視頻信號的箝位、偏置和交流耦合

采用交流耦合視頻信號時必須恢復(fù)直流電壓，以確保信號位于下級電路的線性區(qū)域內(nèi)。這項(xiàng)工作稱為偏置，對于不同的視頻信號需使用不同的電路，要求偏置點(diǎn)準(zhǔn)確和穩(wěn)定。對于正弦波信號，用阻容(R-C)耦合即可建立一個穩(wěn)定的偏置電壓。不幸的是，只有S視頻端子的色度信號(C)類似于正弦波。而亮度(Y)、復(fù)合視頻(Cvbs)和RGB信號都是從一個參考電平開始單向變化的合成信號，在參考電平以下附有同步脈沖。這種視頻信號需要獨(dú)特的偏置方法，稱其為鉗位，因?yàn)樗鼘⑿盘柕囊欢算Q置在一個參考電位上。傳統(tǒng)的鉗位電路為二極管鉗位，其中疊加在視頻信號上的同步脈沖使二極管導(dǎo)通。除此之外，還有其它形式的電路，例如，色差信號Pb和Pr、RGB信號，都可以較好地通過"鍵控鉗位"方式處理。這種方式利用開關(guān)代替二極管，由外部信號控制視頻鉗位。“直流恢復(fù)”是一種新的偏置方法，它在鍵控鉗位中增加了反饋環(huán)路，放置在ADC的前端，以提高偏置點(diǎn)的精確性。本文闡述了幾種偏置方式的工作原理，以及每種方式所適合的信號。
視頻信號的交流耦合
任何信號經(jīng)過交流耦合后，耦合電容器將存儲信號的平均值，信號源和負(fù)載之間直流電位的差值。為了說明不同信號對偏置點(diǎn)穩(wěn)定性的影響，可以觀察一下圖1所示波形，負(fù)載為一個接地電阻，采用交流耦合方式連接正弦波和脈沖信號時，耦合后的信號直流電平發(fā)生了變化：正弦信號的直流電平大約為其振幅的一半，而脈沖信號的直流電平則是占空比的函數(shù)。這說明對于占空比變化的脈沖信號將需要更大的動態(tài)范圍。由于這個原因，所有針對脈沖信號的放大器都采用直流耦合，保證所需的動態(tài)范圍。視頻信號類似于脈沖信號，所以更適合采用直流耦合。
亮度、復(fù)合信號和RGB信號在“黑”電平和“白”電平之間變化，變化范圍一般在0V~+700mV。視頻信號可能附加有同步信號(如NTSC、PAL中的RGB信號)，也可能不包括同步信號(如PC機(jī)中采用獨(dú)立的同步信號)。在單電源應(yīng)用中，如DAC輸出，同步期間的靜態(tài)電平是不同的，這將影響到偏置方式的選擇。雙電源應(yīng)用中，如果色度信號的靜態(tài)電平在同步期間不是0V，它將類似于脈沖波，而非正弦波。
盡管如此，視頻信號必須采用交流耦合。用直流耦合連接兩個不同的電源很危險，這通常是安全規(guī)范所禁止的。視頻設(shè)備制造商通常對其設(shè)備輸入端采用交流耦合方式，而在輸出端采用直流耦合，需要下級電路重建直流分量。如果不能達(dá)成這樣一個協(xié)議，必將導(dǎo)致“雙重耦合”。這一規(guī)則的唯一例外是電池供電設(shè)備，如：便攜式攝像機(jī)和照相機(jī)，采用交流耦合輸出，以降低電池?fù)p耗。
接下來的問題是：耦合電容需要多大的電容量。圖1中，假定電容儲存信號“平均電壓”的時間(RC的乘積)大于信號的最小周期。這意味著RC網(wǎng)絡(luò)的-3dB頻率一定比信號的最低頻率低6~10倍，以確保穩(wěn)定的均值。這對電容容量的要求差異很大，舉例來說，S視頻端子的色度是一個脈沖調(diào)制的正弦波，其最低頻率大約是2MHz。即使對于75W的負(fù)載，也只需要一個0.1mF的電容，除非需要傳遞行同步脈沖。對于亮度、Cvbs和RGB信號，則向下擴(kuò)展到視頻的幀速率(25~30Hz)。對于一個75W負(fù)載，-3dB頻率為3~5Hz，這就需要大于1000mF的電容。如果使用的電容過小，會引起顯示圖像變暗，并可能導(dǎo)致圖像扭曲。

視頻信號的單電源偏置電路
圖2A所示的RC耦合可用于任何視頻信號，只要 RC的乘積足夠大，運(yùn)放電源提供足夠的正、負(fù)電壓，傳統(tǒng)方案中一般利用雙電源供電實(shí)現(xiàn)。假定Rs與Ri具有相同的參考地，而且Rs等于Ri與Rf的并聯(lián)阻值，運(yùn)放能夠抑制所有的共模干擾、保持最小的輸出失調(diào)電壓。-3dB頻率等于1/(2pRsC)，而且，無論采用多大的耦合電容，電路都能保持它的電源抑制比(PSRR)、共模抑制比(CMRR)和動態(tài)范圍。大多數(shù)視頻電路采用了這種方式。
隨著數(shù)字視頻和電池供電裝置的出現(xiàn)，負(fù)極性電源成為昂貴的電源負(fù)擔(dān)。早期的RC偏置電路如圖2B所示，它增加了一個分壓器，并假設(shè)R1=R2，圖2B中的Vcc等于圖2A中Vcc與Vee的總和，圖2A與圖2B很相似，但他們具有不同的交流性能。圖2B中Vcc的任何變化都將通過分壓比直接影響運(yùn)算放大器的輸入電壓，而在圖2A中，Vcc允許在運(yùn)放電源的容限內(nèi)變化。如果R1=R2，圖2B的電源抑制比僅為-6dB，這就要求電源必須穩(wěn)定，并經(jīng)過適當(dāng)濾波。改善交流電源抑制比的一種低成本方法是插入一個隔離電阻(Rx)，如圖2C，但是它將產(chǎn)生額外的直流失調(diào)，除非使Rx完全匹配于Rf和Ri。另外，還需保證Rx