论文部分内容阅读
如今，越来越多的移动设备带有视频输出端口。这些端口必须驱动符合显示标准的视频信号。例如，NTSC视频就是利用75Ω线路驱动的1V峰值信号。如果电路在电缆两端进行端接，那么来自视频驱动器输出端口的信号必须是2V。在许多情况下，视频ASIC(编码器)是基于低压平台的，采用1.8V甚至更低的供电电压。在这种情况下，需要使用视频缓冲器来使信号增强到适当的驱动水平。此外，必须对视频信号进行交流耦合，以阻止不必要的电流进入载荷和便携电池漏电。AC输出电容(一般为220μF)必须足够大以保持视频信号的低频内容。在物理上，200μF已经很大——对于像手机或MP3播放器这样的移动设备来说甚至是太大了。
首先，用于传输视频信号的传统交流耦合技术在设计上存在一些不足之处。我们在此讨论了一些改进方法。比如：利用SAG反馈网路最大限度降低输出电容。通过添加电荷泵也可改善传统技术。最后，还可以在视频驱动器的输入端添加直流恢复电路。在这种情况下，原来的3个耦合电容器有两个可以去除，而第三个可以被大大缩小。
图1：用于传输视频信号的传统技术
由于这4种设计都是为了获得类似的性能，因此，可以就耦合电容器、电源噪声和电路板面积等方面对不同设计进行比较。我们在此提供了一个表格，以帮助您了解各种改进措施的优劣。
传统交流耦合技术
用于输出视频信号的传统技术(采用单一电源)如图1所示。电阻器R1和R2决定放大器输入端的偏压，并使其处于线性操作区域内。R1和R2以及C1共同形成了一个低频极点。R1和R2的值由视频驱动器的输入偏流决定。如果值太大，输入端口的补偿电压也将变得很大，这通常难以接受。因为电阻器的尺寸有限，所以C1的尺寸必须足够大，以保证输入极点频率低于最低的视频信号频率。
图2：带宽C1 = 0.1μF，C1=6.5μF(频率60Hz)
C2必须保持DC增益的一致。C2的尺寸由R3和R4的值决定。对于电流反馈放大器而言，反馈电阻器R3的值由放大器设计预先确定。对于电压反馈放大器来说，反馈电阻器值受到放大器反相输入端的互连寄生电容的限制。大型反馈电阻器和过大的寄生电容将会导致稳定性问题。通过良好的布线和布局，寄生电容可以被最大限度降低至3pF左右。C3用来避免使不必要的直流偏压进入荷载。这个电容器的尺寸由线路阻抗(一般为75Ω)和最低信号频率决定。
由于这3个极点非常接近，所以会带来累积性的影响。因此，这3个极点的频率必须低于要求的关断频率。例如，在视频系统中，最低的感兴趣频率为60Hz垂直同步频率。视频驱动系统低侧关断频率上的极点配置影响如图2所示。曲线所示为图1中带有两个C1值(0.1μF和6.5μF)的电路。电容为0.1μF时，极点频率为318Hz，并且60Hz信号减弱11dB。电容为6.5μF时，极点频率降低至6Hz，允许传输60Hz信号，该信号的衰减小于1dB。
图3：视频驱动器时域输入和输出，C1 = 0.1μF，C1 = 6.5μF
时域(图3)中的变化是显著的。在图中，视频驱动器的输入端标为黄色。输出端(C1=6.5μF)标为粉色，输出端(C1=0.1μF)标为蓝色。电容足够小，以至在同步脉冲过程中使电压上升，在视频信息返回的情况下，与平均值偏移。这一偏移破坏了视频信号强度信息。
所以，迄今为止，我们一直就更大的电容是否更适用于视频系统这一问题进行争论，因为它可以降低极点频率并保持视频信号的低频内容。那到底多大的电容才算合理？由于受尺寸和成本因素的限制，电容最大值为220μF。
通过反馈降低输出电容(C3)
在许多情况下，220μF的电容太大，无法在电路板上实现。可以通过添加反馈网路实现合适大小的输出耦合电容(图4)。这一设计考虑的折衷因素是电容尺寸VS驱动器荷载。简单而言，如果电容器缩小3倍，驱动器驱动相同信号的难度就提高了3倍。额外的输出摆幅可能会遇到线性问题。
图4：采用反馈电路以降低输出电容的视频驱动器
不管有多少元件，反馈网路所占的电路板空间都相对较小。R1、R2和R3可以非常小，并且可以靠近反向输入端布置。电阻器的尺寸和邻近效应可降低寄生电容。
图5显示了Csag(反馈电容)的增益频率对比图(从1μF到220μF)。在峰值状态下，较低的关断频率被扩展。当反馈电容为1μF时，频率扩展不足以传输垂直同步信息。对于所有大于1μF的值而言，较低的关断频率就足够了。可以使用更大的值，但这会影响设置时间。
图4所示电路中最吸引人的是Csag的双重功能。在这一配置中，不需要C2。Csag提供反馈以降低输出电容，并且提供以前由C2提供的统一增益直流特征。增加了Ccomp，以代替C2，但是由于它具有密勒效应，所以，它的3个量值要小于原来的C2。
图5：采用Csag反馈网路的视频驱动器增益图
用电荷泵创造双电源
采用耦合电容器的一个主要推动因素是从双电源设计向单电源设计的转变。电荷泵是一个单独的集成电路(IC)，可产生负电流。添加一个电荷泵(图6)，可使设计者去除输出电容，但会增加成本、噪声和功耗。在这种情况下，仍然需要输入耦合电容C1来清除视频信号的直流部分。
图6：带有电荷泵的视频驱动器
这种选择的局限性在于电荷泵的特征。因为开关电路用来生成反极性电压，这种开关频率将会带来电源噪声。这种转化并不完善，所以，使用基于二极管的电荷泵，通过输入+5∨正压，以产生约-3.5∨电压。带有集成FET开关的电荷泵可以产生-4.5∨电压。
要减少不利因素，可以选择带有内置电荷泵的视频驱动器，如ISL59830。内部噪声被最大限度降低，而且电源抑制噪声达40dB。输出端释放出10mV峰间信号，频率为167MHz。当最大视频频率为100MHz时，该开关噪声在信号范围之外。
图7：直流恢复电路框图
采用直流恢复电路降低耦合电容
采用直流恢复电路可降低交流耦合电容(图1)。图7显示了直流恢复电路的框图。它包括4个部分：输入RC网路，作为缓冲器的运算放大器、FET 开关和电流源。在缺少输入信号的情况下，Rin 从输入节点漏入接地端。运算放大器环路通过FEF转换提供负反馈，使正向输入等同于反向输入。放电电流泄露输入电容(当FET开关打开时除外)。这一功能消除了强度异常问题(图3)。
图8：通过直流恢复电路的视频信号，Cin = 100nF，Cin = 1nF
此外，它还大大减小了输入端所需的电容器尺寸。极点值不再受偏压电阻器的影响，但却受电流源输出阻抗的影响。由于电流源的输出阻抗较大，因此，Cin 值比传统技术(C1)中的值小。因为电流源的值由设计参数决定，所以，必须正确选择Cin。改变Cin 的值会使输入极点发生变化(如图2所示的时域图)。如果Cin值太小，那么，视频信号的强度将会大打折扣(图8)。100nF的电容值足够消除偏移。
在传统视频驱动电路中，增加耦合电容器的值会提高性能。但是，直流恢复输入电容的值超过100nF会增加它的关联时间常数，并增加电路的设置时间。而在图1所示的传统技术中，C1等于6.5μF，这个方法将输入电容降低了65倍。
图9：带有内置直流恢复电路的视频驱动器
值得注意的是，可以添加集成电路来缩小输入电容器的尺寸。当考虑到对其它两个耦合电容器的影响时，额外占用的电路板面积被证明是合理的。带有直流恢复电路的完整视频驱动器如图9所示。
通过SAG反馈网路可降低输出交流耦合电容C3的值。有了集成反馈网路，就不再有PCB寄生电容需要补偿，因此，也无需补偿电容。
请注意，视频驱动器反向节点和接地端之间没有电容器(图1中的C2)。视频驱动器的输出端和两个输入端都通过放电电流和视频驱动器的反馈电阻器被偏置接地。不再需要C2，因为正向节点(通过负反馈，反向节点)现在被偏置接地。
表：视频驱动器中用于最大限度降低AC耦合电容的各种技术
交流耦合技术的比较
主要问题可参见表1。正如预料的那样，传统视频驱动器技术具有最大的耦合电容器，因此，占用最多的电路板面积。可以通过添加SAG反馈网路，消除C2并将输出电容降低4倍。使用电荷泵可消除C2和C3，从而大大缩小电路板面积。但是，电荷泵开关会造成电源噪声。最后的改进方案是在视频驱动器输入端添加直流恢复电路。这个解决方案可以降低耦合电容并最大限度缩小电路板面积。这一方案不会增加电源噪声，也不会降低系统性能。
结语
我们已经讨论了用于移动设备的多种视频驱动器电路。如果必须对传统技术进行改进，以最大限度缩小电路板面积，那么有3种可选方案。首先，SAG反馈网路可以用于降低输出耦合电容。其次，可采用电荷泵来创建负电流。最后，可在视频驱动器输入端采用DC恢复电路以设置运算放大器的偏置条件。这些方案可以降低或消除用于视频驱动器的大交流耦合电容，确保移动产品设计的小型化。
首先，用于传输视频信号的传统交流耦合技术在设计上存在一些不足之处。我们在此讨论了一些改进方法。比如：利用SAG反馈网路最大限度降低输出电容。通过添加电荷泵也可改善传统技术。最后，还可以在视频驱动器的输入端添加直流恢复电路。在这种情况下，原来的3个耦合电容器有两个可以去除，而第三个可以被大大缩小。
图1：用于传输视频信号的传统技术
由于这4种设计都是为了获得类似的性能，因此，可以就耦合电容器、电源噪声和电路板面积等方面对不同设计进行比较。我们在此提供了一个表格，以帮助您了解各种改进措施的优劣。
传统交流耦合技术
用于输出视频信号的传统技术(采用单一电源)如图1所示。电阻器R1和R2决定放大器输入端的偏压，并使其处于线性操作区域内。R1和R2以及C1共同形成了一个低频极点。R1和R2的值由视频驱动器的输入偏流决定。如果值太大，输入端口的补偿电压也将变得很大，这通常难以接受。因为电阻器的尺寸有限，所以C1的尺寸必须足够大，以保证输入极点频率低于最低的视频信号频率。
图2：带宽C1 = 0.1μF，C1=6.5μF(频率60Hz)
C2必须保持DC增益的一致。C2的尺寸由R3和R4的值决定。对于电流反馈放大器而言，反馈电阻器R3的值由放大器设计预先确定。对于电压反馈放大器来说，反馈电阻器值受到放大器反相输入端的互连寄生电容的限制。大型反馈电阻器和过大的寄生电容将会导致稳定性问题。通过良好的布线和布局，寄生电容可以被最大限度降低至3pF左右。C3用来避免使不必要的直流偏压进入荷载。这个电容器的尺寸由线路阻抗(一般为75Ω)和最低信号频率决定。
由于这3个极点非常接近，所以会带来累积性的影响。因此，这3个极点的频率必须低于要求的关断频率。例如，在视频系统中，最低的感兴趣频率为60Hz垂直同步频率。视频驱动系统低侧关断频率上的极点配置影响如图2所示。曲线所示为图1中带有两个C1值(0.1μF和6.5μF)的电路。电容为0.1μF时，极点频率为318Hz，并且60Hz信号减弱11dB。电容为6.5μF时，极点频率降低至6Hz，允许传输60Hz信号，该信号的衰减小于1dB。
图3：视频驱动器时域输入和输出，C1 = 0.1μF，C1 = 6.5μF
时域(图3)中的变化是显著的。在图中，视频驱动器的输入端标为黄色。输出端(C1=6.5μF)标为粉色，输出端(C1=0.1μF)标为蓝色。电容足够小，以至在同步脉冲过程中使电压上升，在视频信息返回的情况下，与平均值偏移。这一偏移破坏了视频信号强度信息。
所以，迄今为止，我们一直就更大的电容是否更适用于视频系统这一问题进行争论，因为它可以降低极点频率并保持视频信号的低频内容。那到底多大的电容才算合理？由于受尺寸和成本因素的限制，电容最大值为220μF。
通过反馈降低输出电容(C3)
在许多情况下，220μF的电容太大，无法在电路板上实现。可以通过添加反馈网路实现合适大小的输出耦合电容(图4)。这一设计考虑的折衷因素是电容尺寸VS驱动器荷载。简单而言，如果电容器缩小3倍，驱动器驱动相同信号的难度就提高了3倍。额外的输出摆幅可能会遇到线性问题。
图4：采用反馈电路以降低输出电容的视频驱动器
不管有多少元件，反馈网路所占的电路板空间都相对较小。R1、R2和R3可以非常小，并且可以靠近反向输入端布置。电阻器的尺寸和邻近效应可降低寄生电容。
图5显示了Csag(反馈电容)的增益频率对比图(从1μF到220μF)。在峰值状态下，较低的关断频率被扩展。当反馈电容为1μF时，频率扩展不足以传输垂直同步信息。对于所有大于1μF的值而言，较低的关断频率就足够了。可以使用更大的值，但这会影响设置时间。
图4所示电路中最吸引人的是Csag的双重功能。在这一配置中，不需要C2。Csag提供反馈以降低输出电容，并且提供以前由C2提供的统一增益直流特征。增加了Ccomp，以代替C2，但是由于它具有密勒效应，所以，它的3个量值要小于原来的C2。
图5：采用Csag反馈网路的视频驱动器增益图
用电荷泵创造双电源
采用耦合电容器的一个主要推动因素是从双电源设计向单电源设计的转变。电荷泵是一个单独的集成电路(IC)，可产生负电流。添加一个电荷泵(图6)，可使设计者去除输出电容，但会增加成本、噪声和功耗。在这种情况下，仍然需要输入耦合电容C1来清除视频信号的直流部分。
图6：带有电荷泵的视频驱动器
这种选择的局限性在于电荷泵的特征。因为开关电路用来生成反极性电压，这种开关频率将会带来电源噪声。这种转化并不完善，所以，使用基于二极管的电荷泵，通过输入+5∨正压，以产生约-3.5∨电压。带有集成FET开关的电荷泵可以产生-4.5∨电压。
要减少不利因素，可以选择带有内置电荷泵的视频驱动器，如ISL59830。内部噪声被最大限度降低，而且电源抑制噪声达40dB。输出端释放出10mV峰间信号，频率为167MHz。当最大视频频率为100MHz时，该开关噪声在信号范围之外。
图7：直流恢复电路框图
采用直流恢复电路降低耦合电容
采用直流恢复电路可降低交流耦合电容(图1)。图7显示了直流恢复电路的框图。它包括4个部分：输入RC网路，作为缓冲器的运算放大器、FET 开关和电流源。在缺少输入信号的情况下，Rin 从输入节点漏入接地端。运算放大器环路通过FEF转换提供负反馈，使正向输入等同于反向输入。放电电流泄露输入电容(当FET开关打开时除外)。这一功能消除了强度异常问题(图3)。
图8：通过直流恢复电路的视频信号，Cin = 100nF，Cin = 1nF
此外，它还大大减小了输入端所需的电容器尺寸。极点值不再受偏压电阻器的影响，但却受电流源输出阻抗的影响。由于电流源的输出阻抗较大，因此，Cin 值比传统技术(C1)中的值小。因为电流源的值由设计参数决定，所以，必须正确选择Cin。改变Cin 的值会使输入极点发生变化(如图2所示的时域图)。如果Cin值太小，那么，视频信号的强度将会大打折扣(图8)。100nF的电容值足够消除偏移。
在传统视频驱动电路中，增加耦合电容器的值会提高性能。但是，直流恢复输入电容的值超过100nF会增加它的关联时间常数，并增加电路的设置时间。而在图1所示的传统技术中，C1等于6.5μF，这个方法将输入电容降低了65倍。
图9：带有内置直流恢复电路的视频驱动器
值得注意的是，可以添加集成电路来缩小输入电容器的尺寸。当考虑到对其它两个耦合电容器的影响时，额外占用的电路板面积被证明是合理的。带有直流恢复电路的完整视频驱动器如图9所示。
通过SAG反馈网路可降低输出交流耦合电容C3的值。有了集成反馈网路，就不再有PCB寄生电容需要补偿，因此，也无需补偿电容。
请注意，视频驱动器反向节点和接地端之间没有电容器(图1中的C2)。视频驱动器的输出端和两个输入端都通过放电电流和视频驱动器的反馈电阻器被偏置接地。不再需要C2，因为正向节点(通过负反馈，反向节点)现在被偏置接地。
表：视频驱动器中用于最大限度降低AC耦合电容的各种技术
交流耦合技术的比较
主要问题可参见表1。正如预料的那样，传统视频驱动器技术具有最大的耦合电容器，因此，占用最多的电路板面积。可以通过添加SAG反馈网路，消除C2并将输出电容降低4倍。使用电荷泵可消除C2和C3，从而大大缩小电路板面积。但是，电荷泵开关会造成电源噪声。最后的改进方案是在视频驱动器输入端添加直流恢复电路。这个解决方案可以降低耦合电容并最大限度缩小电路板面积。这一方案不会增加电源噪声，也不会降低系统性能。
结语
我们已经讨论了用于移动设备的多种视频驱动器电路。如果必须对传统技术进行改进，以最大限度缩小电路板面积，那么有3种可选方案。首先，SAG反馈网路可以用于降低输出耦合电容。其次，可采用电荷泵来创建负电流。最后，可在视频驱动器输入端采用DC恢复电路以设置运算放大器的偏置条件。这些方案可以降低或消除用于视频驱动器的大交流耦合电容，确保移动产品设计的小型化。