模擬視頻技術(四)：電源和輸入

作者：Randy Stephens，成員組技術骨干，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。最原始且最常見的通用視頻標準包括了NTSC（美國國家電視系統(tǒng)委員會）以及PAL（逐行倒相制式）。其它的現(xiàn)代消費模擬視頻傳輸系統(tǒng)包括了S-Video、分量視頻(Component Video)、專業(yè)G'B'R'視頻以及計算機R'G'B'系統(tǒng)。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和差別以及如何簡化此類視頻系統(tǒng)的模擬輸入/輸出設計。

電源電壓及功耗

　　決大多數(shù)的視頻系統(tǒng)采用獨立供電的數(shù)據(jù)轉換器（3.3V供電）。如果該電源能同時用于視頻濾波器/放大器，則系統(tǒng)將有可能減少一至兩個電源，從而使得系統(tǒng)更簡潔，并可降低了成本。THS73x3系列器件是該領域的探路者，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，設計工作于此類電壓，且在其整個電壓范圍內(nèi)都沒有性能上的降低。實際上，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(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(SAG corrected)線路驅動輸出。

　　另一個考慮因素是功耗。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1.2W，從而可能導致很高的芯片溫度并容易影響設備的長期可靠性。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斷(shutdown)，以降低功耗。當所有的通道都處于關斷狀態(tài)時，總的電流損耗小于1uA。因此，此類器件可應用于諸如便攜式或USB供電系統(tǒng)等功耗敏感性的系統(tǒng)。

信號耦合

　　對于單電源供電低至2.7V的設計來說，其中的關注點之一是視頻信號是否會產(chǎn)生削波失真。在此，適當?shù)闹绷髌脤τ谠O計來說是十分重要的。對于不同類別的視頻系統(tǒng)及設計，關鍵點之一是提供足夠的靈活性以適當?shù)恼{(diào)節(jié)THS73x3的偏置。

　　在系統(tǒng)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或編碼器進行驅動，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（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(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，并將重新確立其自身的直流偏置點。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偏置模式非常簡單。THS73x3通過兩個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)問題的最小化。一般來說，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，同時也可用于亮度(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5V電源供電，以確保不產(chǎn)生削波失真。

　　正在申請專利的AC同步端鉗位(STC)模式（圖9）最為適用于處于視頻信號最低電平的同步信號。這就意味著亮度(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(tǒng)具有內(nèi)置的電流吸收(current-sink)以釋放耦合電容，單個濾波器以消除有可能出現(xiàn)的高頻信號相互干擾，單個放大器用以監(jiān)測輸入端電壓與參考電壓之間的差值，并具有一個晶體管以用于在信號低于參考電平時對電容充載。因此，該同步鉗位系統(tǒng)是動態(tài)的系統(tǒng)，在任意情況下都不依賴于定時校準。此類系統(tǒng)還通常被稱為直流重構(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或過沖(overshoot)的影響，從而將導致不期望的DC偏置點過度偏移以及信號的削波失真。

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。這點非常重要，因為所應用的信號標準（敬請參見表1）具有不同的水平同步寬度(horizontal sync width)。如將500kHz濾波器應用于720p亮度信號，STC電路將無法銜接操作，而系統(tǒng)也將懸起。但如果是應用于充滿噪聲或強烈振蕩的CVBS信號，500kHz濾波器將很好的抑制THS73x3內(nèi)部的直流偏置點漂移。

　　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)可更快的捕捉信號并更好的抑制嗡鳴(hum)噪聲（當50Hz或60Hz的線路信號耦合至系統(tǒng)時）。其它時候系統(tǒng)則需求較低的放電速率以改善線路上的傾斜或下降，特別是當視頻信號在整條線路上保持不變(hold constant)的時候。由于AC耦合及放電電流的影響，DC信號將會向下傾斜，通?？山邮艿娜€路傾斜小于1 IRE。此類可選擇性的允許系統(tǒng)實質(zhì)性的連接至任意外部源，而無需手動改變輸入電容值。

　　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(tǒng)。