方式，盡管用中沉校正交流耦合法可節(jié)省一定的空間，但采用直流耦合輸出卻能獲得最佳的視頻性能與最小的整體解決方案，直流耦合視頻輸出并不是一個(gè)新概念，可在其他許多大批量應(yīng)用中找到，例如PC圖形卡、筆記本電腦圖形卡以及數(shù)碼相機(jī)等，直流耦合可用前面介紹的OPA360中的電平轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換通過將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換至輸出線性工作范圍內(nèi)，而能防止由輸出級(jí)飽和所引起的視頻同步信號(hào)限幅，直流耦合輸出在電路板空間有限的便攜式視頻應(yīng)用中顯得尤為重要。若采用SC70封裝的OPA360，則總解決方案尺寸可小于5.5mm2。

直流耦合輸出配置還能提供最佳視頻性能，如圖6所示，其中沒有行或場(chǎng)傾斜，因而允許采用最低電源電壓。在此模式中，OPA360可在低至2.8V的源電壓上提供出色的視頻保真度，且沒有信號(hào)限幅。直流耦合輸出的缺點(diǎn)是其工作模式下的電源電流要稍高一些，但關(guān)機(jī)（休眠）模式下的靜態(tài)電流一樣。


結(jié)束語

要想成功地將一種高性能視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)到便攜式應(yīng)用中，必須仔細(xì)考慮各種細(xì)節(jié)，在低電源電壓與封裝尺寸有限的情況下集成解決方案明顯優(yōu)于分立解決方案。功耗，尤其是關(guān)機(jī)狀模塊下的功耗的對(duì)于延長(zhǎng)電池工作時(shí)間極為關(guān)鍵，最后，可用直列耦合輸出來實(shí)現(xiàn)最低成本、最高性能及最小整體尺寸決定方案，而集成特性與最佳設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力組合，使得TI公司的OPA360放大器特別適合于照相手機(jī)的電視輸出功能的設(shè)計(jì)。