視頻信號(hào)的箝位、偏置和交流耦合

采用交流耦合視頻信號(hào)時(shí)必須恢復(fù)直流電壓，以確保信號(hào)位于下級(jí)電路的線性區(qū)域內(nèi)。這項(xiàng)工作稱(chēng)為偏置，對(duì)于不同的視頻信號(hào)需使用不同的電路，要求偏置點(diǎn)準(zhǔn)確和穩(wěn)定。對(duì)于正弦波信號(hào)，用阻容(R-C)耦合即可建立一個(gè)穩(wěn)定的偏置電壓。不幸的是，只有S視頻端子的色度信號(hào)(C)類(lèi)似于正弦波。而亮度(Y)、復(fù)合視頻(Cvbs)和RGB信號(hào)都是從一個(gè)參考電平開(kāi)始單向變化的合成信號(hào)，在參考電平以下附有同步脈沖。這種視頻信號(hào)需要獨(dú)特的偏置方法，稱(chēng)其為鉗位，因?yàn)樗鼘⑿盘?hào)的一端鉗置在一個(gè)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(hào)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(hào)Pb和Pr、RGB信號(hào)，都可以較好地通過(guò)"鍵控鉗位"方式處理。這種方式利用開(kāi)關(guān)代替二極管，由外部信號(hào)控制視頻鉗位?！爸绷骰謴?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(hào)。
視頻信號(hào)的交流耦合
任何信號(hào)經(jīng)過(guò)交流耦合后，耦合電容器將存儲(chǔ)信號(hào)的平均值，信號(hào)源和負(fù)載之間直流電位的差值。為了說(shuō)明不同信號(hào)對(duì)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(gè)接地電阻，采用交流耦合方式連接正弦波和脈沖信號(hào)時(shí)，耦合后的信號(hào)直流電平發(fā)生了變化：正弦信號(hào)的直流電平大約為其振幅的一半，而脈沖信號(hào)的直流電平則是占空比的函數(shù)。這說(shuō)明對(duì)于占空比變化的脈沖信號(hào)將需要更大的動(dòng)態(tài)范圍。由于這個(gè)原因，所有針對(duì)脈沖信號(hào)的放大器都采用直流耦合，保證所需的動(dòng)態(tài)范圍。視頻信號(hào)類(lèi)似于脈沖信號(hào)，所以更適合采用直流耦合。
亮度、復(fù)合信號(hào)和RGB信號(hào)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(hào)可能附加有同步信號(hào)(如NTSC、PAL中的RGB信號(hào))，也可能不包括同步信號(hào)(如PC機(jī)中采用獨(dú)立的同步信號(hào))。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(hào)的靜態(tài)電平在同步期間不是0V，它將類(lèi)似于脈沖波，而非正弦波。
盡管如此，視頻信號(hào)必須采用交流耦合。用直流耦合連接兩個(gè)不同的電源很危險(xiǎn)，這通常是安全規(guī)范所禁止的。視頻設(shè)備制造商通常對(duì)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(jí)電路重建直流分量。如果不能達(dá)成這樣一個(gè)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(lái)的問(wèn)題是：耦合電容需要多大的電容量。圖1中，假定電容儲(chǔ)存信號(hào)“平均電壓”的時(shí)間(RC的乘積)大于信號(hào)的最小周期。這意味著RC網(wǎng)絡(luò)的-3dB頻率一定比信號(hào)的最低頻率低6~10倍，以確保穩(wěn)定的均值。這對(duì)電容容量的要求差異很大，舉例來(lái)說(shuō)，S視頻端子的色度是一個(gè)脈沖調(diào)制的正弦波，其最低頻率大約是2MHz。即使對(duì)于75W的負(fù)載，也只需要一個(gè)0.1mF的電容，除非需要傳遞行同步脈沖。對(duì)于亮度、Cvbs和RGB信號(hào)，則向下擴(kuò)展到視頻的幀速率(25~30Hz)。對(duì)于一個(gè)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(guò)小，會(huì)引起顯示圖像變暗，并可能導(dǎo)致圖像扭曲。

視頻信號(hào)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(hào)，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(wú)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(dòng)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(gè)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(guò)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(guò)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(gè)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