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

　　模擬視頻信號已經(jīng)應用了幾十年，至今仍在使用。最原始且最常見(jiàn)的通用視頻標準包括了NTSC（美國國家電視系統委員會(huì )）以及PAL（逐行倒相制式）。其它的現代消費模擬視頻傳輸系統包括了S-Video、分量視頻(Component Video)、專(zhuān)業(yè)G'B'R'視頻以及計算機R'G'B'系統。本文將探討部分模擬視頻信號的需求，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)視頻系統的模擬輸入/輸出設計。

電源電壓及功耗

　　決大多數的視頻系統采用獨立供電的數據轉換器（3.3V供電）。如果該電源能同時(shí)用于視頻濾波器/放大器，則系統將有可能減少一至兩個(gè)電源，從而使得系統更簡(jiǎn)潔，并可降低了成本。THS73x3系列器件是該領(lǐng)域的探路者，可運行于2.7V~5V的單電源。該系列器件采用的BiCom-3處理工藝，設計工作于此類(lèi)電壓，且在其整個(gè)電壓范圍內都沒(méi)有性能上的降低。實(shí)際上，某些規格參數，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(SAG correction)。 該圖可作為本文其他部分的參考。

圖8：典型系統配置，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(SAG corrected)線(xiàn)路驅動(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1.2W，從而可能導致很高的芯片溫度并容易影響設備的長(cháng)期可靠性。但THS73x3系列器件的功耗僅為55mW， 采用3.3V供電運轉。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立的關(guān)斷(shutdown)，以降低功耗。當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)器件可應用于諸如便攜式或USB供電系統等功耗敏感性的系統。

信號耦合

　　對于單電源供電低至2.7V的設計來(lái)說(shuō)，其中的關(guān)注點(diǎn)之一是視頻信號是否會(huì )產(chǎn)生削波失真。在此，適當的直流偏置對于設計來(lái)說(shuō)是十分重要的。對于不同類(lèi)別的視頻系統及設計，關(guān)鍵點(diǎn)之一是提供足夠的靈活性以適當的調節THS73x3的偏置。

　　在系統設計中若采用了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（在視頻信號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，以為視頻輸入信號提供內置的直流電壓偏置。由于該偏置僅為內置，因而將不會(huì )對信號產(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 )因為飽和而導致削波。

　　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。該模式對系統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，同時(shí)也可用于亮度(Luma)信號、G'B'R' 信號或計算機R'G'B' 信號。由于信號是AC耦合，且DC偏置點(diǎn)也隨平均信號電平而變化，因此，對于攜帶同步信息的信號，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最低電平的同步信號。這就意味著(zhù)亮度(Y')信號、帶同步的G'B'R'信號或是帶同步的計算機R'G'B'信號都很適宜采用AC-STC模式。THS73x3的同步端鉗位系統具有內置的電流吸收(current-sink)以釋放耦合電容，單個(gè)濾波器以消除有可能出現的高頻信號相互干擾，單個(gè)放大器用以監測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低于參考電平時(shí)對電容充載。因此，該同步鉗位系統是動(dòng)態(tài)的系統，在任意情況下都不依賴(lài)于定時(shí)校準。此類(lèi)系統還通常被稱(chēng)為直流重構(DC-restore)系統，優(yōu)于二極管鉗位系統。后者的問(wèn)題在于易受任意高頻信號或過(guò)沖(overshoot)的影響，從而將導致不期望的DC偏置點(diǎn)過(guò)度偏移以及信號的削波失真。

圖9：AC-STC基本系統

　　THS73x3系列的靈活性允許用戶(hù)調節某些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，因為所應用的信號標準（敬請參見(jiàn)表1）具有不同的水平同步寬度(horizontal sync width)。如將500kHz濾波器應用于720p亮度信號，STC電路將無(wú)法銜接操作，而系統也將懸起。但如果是應用于充滿(mǎn)噪聲或強烈振蕩的CVBS信號，500kHz濾波器將很好的抑制THS73x3內部的直流偏置點(diǎn)漂移。

　　AC-STC模式允許選擇放電電流(discharge current)。如果出現于THS73x3輸入端的電壓下跌至低于參考電壓，系統將以最高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可更快的捕捉信號并更好的抑制嗡鳴(hum)噪聲（當50Hz或60Hz的線(xiàn)路信號耦合至系統時(shí)）。其它時(shí)候系統則需求較低的放電速率以改善線(xiàn)路上的傾斜或下降，特別是當視頻信號在整條線(xiàn)路上保持不變(hold constant)的時(shí)候。由于A(yíng)C耦合及放電電流的影響，DC信號將會(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輸入多路復用器(MUX)的特性。此多路復用器，并結合用戶(hù)可配置的輸入耦合方式（不同通道間完全獨立），可允許THS73x3應用于眾多不同的系統。