中心議題:
- 介紹模擬濾波及無(wú)源濾波器和有源濾波器的比較
- 分析視頻放大器/濾波器的電源電壓、功耗、信號(hào)耦合等方面的模擬要求和實(shí)施方法
解決方案:
- 經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的圖像須經(jīng)過(guò)濾波,保持較好的圖像質(zhì)量
- 采用巴特沃思濾波器,平衡電平平坦度、截止頻率、衰減和群延遲間的差異
- 采用單電源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,系統(tǒng)使用會(huì)比較簡(jiǎn)單
- 采用THS7303或THS7313 6dB增益放大器、參考接地的DAC或編碼器驅(qū)動(dòng),DC輸入模式會(huì)很理想
- 線路驅(qū)動(dòng)器放大器采用AC耦合,消除任何可能的DC偏置電流
模擬濾波
為什么模擬視頻要使用過(guò)濾技術(shù)呢?如前所述,將模擬視頻信號(hào)與數(shù)字視頻信號(hào)相互轉(zhuǎn)換是很常見(jiàn)的。對(duì)顯示器和DVD刻錄機(jī)等接收設(shè)備來(lái)說(shuō),這就需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。對(duì)機(jī)頂盒和DVD播放器來(lái)說(shuō),就需要使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。ADC和DAC提供的畫(huà)質(zhì)都取決于采樣頻率。
為了保持較好的圖像質(zhì)量,經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的圖像必須經(jīng)過(guò)濾波(見(jiàn)圖1)。這時(shí)我們就要在信號(hào)路徑上放置模擬濾波器。用濾波器來(lái)消除DAC圖形(即重構(gòu)濾波器)。
圖1 經(jīng)過(guò)濾波器的標(biāo)清視頻DAC圖形
消除DAC和ADC圖形可提高畫(huà)質(zhì)。不過(guò),我們應(yīng)采用哪種濾波器類型呢?需要多少極點(diǎn)呢?最適合視頻信號(hào)的截止頻率、平坦度和群延遲是什么呢?如果問(wèn)10位工程師這個(gè)問(wèn)題,我們可能會(huì)得到10個(gè)不同的答案。
比較好的做法是,盡可能保持帶通的平坦度,以及大部分衰減靠近數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率。如果只考慮這個(gè)要求,我們可以采用橢圓濾波器或契比雪夫?yàn)V波器等類型。如果只關(guān)心電平平坦度和衰減,那么這些濾波器會(huì)比較理想,使任何系統(tǒng)都能滿足SMPTE濾波器的特性要求。不過(guò),我們不能忘記群延遲,因?yàn)镾MPTE標(biāo)準(zhǔn)還包括群延遲方面的限制,系統(tǒng)應(yīng)努力滿足上述兩種要求,而不是只滿足一種要求。
因此,我們必須在電平平坦度、截止頻率、衰減和群延遲差異間取得平衡,以獲得合適的視頻濾波器。大家一致認(rèn)為,巴特沃思濾波器對(duì)消費(fèi)類電子視頻來(lái)說(shuō)是一種較好的平衡型濾波器,電平響應(yīng)實(shí)現(xiàn)了最大的平坦度,衰減率適當(dāng),群延遲也不錯(cuò)。它雖說(shuō)不上是最理想的,但通常對(duì)系統(tǒng)而言已經(jīng)足夠好了。
濾波器示例
THS73x3系列是集成濾波器/放大器,采用功能改進(jìn)型五階巴特沃思濾波器結(jié)構(gòu),略微降低了Q 或峰值因數(shù),以最小化群延遲差異。其缺點(diǎn)在于,平坦度不像真巴特沃思濾波器那么理想,但衰減性基本相同。
我們選擇了五個(gè)極點(diǎn)而不是四個(gè)或六個(gè),這是因?yàn)槠鏀?shù)階濾波器有真正的實(shí)極點(diǎn),而不是像偶數(shù)階濾波器那樣都提供復(fù)極點(diǎn)。有人可能認(rèn)為實(shí)極點(diǎn)沒(méi)什么關(guān)系,不過(guò)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明,實(shí)極點(diǎn)對(duì)有源濾波器系統(tǒng)會(huì)非常有用,特別是在采用 Sallen-Key架構(gòu)時(shí)。Sallen-Key系統(tǒng)中有高頻路徑通過(guò),能較方便地通過(guò)放大器帶寬限制以外的高頻。系統(tǒng)中的實(shí)極點(diǎn)可將高頻信號(hào)通過(guò)旁路接地,不受放大器帶寬限制的影響。因此,這有助于確保濾波器保持高頻。
為了顯示群延遲和電平平坦度的影響,我們模擬了一個(gè)五極的0.5dB契比雪夫?yàn)V波器,截止頻率(在-0.5dB以下時(shí))為10MHz。此外,我們還模擬了五階功能改進(jìn)型巴特沃思濾波器,截止頻率(以-3dB以下時(shí))為8.5MHz。從圖2中可以看出每個(gè)濾波器的電平響應(yīng)。與預(yù)期一樣,契比雪夫?yàn)V波器的紋波為0.5,不過(guò)平坦度為10MHz,大大超過(guò)巴特沃思濾波器的平坦度。此外,在27MHz的臨界點(diǎn)上,契比雪夫?yàn)V波器的衰減率較高,達(dá)到了56dB的衰減率。在27MHz上,巴特沃思濾波器只實(shí)現(xiàn)了46dB的衰減率。事實(shí)上,這對(duì)視頻系統(tǒng)而言已經(jīng)足夠了。
圖2 濾波器電平響應(yīng)
使用有源濾波器時(shí)要牢記,濾波器的Q越高,放大器的帶寬就越高。如果使用貝塞爾或巴特沃思濾波器乃至更高階的版本,我們要把各級(jí)的Q保持相對(duì)較低。設(shè)計(jì)支持橢圓或契比雪夫響應(yīng)的濾波器,其Q值較高,需要較高帶寬的放大器才能適當(dāng)實(shí)施。否則,放大器對(duì)濾波器就會(huì)造成影響,從而改變我們所需的響應(yīng)。我們可通過(guò)修改組件值來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),不過(guò)放大器之間的差異會(huì)因此變得更大。
無(wú)源濾波器和有源濾波器的比較
無(wú)源濾波器因?yàn)槠涑杀据^低,所以在目前比較常見(jiàn)。不過(guò),在PCB電路板面積、占用、額外組件數(shù)量、組裝時(shí)間、帶通信號(hào)損失、對(duì)電感器造成電磁干擾以及容限方面,它又存在一些缺點(diǎn)。電感器和電容通常會(huì)存在±10%個(gè)體差異,特別是低成本組件的差異會(huì)更大一些。
在集成有源濾波器設(shè)計(jì)中(比如 THS73x3 所采用的單位增益Sallen-Key濾波器),平坦度和峰值的差異可以得到嚴(yán)格的控制。我們對(duì)單位增益Sallen-Key濾波器進(jìn)行敏感度分析??梢钥闯?,只要電阻間和電容間與單位增益的匹配比較嚴(yán)格,那么只有截止頻率會(huì)有所差異,Q不會(huì)出現(xiàn)差異。如果Q出現(xiàn)差異,那么就會(huì)導(dǎo)致較大的群延遲差異,這是我們所不愿看到的。只要采用高質(zhì)量電容和電阻,在假定放大器的自然帶寬大大高于濾波器的截止頻率情況下,有源濾波器的可控特性就必將大大優(yōu)于無(wú)源濾波器。此外,有源濾波器占用的 PCB 電路板面積也要小很多,只需采購(gòu)一個(gè)組件,這樣就大大減少了組件數(shù)量。
多極無(wú)源濾波器還有一個(gè)重要特點(diǎn),就是其截止頻率不能輕易地被修改,若想修改就要花費(fèi)大量工作,成本也很高。設(shè)計(jì)支持可選濾波器的有源濾波器就非常容易實(shí)施。對(duì)于不必改變?yōu)V波器頻率的CVBS和S-Video系統(tǒng)來(lái)說(shuō),這一特性并不怎么吸引人,不過(guò),對(duì)分量視頻系統(tǒng)或G’B’R’系統(tǒng)來(lái)說(shuō),改變?yōu)V波器的頻率就非常有用了,這樣就能設(shè)置為 SD、ED或HD(720p/1080i)乃至1080p HD等不同標(biāo)準(zhǔn)。
上述情況對(duì)接受 Y’P’BP’R或G’B’R’分量視頻信號(hào)的接收機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤為重要。舉例來(lái)說(shuō),如果我們用固定的35MHz無(wú)源濾波器為顯示器提供所有分量信號(hào),那么在輸入端采用480i或576i SD分量信號(hào)怎么辦呢?一般的 DAC 對(duì)這種信號(hào)的采樣頻率為27MHz。如果DAC不帶重構(gòu)濾波器的話,那么27MHz基本頻率兩側(cè)出現(xiàn)的圖像將直接通過(guò)顯示器的無(wú)源35MHz濾波器,造成圖像未經(jīng)衰減,因此顯示器上顯示的畫(huà)質(zhì)通常非常差。
ED 480p/576p信號(hào)也可能出現(xiàn)這種情況。此類信號(hào)通常采樣頻率為54MHz,視頻帶寬為 12MHz。因此,第二Nyquist區(qū)圖像會(huì)在42MHz時(shí)出現(xiàn)。如果無(wú)源濾波器為35MHz或更高,那么圖像的衰減也會(huì)很小,同樣也會(huì)導(dǎo)致畫(huà)質(zhì)非常差。
這就說(shuō)明了,可選濾波器對(duì)使用THS7303的DAC側(cè)和使用THS7353的ADC側(cè)的重要性。這種集成的濾波器/放大器采用可選的五階功能改進(jìn)型巴特沃思濾波器結(jié)構(gòu),可設(shè)為9MHz,滿足 SD信號(hào)的需要,也可設(shè)為16MHz,滿足ED信號(hào)需要,還可針對(duì)HD 720p/1080i信號(hào)設(shè)為35MHz,針對(duì)1080p等極快的信號(hào)設(shè)為大于150MHz的旁路模式。圖3顯示了有關(guān)情況。
圖3 固定濾波器與可選濾波器的比較
為了提高靈活性,THS73x3的每個(gè)通道必須能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。利用這一特性,我們就能選擇35MHz以支持Luma通
道,又可選擇16MHz以支持色差通道,根據(jù)模擬信號(hào)帶寬要求,這都是可行的。不過(guò)這也有一個(gè)缺點(diǎn),就是不同濾波器的延遲在相同頻率比例下會(huì)有差異,如果不通過(guò)數(shù)字處理加以解決的話,就可能導(dǎo)致計(jì)時(shí)問(wèn)題。
高端系統(tǒng)而言(其相位偏移和群延遲為非常重要的參數(shù))也能受益于上述特性。這時(shí),我們可用16MHz濾波器支持SD信號(hào),確保整個(gè)SD頻帶內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的平坦響應(yīng),時(shí)域脈沖響應(yīng)幾乎不會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖。這對(duì)支持ED信號(hào)的35MHz濾波器以及支持HD信號(hào)的旁路模式同樣適用。
最后,無(wú)源過(guò)濾在不同頻率上會(huì)造成較大阻抗差異,這會(huì)導(dǎo)致DAC和ADC的交互問(wèn)題。此外,如果源電阻或端接電阻超出了75Ω的要求,也會(huì)導(dǎo)致振鈴問(wèn)題。THS73x3有源濾波器/放大器緩解了這一問(wèn)題,其輸入阻抗可大于1MΩ,而其輸出阻抗在10MHz時(shí)則小于1Ω,從而有助于消除ADC的反沖問(wèn)題或解碼器輸入鉗位問(wèn)題。
電源電壓和功耗
大多數(shù)視頻系統(tǒng)都采用單電源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,供電電壓為3.3V。如果該電源可用于視頻濾波器/放大器,那么系統(tǒng)使用會(huì)比較簡(jiǎn)單,也有助于減少一到兩個(gè)電源數(shù)量,從而降低成本。THS73x3器件利用這一特點(diǎn),采用2.7~5V的單電源工作。BiCom-3工藝根據(jù)設(shè)計(jì),可以工作在上述電壓上,在整個(gè)工作范圍內(nèi)都不會(huì)產(chǎn)生性能下降的問(wèn)題。
圖4顯示了THS7303放大器作為DAC緩沖、接受外部輸入的典型配置。它同時(shí)還使用3.3V電源,支持輸出端的SAG校正。
圖4 THS7303采用3.3V單電源的典型系統(tǒng)配置
功耗是另一個(gè)要考慮的因素。類似于THS73x3產(chǎn)品的5V單電源器件有很多,但大多功耗都達(dá)到500mW以上,有的甚至高達(dá)1.2W,這就會(huì)導(dǎo)致芯片溫度非常高,很容易影響長(zhǎng)期可靠性。THS73x3的工作電壓為3.3V,功耗僅為55mW,這幾乎消除了散熱和可靠性方面的問(wèn)題。
信號(hào)耦合
如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已經(jīng)采用了THS7303或THS7313 6dB增益放大器,并采用了參考接地的DAC或編碼器驅(qū)動(dòng),那么DC輸入模式會(huì)很理想。問(wèn)題在于,DAC生成的電壓有多低?如果同步信號(hào)(通常這是視頻信號(hào)中電壓最低的)電壓低于50mV,那么6dB放大器的輸出就應(yīng)生成低于100mV的電壓,由于CMOS和雙極放大器都存在晶體管飽和方面的限制,因此這對(duì)任何放大器來(lái)說(shuō)都是很難做到的。
為了消除這一限制,所有THS73x3產(chǎn)品都支持DC+Shift模式,其可以為視頻輸入信號(hào)增加內(nèi)部DC電壓偏移。這種偏移只是內(nèi)置的,不會(huì)影響應(yīng)用信號(hào),這種偏移還將確保即便THS73x3的輸入為0V,輸出也不會(huì)飽和,不會(huì)出現(xiàn)視頻剪切。
如果DAC輸出電壓僅為100mV,那么DC輸入模式就是非常理想的。這種模式不會(huì)給系統(tǒng)增加偏移,因?yàn)橄到y(tǒng)根本不需要偏移。要牢記,任何放大器都存在偏移,對(duì)THS73x3也一樣。
如果DAC的參考電壓為3.3V或1.8V或者是外部輸入,那么采用AC耦合就是最佳模式。AC耦合使THS73x3能忽略DC偏置點(diǎn)的來(lái)源,并能重新建立自己的DC偏置點(diǎn)。AC耦合選項(xiàng)包括AC偏置和AC同步端鉗位。
AC偏置非常簡(jiǎn)單。THS73x3有兩個(gè)電阻,其可在電源和接地間創(chuàng)建分壓器。該模式的輸入阻抗為20kΩ,因此所用的電容應(yīng)足夠大,以盡可能減小傾斜或下垂問(wèn)題。該模式最適用于Chroma或色差信號(hào),也可用于Luma信號(hào)、G’B’R’信號(hào)或計(jì)算機(jī)的R’G’B’信號(hào)。由于信號(hào)為AC耦合,且DC偏置點(diǎn)與平均信號(hào)電平有差異,因此對(duì)于帶5V電源同步信息的信號(hào)而言,我們最好用AC偏置模式,以確保沒(méi)有剪切問(wèn)題發(fā)生。
正在申請(qǐng)專利的AC同步端鉗位 (STC) 模式(見(jiàn)圖5)最適合視頻信號(hào)最低點(diǎn)同步的信號(hào),這就是說(shuō),Luma (Y’)、帶同步功能的G’B’R’或帶同步信號(hào)的計(jì)算機(jī)R’G’B’最好都采用AC-STC 模式。THS73x3中的同步端鉗位系統(tǒng)具有內(nèi)部電流匯集(current-sink) 功能以將耦合電容放電,用濾波器來(lái)最小化可能存在的高頻干擾信號(hào)交互,用放大器來(lái)監(jiān)控輸入電壓和參考電壓的差別,并在信號(hào)低于參考電壓時(shí)用晶體管為電容充電。因此,這是一種動(dòng)態(tài)的系統(tǒng),根本不依靠計(jì)時(shí)技術(shù)。這種類型的系統(tǒng)通常也稱作DC恢復(fù)系統(tǒng),而不是二極管鉗位系統(tǒng)。二極管鉗位系統(tǒng)的問(wèn)題在于:任何高頻信號(hào)或過(guò)沖都會(huì)對(duì)其造成影響,從而導(dǎo)致過(guò)大DC偏置點(diǎn)偏移,并造成信號(hào)剪切。
圖5 AC-STC基本系統(tǒng)
輸出功能
線路驅(qū)動(dòng)器放大器的最常見(jiàn)輸出配置就是采用AC耦合,以消除任何可能的DC偏置電流,使系統(tǒng)更具有通用性。放大器輸出通常采用220~1000μF的電容,以降低線路傾斜。
在某些系統(tǒng)中,DC偏置電流不是主要問(wèn)題。相反,成本和PCB電路板的尺寸反而更加重要。THS73x3支持DC耦合,不會(huì)因?yàn)檐壷淋壿敵龇糯笃骷?jí)而造成問(wèn)題。輸出擺幅在電源和接地的100mV范圍之內(nèi),可驅(qū)動(dòng)高達(dá)80mA的電流。
其他系統(tǒng)可能需要AC耦合,但PCB電路板的尺寸非常重要。THS7303和THS7313具有靈活性可支持SAG校正,這是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的一種辦法。SAG校正需要兩個(gè)電容,但電容的體積要較小,額定值僅為47μF和33μF,其可能實(shí)現(xiàn)與330μF電容相同的傾斜性能。如果分別將其提高到68μF和 47μF,那么將能實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于470μF電容的性能。
SAG功能能在頻率降低時(shí)提高增益,從而實(shí)現(xiàn)上述性能。放大器增益抵消了47μF電容的下降,從而擴(kuò)大了可實(shí)現(xiàn)的帶通。選擇33μF電容時(shí),可獲得較小的峰值或Q增強(qiáng),這會(huì)使視頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)木€路傾斜或低垂,特別是能夠支持場(chǎng)方波信號(hào)。
圖6顯示了SAG在THS7303和THS7313中的基本配置情況。其他廠商也使用了SAG校正技術(shù),但其通常要求較大的電容或電壓更高的電源,這樣才能滿足系統(tǒng)出現(xiàn)較大DC增益的要求。
圖6 THS7303系統(tǒng)級(jí)示意圖