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(lèi)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(lèi)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(lèi)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?？梢钥闯觯灰娮栝g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(lèi)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(lèi)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(zhuān)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(lèi)型的系統(tǒng)通常也稱(chēng)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
