模拟视频技术(四)：电源和输入

作者：Randy Stephens，成员组技术骨干，德州仪器

模拟视频信号已经应用了几十年，至今仍在使用。最原始且最常见的通用视频标准包括了NTSC（美国国家电视系统委员会）以及PAL（逐行倒相制式）。其它的现代消费模拟视频传输系统包括了S-Video、分量视频(Component Video)、专业G'B'R'视频以及计算机R'G'B'系统。本文将探讨部分模拟视频信号的需求，并讨论它们之间有何相似点和差别以及如何简化此类视频系统的模拟输入/输出设计。

电源电压及功耗

决大多数的视频系统采用独立供电的数据转换器（3.3V供电）。如果该电源能同时用于视频滤波器/放大器，则系统将有可能减少一至两个电源，从而使得系统更简洁，并可降低了成本。THS73x3系列器件是该领域的探路者，可运行于2.7V~5V的单电源。该系列器件采用的BiCom-3处理工艺，设计工作于此类电压，且在其整个电压范围内都没有性能上的降低。实际上，某些规格参数，例如差分增益及相位，都因更低的电源电压而得到改善。

　　图8展示了THS7303作为DAC的放大器缓冲器的典型配置，可接收外部输入，采用了3.3V电源供电，并在输出端采用了中沉校准(SAG correction)。 该图可作为本文其他部分的参考。

图8：典型系统配置，THS7303采用了3.3V电源电压，并采用DC+偏移量(DC+shift)、AC-STC以及AC偏置模式耦合DAC输入，中沉校准(SAG corrected)线路驱动输出。

另一个考虑因素是功耗。与THS73x3系列类似的5V单电源供电部件并不是很少见，但很多器件的功耗都超过50mW，甚至高达1.2W，从而可能导致很高的芯片温度并容易影响设备的长期可靠性。但THS73x3系列器件的功耗仅为55mW， 采用3.3V供电运转。该特性卓有成效地降低了所关注的热耗，并确保了可靠性。

　　该系列器件的每一通道都可独立的关断(shutdown)，以降低功耗。当所有的通道都处于关断状态时，总的电流损耗小于1uA。因此，此类器件可应用于诸如便携式或USB供电系统等功耗敏感性的系统。

信号耦合

　　对于单电源供电低至2.7V的设计来说，其中的关注点之一是视频信号是否会产生削波失真。在此，适当的直流偏置对于设计来说是十分重要的。对于不同类别的视频系统及设计，关键点之一是提供足够的灵活性以适当的调节THS73x3的偏置。

　　在系统设计中若采用了THS7303或THS7313作为6dB增益放大器，并由接地参考的DAC或编码器进行驱动，则直流(DC)输入模式是理想的。问题在于DAC所产生的电压将低至何种程度。如果同步信号（在视频信号中典型的处于最低电压）低于50mV，则6dB放大器的输出需要产生低于100mV的电压。然而由于晶体管的饱和状态限制（CMOS及双极型都存在此类情况），使得放大器极难产生此类低电压。

　　为了消除此类限制，所有的THS73x3产品都采用了DC+偏移模式，以为视频输入信号提供内置的直流电压偏置。由于该偏置仅为内置，因而将不会对信号产生影响。该偏置还确保了THS73x3在输入不适宜（甚至低至0V）的情况下输出端也不会因为饱和而导致削波。

　　如果DAC输出电压最低值仅为100mV，则直流输入模式是最优的。该模式对系统所施加的偏置电压没有要求。但需要注意的是任意放大器都具有偏置，THS73x3也不例外。尽管偏置电压典型的很小，但部件间(part-to-part)的差异确实存在。

　　如果DAC采用了诸如3.3V、1.8V的电源或外部的输入作为参考，则采用AC耦合是最优的模式。AC耦合允许THS73x3忽略源极的直流偏置点，并将重新确立其自身的直流偏置点。AC耦合选项包括了AC偏置(AC-bias)以及AC同步端钳位(sync tip clamp)。

　　AC偏置模式非常简单。THS73x3通过两个电阻设定电源与地电平之间的电压划分。AC偏置模式的输入阻抗约为20kΩ。因此，所使用的电容应该足够大以确保任意倾斜(tilt)或下降(droop)问题的最小化。一般来说，4.7uF ~ 10uF的电容即可合乎要求。该模式最为适用于色度(Chroma)或色差信号，同时也可用于亮度(Luma)信号、G'B'R' 信号或计算机R'G'B' 信号。由于信号是AC耦合，且DC偏置点也随平均信号电平而变化，因此，对于携带同步信息的信号，最好采用AC偏置模式，并通过5V电源供电，以确保不产生削波失真。

　　正在申请专利的AC同步端钳位(STC)模式（图9）最为适用于处于视频信号最低电平的同步信号。这就意味着亮度(Y')信号、带同步的G'B'R'信号或是带同步的计算机R'G'B'信号都很适宜采用AC-STC模式。THS73x3的同步端钳位系统具有内置的电流吸收(current-sink)以释放耦合电容，单个滤波器以消除有可能出现的高频信号相互干扰，单个放大器用以监测输入端电压与参考电压之间的差值，并具有一个晶体管以用于在信号低于参考电平时对电容充载。因此，该同步钳位系统是动态的系统，在任意情况下都不依赖于定时校准。此类系统还通常被称为直流重构(DC-restore)系统，优于二极管钳位系统。后者的问题在于易受任意高频信号或过冲(overshoot)的影响，从而将导致不期望的DC偏置点过度偏移以及信号的削波失真。

图9：AC-STC基本系统

THS73x3系列的灵活性允许用户调节某些AC-STC功能，包括了500 kHz、2.5MHz 及 5MHz之间的STC滤波器。这点非常重要，因为所应用的信号标准（敬请参见表1）具有不同的水平同步宽度(horizontal sync width)。如将500kHz滤波器应用于720p亮度信号，STC电路将无法衔接操作，而系统也将悬起。但如果是应用于充满噪声或强烈振荡的CVBS信号，500kHz滤波器将很好的抑制THS73x3内部的直流偏置点漂移。

　　AC-STC模式允许选择放电电流(discharge current)。如果出现于THS73x3输入端的电压下跌至低于参考电压，系统将以最高2mA的电流充电以增加电压。而如果电压一定程度的高于参考电压，情况又如何呢？放电电流将降低电容上的电压，放电速率等于I/C = dV/dT。该电流可选择为2uA、6uA以及8uA。具有高的放电电流使得系统可更快的捕捉信号并更好的抑制嗡鸣(hum)噪声（当50Hz或60Hz的线路信号耦合至系统时）。其它时候系统则需求较低的放电速率以改善线路上的倾斜或下降，特别是当视频信号在整条线路上保持不变(hold constant)的时候。由于AC耦合及放电电流的影响，DC信号将会向下倾斜，通常可接受的全线路倾斜小于1 IRE。此类可选择性的允许系统实质性的连接至任意外部源，而无需手动改变输入电容值。

　　图8还展示了2:1输入多路复用器(MUX)的特性。此多路复用器，并结合用户可配置的输入耦合方式（不同通道间完全独立），可允许THS73x3应用于众多不同的系统。