概述?
??? 在設(shè)計(jì)模擬視頻電路時(shí)，是否對(duì)輸出進(jìn)行交流耦合除了取決于技術(shù)和成本因素外，同樣還取決于公司規(guī)定和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。交流耦合輸出電路包括一個(gè)串聯(lián)電容(圖1a)，而直流耦合" title="直流耦合">直流耦合輸出電路則沒(méi)有這個(gè)電容(圖1b)。由于在輸出通道增加一個(gè)電容將導(dǎo)致成本提高、空間增大以及視頻信號(hào)失真等問(wèn)題，因此不熟悉視頻輸出" title="視頻輸出">視頻輸出電路的設(shè)計(jì)人員會(huì)很困惑。然而，由于歷史、技術(shù)或經(jīng)濟(jì)因素的影響，怎樣選擇耦合方式可能已無(wú)懸念。
圖1a. 交流耦合輸出電路
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圖1b. 直流耦合輸出電路
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交流耦合輸出與直流耦合輸出?
??? 圖1a1給出了交流耦合輸出時(shí)的輸入波形和輸出波形。需要注意的是，輸出波形相對(duì)于輸入波形會(huì)向上或向下“傾斜”。因此，這種場(chǎng)失真稱為“場(chǎng)傾斜”。圖1b2中的示波器跡線為直流耦合輸出。注意，在這種情況下沒(méi)有場(chǎng)傾斜。采用的NTSC視頻測(cè)試信號(hào)" title="測(cè)試信號(hào)">測(cè)試信號(hào)稱為“Regulate”。圖2a為測(cè)試信號(hào)的白色部分在視頻監(jiān)視器上的顯示情況。圖2b為測(cè)試信號(hào)的黑色部分在視頻監(jiān)視器上的顯示情況。顯示白屏和黑屏?xí)r，Regulate視頻測(cè)試信號(hào)均在顯示區(qū)域的邊界繪出一個(gè)白色邊框。
圖2a. Regulate視頻測(cè)試信號(hào)的白屏顯示
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圖2b. Regulate視頻測(cè)試信號(hào)也為黑屏顯示
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交流耦合的傳統(tǒng)用途?
??? 既然交流耦合存在缺點(diǎn)，為什么還一直在使用呢？原因很簡(jiǎn)單，就是為了起到保護(hù)作用。圖3為集成電路還沒(méi)有廣泛使用前所采用的一種簡(jiǎn)單視頻輸出電路。萬(wàn)一輸出連接器短路至地或電源電壓，電容器可防止NPN晶體管損壞。當(dāng)前的集成視頻放大器具有堅(jiān)固的短路保護(hù)電路，因此發(fā)生短路時(shí)也不會(huì)損壞。盡管如此，在一些公司，特別是那些在視頻設(shè)備制造領(lǐng)域具有悠久歷史的公司，使用電容已經(jīng)成為慣例。設(shè)計(jì)工程師" title="設(shè)計(jì)工程師">設(shè)計(jì)工程師有可能會(huì)被告知，必須要增加一個(gè)電容，以符合公司規(guī)定。
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??? 此外，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)隱含地要求設(shè)計(jì)工程師使用電容。日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(JEITA)規(guī)定，無(wú)視頻信號(hào)時(shí)視頻輸出連接器的電壓值應(yīng)小于100mV (圖3)。如果NPN管射極的標(biāo)稱直流偏置電壓為4V，那么當(dāng)不接電容和泄漏電阻時(shí)，輸出連接器的電壓也會(huì)接近4V。因此，滿足JEITA規(guī)范的最簡(jiǎn)單方法就是增加一個(gè)電容和接地電阻。?
技術(shù)考慮?
??? 對(duì)于交流耦合，應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題之一是電容通常比較大—220μF或者更大。這是因?yàn)殡娙莺?50Ω負(fù)載(反向端接電阻和輸入端接電阻之和)形成的極點(diǎn)頻率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于幀頻(25Hz或30Hz)。一只220μF的電容器形成5Hz的極點(diǎn)頻率，這很難滿足性能要求。廣播設(shè)備通常都使用2200μF的電容。圖4給出了采用220μF電容時(shí)交流耦合輸出的高通響應(yīng)特性。
圖4. 使用220μF電容進(jìn)行交流耦合視頻連接時(shí)的頻率響應(yīng)
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??? 隨著具有視頻輸出功能的小型便攜式設(shè)備的出現(xiàn)，基于空間和成本等因素的考慮，不允許使用大容量的交流耦合電容。SAG補(bǔ)償(圖5)在保持交流耦合的同時(shí)，減小了電路板空間并降低了成本。標(biāo)準(zhǔn)連接方式下b個(gè)大電容用兩個(gè)較小的電容替代。使用單個(gè)交流耦合電容的問(wèn)題在于：頻率低于極點(diǎn)頻率時(shí)信號(hào)會(huì)被衰減，電容越小，極點(diǎn)頻率越高。SAG補(bǔ)償提升了低頻響應(yīng)，從而可補(bǔ)償?shù)皖l衰減(圖5)。低頻時(shí)，電容器視為開(kāi)路，低頻增益近似為6。高頻時(shí)，電容器近似短路，高頻增益為2。
圖5. 帶SAG補(bǔ)償?shù)腗AX4090視頻驅(qū)動(dòng)器
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??? 在消費(fèi)類電子行業(yè)中，降低成本的需求非常強(qiáng)烈，對(duì)于小型設(shè)備而言，微型化的壓力同樣很大。各廠商，甚至包括一些在視頻設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有悠久歷史的制造商，目前都在選用直流耦合視頻連接方式(圖1b)。值得注意的是，采用直流耦合輸出的主要區(qū)別是輸出信號(hào)具有一個(gè)正的直流偏置，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)都省去了負(fù)電源。放大器要保持在線性模式下，輸出信號(hào)必須偏置在地和正電源之間。
??? 試圖將交流耦合輸出變?yōu)橹绷黢詈陷敵鰰r(shí)，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)考慮其兼容性。大多數(shù)設(shè)備與兩種輸出方式都兼容，但是仍有少數(shù)設(shè)備不兼容交流耦合輸出，另有少數(shù)設(shè)備不兼容直流耦合輸出。圖6a給出了現(xiàn)代電視的一種輸入級(jí)" title="輸入級(jí)">輸入級(jí)電路。視頻信號(hào)被交流耦合至直流恢復(fù)電路，因此，輸入視頻信號(hào)可以具有任意直流偏置。該輸入電路兼容交流耦合和直流耦合視頻信號(hào)源。圖6b所示的輸入級(jí)采用了一個(gè)極性電容。如果輸入視頻信號(hào)的直流偏置太高，那么就可能會(huì)損壞極性電容。當(dāng)信號(hào)來(lái)自直流耦合信號(hào)源時(shí)，圖6b的輸入級(jí)就可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。圖6c所示的輸入級(jí)采用了PNP射極跟隨器。如果輸入信號(hào)幅度太低，那么PNP射極跟隨器會(huì)達(dá)到飽和。因此，直流耦合視頻信號(hào)源會(huì)使PNP射極跟隨器達(dá)到飽和，尤其當(dāng)信號(hào)源的地低于接收機(jī)的地時(shí)更是如此。
圖6. 三種輸入級(jí)類型：a) 現(xiàn)代電視機(jī)，b) 極性電容，c) PNP射極跟隨器
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??? 電視設(shè)計(jì)中存在的主要問(wèn)題是，在輸入級(jí)設(shè)計(jì)上從來(lái)沒(méi)有一個(gè)被普遍采納的解決方案。歷史上，大量電視機(jī)都采用不同的輸入級(jí)，無(wú)論信號(hào)來(lái)自交流或直流耦合信號(hào)源，都可能使某些電視機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題。有這么多種不同類型的接收設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)普遍兼容性是不可能的?；诔杀究紤]，占信號(hào)發(fā)送設(shè)備絕大多數(shù)的低端視頻信號(hào)源都采用直流耦合輸出。?
DirectDrive解決方案?
??? Maxim為打算采用交流耦合視頻輸出的設(shè)計(jì)工程師提供了DirectDrive技術(shù)，這種技術(shù)可省掉大容量輸出耦合電容。MAX9503是Maxim公司第一款整合DirectDrive技術(shù)的視頻器件(圖7)。
圖7. MAX9503功能框圖及其典型的輸入和輸出波形
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??? MAX9503對(duì)標(biāo)清視頻信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。MAX9503的輸入可直接與視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸出相連。內(nèi)部重建濾波器可平滑階躍和減小DAC視頻信號(hào)上的毛刺。MAX9503可將視頻信號(hào)平移至較低電壓，從而使輸出端的消隱電平逼近地電平。DirectDrive需要一個(gè)集成的電荷泵和線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個(gè)干凈的負(fù)電源電壓，從而將同步脈沖驅(qū)動(dòng)至地電平以下。電荷泵在視頻輸出端注入的噪聲極小，畫(huà)面看起來(lái)毫無(wú)瑕疵。
??? 圖8所示為輸入到MAX9503的Regulate視頻測(cè)試信號(hào)。請(qǐng)留意，輸出波形的消隱電平被保持在地電平附近，而且沒(méi)有場(chǎng)失真現(xiàn)象。這與圖1a給出的普通交流耦合波形構(gòu)成鮮明對(duì)比。較之于交流耦合方式的波形，MAX9503輸出端的Regulate視頻測(cè)試信號(hào)可更好地保持在預(yù)定的輸出電壓范圍。
圖8. Regulate視頻測(cè)試信號(hào)輸入MAX9503。上方為輸入波形，下方為輸出波形
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??? 采用交流耦合輸出的原因之一就是當(dāng)輸出短路至地或電源電壓時(shí)起到保護(hù)作用。MAX9503的典型工作電壓為3.3V。MAX9503應(yīng)用電路中包括一個(gè)75Ω反向端接電阻，可在視頻輸出外部短路時(shí)限制短路電流。此外，MAX9503內(nèi)部具有輸出短路保護(hù)功能，可在放大器輸出可能被短路的原型設(shè)計(jì)或系統(tǒng)中保護(hù)器件免受損害。因此，MAX9503在大多數(shù)常見(jiàn)的故障情況下非常堅(jiān)固可靠。
??? DirectDrive技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)就是只需為電荷泵電路增加兩個(gè)1μF的小電容，設(shè)計(jì)工程師省去了標(biāo)準(zhǔn)交流耦合視頻輸出的一個(gè)大尺寸輸出耦合電容器，或省去了SAG網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)中等尺寸輸出耦合電容。由于消除了場(chǎng)失真，輸出視頻質(zhì)量大大改善。
??? 并聯(lián)在對(duì)地75Ω輸入端接電阻兩端的0.1μF電容用來(lái)濾除視頻波形中的高頻成份，消除視頻測(cè)試信號(hào)中黑色部分的混疊現(xiàn)象。與行周期(~64μs)相比，示波器跡線的時(shí)標(biāo)(400ms)要長(zhǎng)的多。如果沒(méi)有0.1μF的電容，那么視頻測(cè)試信號(hào)中的黑色部分將出現(xiàn)混疊，使輸入信號(hào)的黑色部分和白色部分很難區(qū)分。輸出信號(hào)的黑色部分加入混疊信號(hào)后，就如同白色信號(hào)一樣。
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??? 圖1b2和圖1a一樣，基于相同的原因，將一只0.1μF電容與對(duì)地75Ω輸入端接電阻并聯(lián)。如果沒(méi)有0.1μF電容，那么視頻測(cè)試信號(hào)的黑色部分將出現(xiàn)混疊，使黑色部分看起來(lái)與白色部分相同。 ?
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