概述?
??? 在設(shè)計模擬視頻電路時，是否對輸出進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)標準。交流耦合輸出電路包括一個串聯(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有這個電容(圖1b)。由于在輸出通道增加一個電容將導(dǎo)致成本提高、空間增大以及視頻信號失真等問題，因此不熟悉視頻輸出" title="視頻輸出">視頻輸出電路的設(shè)計人員會很困惑。然而，由于歷史、技術(shù)或經(jīng)濟因素的影響，怎樣選擇耦合方式可能已無懸念。
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的輸入波形和輸出波形。需要注意的是，輸出波形相對于輸入波形會向上或向下“傾斜”。因此，這種場失真稱為“場傾斜”。圖1b2中的示波器跡線為直流耦合輸出。注意，在這種情況下沒有場傾斜。采用的NTSC視頻測試信號" title="測試信號">測試信號稱為“Regulate”。圖2a為測試信號的白色部分在視頻監(jiān)視器上的顯示情況。圖2b為測試信號的黑色部分在視頻監(jiān)視器上的顯示情況。顯示白屏和黑屏時，Regulate視頻測試信號均在顯示區(qū)域的邊界繪出一個白色邊框。
圖2a. Regulate視頻測試信號的白屏顯示
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圖2b. Regulate視頻測試信號也為黑屏顯示
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交流耦合的傳統(tǒng)用途?
??? 既然交流耦合存在缺點，為什么還一直在使用呢？原因很簡單，就是為了起到保護作用。圖3為集成電路還沒有廣泛使用前所采用的一種簡單視頻輸出電路。萬一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。當前的集成視頻放大器具有堅固的短路保護電路，因此發(fā)生短路時也不會損壞。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)計工程師" title="設(shè)計工程師">設(shè)計工程師有可能會被告知，必須要增加一個電容，以符合公司規(guī)定。
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??? 此外，行業(yè)標準也會隱含地要求設(shè)計工程師使用電容。日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(JEITA)規(guī)定，無視頻信號時視頻輸出連接器的電壓值應(yīng)小于100mV (圖3)。如果NPN管射極的標稱直流偏置電壓為4V，那么當不接電容和泄漏電阻時，輸出連接器的電壓也會接近4V。因此，滿足JEITA規(guī)范的最簡單方法就是增加一個電容和接地電阻。?
技術(shù)考慮?
??? 對于交流耦合，應(yīng)關(guān)注的問題之一是電容通常比較大—220μF或者更大。這是因為電容和150Ω負載(反向端接電阻和輸入端接電阻之和)形成的極點頻率應(yīng)遠遠低于幀頻(25Hz或30Hz)。一只220μF的電容器形成5Hz的極點頻率，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電容時交流耦合輸出的高通響應(yīng)特性。
圖4. 使用220μF電容進行交流耦合視頻連接時的頻率響應(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補償(圖5)在保持交流耦合的同時，減小了電路板空間并降低了成本。標準連接方式下b個大電容用兩個較小的電容替代。使用單個交流耦合電容的問題在于：頻率低于極點頻率時信號會被衰減，電容越小，極點頻率越高。SAG補償提升了低頻響應(yīng)，從而可補償?shù)皖l衰減(圖5)。低頻時，電容器視為開路，低頻增益近似為6。高頻時，電容器近似短路，高頻增益為2。
圖5. 帶SAG補償?shù)腗AX4090視頻驅(qū)動器
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??? 在消費類電子行業(yè)中，降低成本的需求非常強烈，對于小型設(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)別是輸出信號具有一個正的直流偏置，這是因為大多數(shù)系統(tǒng)都省去了負電源。放大器要保持在線性模式下，輸出信號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，設(shè)計工程師應(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" title="輸入級">輸入級電路。視頻信號被交流耦合至直流恢復(fù)電路，因此，輸入視頻信號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源。圖6b所示的輸入級采用了一個極性電容。如果輸入視頻信號的直流偏置太高，那么就可能會損壞極性電容。當信號來自直流耦合信號源時，圖6b的輸入級就可能會產(chǎn)生問題。圖6c所示的輸入級采用了PNP射極跟隨器。如果輸入信號幅度太低，那么PNP射極跟隨器會達到飽和。因此，直流耦合視頻信號源會使PNP射極跟隨器達到飽和，尤其當信號源的地低于接收機的地時更是如此。
圖6. 三種輸入級類型：a) 現(xiàn)代電視機，b) 極性電容，c) PNP射極跟隨器
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??? 電視設(shè)計中存在的主要問題是，在輸入級設(shè)計上從來沒有一個被普遍采納的解決方案。歷史上，大量電視機都采用不同的輸入級，無論信號來自交流或直流耦合信號源，都可能使某些電視機出現(xiàn)問題。有這么多種不同類型的接收設(shè)備，要實現(xiàn)普遍兼容性是不可能的。基于成本考慮，占信號發(fā)送設(shè)備絕大多數(shù)的低端視頻信號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對標清視頻信號進行濾波和放大。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視頻信號上的毛刺。MAX9503可將視頻信號平移至較低電壓，從而使輸出端的消隱電平逼近地電平。DirectDrive需要一個集成的電荷泵和線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個干凈的負電源電壓，從而將同步脈沖驅(qū)動至地電平以下。電荷泵在視頻輸出端注入的噪聲極小，畫面看起來毫無瑕疵。
??? 圖8所示為輸入到MAX9503的Regulate視頻測試信號。請留意，輸出波形的消隱電平被保持在地電平附近，而且沒有場失真現(xiàn)象。這與圖1a給出的普通交流耦合波形構(gòu)成鮮明對比。較之于交流耦合方式的波形，MAX9503輸出端的Regulate視頻測試信號可更好地保持在預(yù)定的輸出電壓范圍。
圖8. Regulate視頻測試信號輸入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輸出短路至地或電源電壓時起到保護作用。MAX9503的典型工作電壓為3.3V。MAX9503應(yīng)用電路中包括一個75Ω反向端接電阻，可在視頻輸出外部短路時限制短路電流。此外，MAX9503內(nèi)部具有輸出短路保護功能，可在放大器輸出可能被短路的原型設(shè)計或系統(tǒng)中保護器件免受損害。因此，MAX9503在大多數(shù)常見的故障情況下非常堅固可靠。
??? DirectDrive技術(shù)的最大優(yōu)勢就是只需為電荷泵電路增加兩個1μF的小電容，設(shè)計工程師省去了標準交流耦合視頻輸出的一個大尺寸輸出耦合電容器，或省去了SAG網(wǎng)絡(luò)中的兩個中等尺寸輸出耦合電容。由于消除了場失真，輸出視頻質(zhì)量大大改善。
??? 并聯(lián)在對地75Ω輸入端接電阻兩端的0.1μF電容用來濾除視頻波形中的高頻成份，消除視頻測試信號中黑色部分的混疊現(xiàn)象。與行周期(~64μs)相比，示波器跡線的時標(400ms)要長的多。如果沒有0.1μF的電容，那么視頻測試信號中的黑色部分將出現(xiàn)混疊，使輸入信號的黑色部分和白色部分很難區(qū)分。輸出信號的黑色部分加入混疊信號后，就如同白色信號一樣。
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??? 圖1b2和圖1a一樣，基于相同的原因，將一只0.1μF電容與對地75Ω輸入端接電阻并聯(lián)。如果沒有0.1μF電容，那么視頻測試信號的黑色部分將出現(xiàn)混疊，使黑色部分看起來與白色部分相同。 ?
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