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视频系统设计中的配置方式判断和交流耦合分析

2020年07月26日 12:00 次阅读

变电压、业界协议以及对直流隔离的需求决定了电子工程师采用交流耦合的时机与方式

目前,在视频系统(机顶盒、PVR、TV等)的设计中采用集成式视频滤波器/驱动器有多种耦合与钳位配置方式,例如输入交流或直流耦合、输出交流或直流耦合、各种输入箝位和偏压配置等。对于这些配置方式,设计者首先需要判断几个方面的问题。

如果设计者准备采用交流耦合输入的方式,那么他必须清楚的是,输入视频信号的直流成份将会发生损耗,因此必须通过滤波器/驱动器的输入偏压和钳位电路对直流偏压电平进行设置。如果滤波器输入没有钳位和偏压电路或者有源直流恢复环路,那么就需要增加一个外部偏压网络,以便正确设置共模输入电平。

交流耦合

通过交流耦合将模拟视频输入信号耦合输入某一设备中,这种方式在视频和图像处理系统中非常常见,它允许接收器设置其自身最优的偏压电平(在电容的设备一侧),而不受驱动信号的直流偏压电平的影响。例如,模数转换器ADC)的接收器可以将视频信号的钳位或消隐电平设为等于内部ADC的编码零电压,而不管驱动信号的绝对直流电平是多少。

另外一种情形是纯模拟系统,其中接收器可能希望将模拟信号的共模电平设置为VCC/2左右,以获得最优的信号处理余量。接收器还能够将“钳位”电平与预设的直流参考电压匹配起来,实现兼容而稳定的直流输出电压。通过阻断直流分量,接收器能够防止自身对直流电流的潜在破坏。

视频系统设计中的配置方式判断和交流耦合分析

图 三种支持板级钳位电路的视频滤波电路,分别为输入和输出交流耦合配置(A);SAG模式下的工作配置(B);直接耦合方法(C)。

电容的选择

现在我们来分析如何选择合适的电容,实现视频输入信号与图(A)视频滤波器/驱动器器件的耦合。为了限制与交流耦合相关的低频偏斜(倾斜),我们必须正确设置3dB下截止频率的位置。

在这里,视频信号的带宽要求采用一个足够大且能够通过最小频率的电容,这一频率是50Hz或60Hz的帧速率。输入电路包括交流耦合电容和视频滤波器的输入阻抗

在计算3dB下截止频率时,设计者可以使用公式f=1/2πRC。如果使用 0.1μF的电容和800kΩ的输入阻抗,那么可以计算出2Hz的截止频率,这一结果足以通过50或60Hz的帧速率。

由于在较高的频率下电容会出现短路现象,因此我们不必担心高频滚降问题。在大多数应用中,具有极低ESR的0.1μF耦合钽电容就足以胜任这一工作。

在选择正确的输入耦合电容之后,下一步是选择输出耦合电容的值。假设在这里器件需要驱动一个75Ω后设终端的传输线,那么输出电容的有效电阻为150Ω。

由于该负载是阻抗相对较低的传输线——另外我们仍然需要通过50或60Hz的帧速率——因此,所需的输出耦合电容相对较大。如果使用之前我们在计算输入耦合电容时采用的计算方法——这里使用220μF的耦合电容和150Ω的负载——我们可以计算出转角频率为 4.8Hz,这一结果对于通过上述帧速率同样是足够的。

大多数应用都需要更严格的场倾斜指标,并使用470μF或1000μF的器件作为耦合电容。交流耦合输出要求接收器设置输入端为共模电压,这是与输入视频信号的直流电平无关的。

75Ω的串联端接电阻应该放在距离滤波器/驱动器输出端尽可能近的地方。这样有助于隔离下游的寄生电容和来自各种器件输出时的电感,实现最佳的信号状态。

SAG模式

交流耦合输出方式有一些缺点,包括需要大号的昂贵电容、有信号倾斜或偏斜问题(除非使用非常大的耦合电容)、损失视频信号的直流分量等。如果采用交流耦合方式,我们可能需要一种具有SAG功能的视频滤波器,如图(B)所示。

SAG功能是与器件电路相结合的一种反馈网络,它能够避免使用非常大的耦合电容。利用SAG功能,我们可以使用非常小的电容,电容值将比普通的交流耦合电容配置低10倍左右。

在SAG模式下配置的视频滤波器通常呈现9dB的直流增益(3x),在25Hz左右会回到正常的6dB增益(2x)。当这种滤波器用于采用3V电源电压的移动设备中时就会带来一个问题,因为器件输出端(在负载之前)的偏移电压处于750mV左右。

典型的视频输入信号是1Vp-p。滤波器/驱动器具有2x的增益,这一增益使得输出信号为2Vp-p再加上750mV的直流偏移量,产生2.75V的高边信号。

这种情形会驱动信号进入低至 2.7V的Vcc电压,并开始夹断视频信号的顶部,从而引起不希望出现的信号失真现象。通过在SAG引脚和Vcc’之间设置一个电阻就可以克服这一偏移电平,该电阻将把直流偏移电平降低到一个范围,防止输出信号在正常的电源电压范围内被夹断。

替代方法

交流耦合视频信号的另外一种替代方法就是采用如图(C)所示的直接耦合方法。市场上有很多可用器件,既可以用于交流耦合也可以用于直流耦合的系统设计应用。

直流耦合的目的在于通过一个单端参考地的输入信号来驱动器件。视频/图像DAC的标准电流模式输出就是一个例子。

这些常见的DAC器件采用双重端接75Ω负载(37.5Ω)作为电流型DAC的负载,产生输出电压。因此,这类系统中的DAC输出具有已知的参考地的直流电平。

这一系列的视频滤波/驱动器件能够很好的支持视频DAC输出,具有下列优势:

● 不需要输入耦合电容;

● 没有隐含的箝位稳定时间;

● 没有输入电容放电导致的倾斜问题;

● 没有输入阻抗限制;

● 不需要片上同步剥离器、电荷泵电路和伺服环路。

直流耦合输出是将视频信号馈入视频媒体设备最直接的方法。这种方法不需要增加耦合电容,能够将没有倾斜的信号传送给媒体设备。

这一方法也有一些缺点,例如,接收器必须要知道输入的直流电平才能正确处理视频信号,另外它对输出电压的绝对直流电平没有反馈控制,而这一电平可能会随着系统温度和电源电压的变化而发生改变。大多数媒体设备都在输入端采用交流耦合的方式,然后在ADC上采用视频信号的直流恢复值实现正确的色彩控制。

因此,直流耦合输出信号可能是最划算和直接的视频信号耦合方法。此外,直流耦合还消除了输出信号被两次交流耦合的问题:一次在滤波器/驱动器的输出端,另一次在媒体设备的输入端。

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