当前位置:首页 >> 信息与通信 >>

视频放大器


视频放大器/滤波器的模拟要求和实施
作者:Randy Stephens 德州仪器(TI) 日期:2007 年 09 月 01 日 文章摘自:今日电子

模拟滤波 为什么模拟视频要使用过滤技术呢?如前所述, 将模拟视频信号与数字视频信号相互转换是 很常见的。对显示器和 DVD 刻录机等接收设备来说,这就需要使用模数转换器(ADC)。对 机顶盒和 DVD 播放器来说,就需要使用数模转换器(DAC)。ADC 和 DAC 提供的画质都取 决于采样频率。 为了保持较好的图像质量,经数据转换的图像必须经过滤波(见图 1) 。这时我们就要在信 号路径上放置模拟滤波器。用滤波器来消除 DAC 图形(即重构滤波器) 。

图 1 经过滤波器的标清视频 DAC 图形 消除 DAC 和 ADC 图形可提高画质。不过,我们应采用哪种滤波器类型呢?需要多少极点 呢?最适合视频信号的截止频率、 平坦度和群延迟是什么呢?如果问 10 位工程师这个问题, 我们可能会得到 10 个不同的答案。 比较好的做法是,尽可能保持带通的平坦度,以及大部分衰减靠近数据转换器的采样频率。 如果只考虑这个要求, 我们可以采用椭圆滤波器或契比雪夫滤波器等类型。 如果只关心电平 平坦度和衰减,那么这些滤波器会比较理想,使任何系统都能满足 SMPTE 滤波器的特性要 求。不过,我们不能忘记群延迟,因为 SMPTE 标准还包括群延迟方面的限制,系统应努力 满足上述两种要求,而不是只满足一种要求。 因此,我们必须在电平平坦度、截止频率、衰减和群延迟差异间取得平衡,以获得合适的视 频滤波器。 大家一致认为, 巴特沃思滤波器对消费类电子视频来说是一种较好的平衡型滤波 器,电平响应实现了最大的平坦度,衰减率适当,群延迟也不错。它虽说不上是最理想的, 但通常对系统而言已经足够好了。

滤波器示例 THS73x3 系列是集成滤波器/放大器,采用功能改进型五阶巴特沃思滤波器结构,略微降低 了 Q 或峰值因数,以最小化群延迟差异。其缺点在于,平坦度不像真巴特沃思滤波器那么 理想,但衰减性基本相同。我们选择了五个极点而不是四个或六个,这是因为奇数阶滤波器 有真正的实极点, 而不是像偶数阶滤波器那样都提供复极点。 有人可能认为实极点没什么关 系,不过实际经验证明,实极点对有源滤波器系统会非常有用,特别是在采用 Sallen-Key 架构时。Sallen-Key 系统中有高频路径通过,能较方便地通过放大器带宽限制以外的高频。 系统中的实极点可将高频信号通过旁路接地,不受放大器带宽限制的影响。因此,这有助于 确保滤波器保持高频。 为了显示群延迟和电平平坦度的影响, 我们模拟了一个五极的 0.5dB 契比雪夫滤波器, 截止 频率(在-0.5dB 以下时)为 10MHz。此外,我们还模拟了五阶功能改进型巴特沃思滤波器, 截止频率(以-3dB 以下时)为 8.5MHz。从图 2 中可以看出每个滤波器的电平响应。与预期 一样,契比雪夫滤波器的纹波为 0.5,不过平坦度为 10MHz,大大超过巴特沃思滤波器的平 坦度。此外,在 27MHz 的临界点上,契比雪夫滤波器的衰减率较高,达到了 56dB 的衰减 率。在 27MHz 上,巴特沃思滤波器只实现了 46dB 的衰减率。事实上,这对视频系统而言 已经足够了。

图 2 滤波器电平响应 使用有源滤波器时要牢记,滤波器的 Q 越高,放大器的带宽就越高。如果使用贝塞尔或巴 特沃思滤波器乃至更高阶的版本,我们要把各级的 Q 保持相对较低。设计支持椭圆或契比 雪夫响应的滤波器,其 Q 值较高,需要较高带宽的放大器才能适当实施。否则,放大器对 滤波器就会造成影响,从而改变我们所需的响应。我们可通过修改组件值来实现上述目标, 不过放大器之间的差异会因此变得更大。

无源滤波器和有源滤波器的比较 无源滤波器因为其成本较低,所以在目前比较常见。不过,在 PCB 电路板面积、占用、额 外组件数量、组装时间、带通信号损失、对电感器造成电磁干扰以及容限方面,它又存在一 些缺点。电感器和电容通常会存在? 10%个体差异,特别是低成本组件的差异会更大一些。 在集成有源滤波器设计中(比如 THS73x3 所采用的单位增益 Sallen-Key 滤波器) ,平坦度 和峰值的差异可以得到严格的控制。 我们对单位增益 Sallen-Key 滤波器进行敏感度分析。 可 以看出,只要电阻间和电容间与单位增益的匹配比较严格,那么只有截止频率会有所差异, Q 不会出现差异。如果 Q 出现差异,那么就会导致较大的群延迟差异,这是我们所不愿看 到的。 只要采用高质量电容和电阻, 在假定放大器的自然带宽大大高于滤波器的截止频率情 况下, 有源滤波器的可控特性就必将大大优于无源滤波器。 此外, 有源滤波器占用的 PCB 电 路板面积也要小很多,只需采购一个组件,这样就大大减少了组件数量。 多极无源滤波器还有一个重要特点, 就是其截止频率不能轻易地被修改, 若想修改就要花费 大量工作,成本也很高。设计支持可选滤波器的有源滤波器就非常容易实施。对于不必改变 滤波器频率的 CVBS 和 S-Video 系统来说,这一特性并不怎么吸引人,不过,对分量视频系 统或 G? B? R? 系统来说,改变滤波器的频率就非常有用了,这样就能设置为 SD、ED 或 HD(720p/1080i)乃至 1080p HD 等不同标准。 上述情况对接受 Y? P? BP? R 或 G? B? R? 分量视频信号的接收机系统来说尤为重要。 举例来说,如果我们用固定的 35MHz 无源滤波器为显示器提供所有分量信号,那么在输入 端采用 480i 或 576i SD 分量信号怎么办呢?一般的 DAC 对这种信号的采样频率为 27MHz。 如果 DAC 不带重构滤波器的话,那么 27MHz 基本频率两侧出现的图像将直接通过显示器 的无源 35MHz 滤波器,造成图像未经衰减,因此显示器上显示的画质通常非常差。 ED 480p/576p 信号也可能出现这种情况。此类信号通常采样频率为 54MHz,视频带宽为 12MHz。 因此, 第二 Nyquist 区图像会在 42MHz 时出现。 如果无源滤波器为 35MHz 或更高, 那么图像的衰减也会很小,同样也会导致画质非常差。 这就说明了,可选滤波器对使用 THS7303 的 DAC 侧和使用 THS7353 的 ADC 侧的重要性。 这种集成的滤波器/放大器采用可选的五阶功能改进型巴特沃思滤波器结构,可设为 9MHz, 满足 SD 信号的需要,也可设为 16MHz,满足 ED 信号需要,还可针对 HD 720p/1080i 信号 设为 35MHz,针对 1080p 等极快的信号设为大于 150MHz 的旁路模式。图 3 显示了有关情 况。

图 3 固定滤波器与可选滤波器的比较 为了提高灵活性,THS73x3 的每个通道必须能实现独立控制。利用这一特性,我们就能选 择 35MHz 以支持 Luma 通道,又可选择 16MHz 以支持色差通道,根据模拟信号带宽要求, 这都是可行的。不过这也有一个缺点,就是不同滤波器的延迟在相同频率比例下会有差异, 如果不通过数字处理加以解决的话,就可能导致计时问题。 高端系统而言(其相位偏移和群延迟为非常重要的参数)也能受益于上述特性。这时,我们 可用 16MHz 滤波器支持 SD 信号,确保整个 SD 频带内都能实现平稳的平坦响应,时域脉 冲响应几乎不会出现过冲。这对支持 ED 信号的 35MHz 滤波器以及支持 HD 信号的旁路模 式同样适用。 最后,无源过滤在不同频率上会造成较大阻抗差异,这会导致 DAC 和 ADC 的交互问题。 此外,如果源电阻或端接电阻超出了 75Ω的要求,也会导致振铃问题。THS73x3 有源滤波 器/放大器缓解了这一问题,其输入阻抗可大于 1MΩ,而其输出阻抗在 10MHz 时则小于 1 Ω,从而有助于消除 ADC 的反冲问题或解码器输入钳位问题。 电源电压和功耗 大多数视频系统都采用单电源数据转换器,供电电压为 3.3V。如果该电源可用于视频滤波 器/放大器,那么系统使用会比较简单,也有助于减少一到两个电源数量,从而降低成本。 THS73x3 器件利用这一特点,采用 2.7~5V 的单电源工作。BiCom-3 工艺根据设计,可以 工作在上述电压上,在整个工作范围内都不会产生性能下降的问题。 图 4 显示了 THS7303 放大器作为 DAC 缓冲、 接受外部输入的典型配置。 它同时还使用 3.3V 电源,支持输出端的 SAG 校正。

图 4 THS7303 采用 3.3V 单电源的典型系统配置 功耗是另一个要考虑的因素。类似于 THS73x3 产品的 5V 单电源器件有很多,但大多功耗 都达到 500mW 以上,有的甚至高达 1.2W,这就会导致芯片温度非常高,很容易影响长期 可靠性。THS73x3 的工作电压为 3.3V,功耗仅为 55mW,这几乎消除了散热和可靠性方面 的问题。 信号耦合 如果系统设计中已经采用了 THS7303 或 THS7313 6dB 增益放大器,并采用了参考接地的 DAC 或编码器驱动,那么 DC 输入模式会很理想。问题在于,DAC 生成的电压有多低?如 果同步信号(通常这是视频信号中电压最低的)电压低于 50mV,那么 6dB 放大器的输出就 应生成低于 100mV 的电压,由于 CMOS 和双极放大器都存在晶体管饱和方面的限制,因此 这对任何放大器来说都是很难做到的。 为了消除这一限制,所有 THS73x3 产品都支持 DC+Shift 模式,其可以为视频输入信号增加 内部 DC 电压偏移。这种偏移只是内置的,不会影响应用信号,这种偏移还将确保即便 THS73x3 的输入为 0V,输出也不会饱和,不会出现视频剪切。 如果 DAC 输出电压仅为 100mV,那么 DC 输入模式就是非常理想的。这种模式不会给系统 增加偏移,因为系统根本不需要偏移。要牢记,任何放大器都存在偏移,对 THS73x3 也一 样。 如果 DAC 的参考电压为 3.3V 或 1.8V 或者是外部输入,那么采用 AC 耦合就是最佳模式。 AC 耦合使 THS73x3 能忽略 DC 偏置点的来源,并能重新建立自己的 DC 偏置点。AC 耦合

选项包括 AC 偏置和 AC 同步端钳位。 AC 偏置非常简单。THS73x3 有两个电阻,其可在电源和接地间创建分压器。该模式的输入 阻抗为 20kΩ,因此所用的电容应足够大,以尽可能减小倾斜或下垂问题。该模式最适用于 Chroma 或色差信号,也可用于 Luma 信号、G? B? R? 信号或计算机的 R? G? B? 信号。 由于信号为 AC 耦合,且 DC 偏置点与平均信号电平有差异,因此对于带 5V 电源同步信息 的信号而言,我们最好用 AC 偏置模式,以确保没有剪切问题发生。 正在申请专利的 AC 同步端钳位 (STC) 模式(见图 5)最适合视频信号最低点同步的信号, 这就是说,Luma (Y? )、带同步功能的 G? B? R? 或带同步信号的计算机 R? G? B? 最好 都采用 AC-STC 模式。THS73x3 中的同步端钳位系统具有内部电流汇集(current-sink) 功能 以将耦合电容放电, 用滤波器来最小化可能存在的高频干扰信号交互, 用放大器来监控输入 电压和参考电压的差别,并在信号低于参考电压时用晶体管为电容充电。因此,这是一种动 态的系统,根本不依靠计时技术。这种类型的系统通常也称作 DC 恢复系统,而不是二极管 钳位系统。二极管钳位系统的问题在于:任何高频信号或过冲都会对其造成影响,从而导致 过大 DC 偏置点偏移,并造成信号剪切。

图 5 AC-STC 基本系统 输出功能 线路驱动器放大器的最常见输出配置就是采用 AC 耦合,以消除任何可能的 DC 偏置电流, 使系统更具有通用性。放大器输出通常采用 220~1000? F 的电容,以降低线路倾斜。 在某些系统中, 偏置电流不是主要问题。 DC 相反, 成本和 PCB 电路板的尺寸反而更加重要。 THS73x3 支持 DC 耦合, 不会因为轨至轨输出放大器级而造成问题。 输出摆幅在电源和接地 的 100mV 范围之内,可驱动高达 80mA 的电流。 其他系统可能需要 AC 耦合,但 PCB 电路板的尺寸非常重要。THS7303 和 THS7313 具有灵 活性可支持 SAG 校正,这是实现上述目标的一种办法。SAG 校正需要两个电容,但电容的 体积要较小,额定值仅为 47? F 和 33? F,其可能实现与 330? F 电容相同的倾斜性能。如 果分别将其提高到 68? F 和 47? F,那么将能实现相当于 470? F 电容的性能。 SAG 功能能在频率降低时提高增益,从而实现上述性能。放大器增益抵消了 47? F 电容的

下降,从而扩大了可实现的带通。选择 33? F 电容时,可获得较小的峰值或 Q 增强,这会 使视频系统实现适当的线路倾斜或低垂,特别是能够支持场方波信号。 图 6 显示了 SAG 在 THS7303 和 THS7313 中的基本配置情况。 其他厂商也使用了 SAG 校正 技术,但其通常要求较大的电容或电压更高的电源,这样才能满足系统出现较大 DC 增益的 要求。

图 6 THS7303 系统级示意图


相关文章:
视频线知识
我们称之为“加权视频放大器”,简称“加权视放”; 3.75-7 电缆 200m 以上就应该考虑加权补偿。 4.对视频加权补偿的要求是: ①幅度要能提升到大于 1Vp-p; ...
视频分配放大器资料
视频分配放大器资料_信息与通信_工程科技_专业资料。详细参数说明SFQ-1632C 视频分配放大器特点: 特点: □高品质视频分配放大器 □Maxim 专用视频集成电路 □专门...
视频分配放大器
视频分配放大器_信息与通信_工程科技_专业资料。视频分配放大器视频放大器目录[隐藏] 视频放大器概述 匹配的重要设备 如何耦合视频放大器(图) 视频放大器的发展与挑...
2017-2022年中国视频放大器市场运营格局及投资潜力研究...
中金企信(北京)国际信息咨询有限公司—国统调查报告网 2017-2022 年中国视频放大器市场运营格局 及投资潜力研究预测报告(目录)报告简析: 中金企信(北京)国际信息...
TI常用放大器
高速低噪声单运算放大器 TI[DATA] NE592 视频放大器 OP07-CP 精密运算放大器 TI[DATA] OP07-DP 精密运算放大器 TI[DATA] TBA820M 小功率音频放大器 ST[...
TDA6111Q视频放大器
TDA6111Q视频放大器_能源/化工_工程科技_专业资料。TDA6111Q 视频输出放大器 概述: TDA6111Q 视频输出放大器, 其工作带宽为 16MHz。 以单列 9 脚中功率 IC ...
2017年中国视频放大器集成电路现状调研及市场前景预测(...
第八章 视频放大器集成电路上下游行业分析 一、视频放大器集成电路上游行业增长情况 1、原材料发展现状分析 2、相关生产设备市场分析 二、视频放大器集成电路*下游...
宽带直流放大器_图文
直宽带放大器在科研中具 有重要作用,宽带运算放大器广泛应用于 A∕D 转换器、D∕A 转换器、有源滤波器、 波形发生器、视频放大器等电路。例如在通讯、广播、...
视频分频器、放大器、无缝切换器
视频分频器、放大器、无缝切换器_信息与通信_工程科技_专业资料。视频无缝切换器将所有得信号源定标—电视和计算机信号—并且在任意两路信号之间执行无缝切换。它也提...
视频分配放大器行业研究报告_图文
中国视频分配放大器行业市场前景调查及投融资战略研究报告 2017-2022 年 前言 企业成功的关键就在于,能否跳出红海,开辟蓝海。那些成功的公司往往都会倾尽毕生 的精力...
更多相关标签: