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攝像系統的模擬視頻濾波技術分析
摘要: 模擬視頻濾波器被廣泛應用于攝像系統的輸出級。隨著產品對尺寸和功耗的要求越來越苛刻,設計人員正在不斷地將分離方案轉換成高集成度的單芯片方案。本文介紹了幾種濾波放大器針對攝像系統通用DAC的配置方式,能夠滿足絕大多數視頻應用的需求。
Abstract:
Key words :

 

  在大部分視頻系統中,視頻編碼器的視頻輸出都含有低通濾波器。這些濾波器用來抑制高頻噪聲,平滑視頻數模轉換器(DAC)輸出視頻信號的上升沿和下降沿。傳統的視頻系統通常采用分立的無源濾波器。然而,目前絕大多數視頻子系統中,視頻DAC之后采用集成濾波放大器對視頻信號進行濾波、放大。本文詳細介紹Maxim為滿足多種視頻應用需求而提供的各種集成視頻濾波放大器。

  對于視頻攝像系統,視頻DAC輸出最常見的信號是視頻消隱、同步(CVBS)以及亮度/色度(Y/C)復合信號。例1到例8詳細介紹了8種濾波放大器的配置,具有不同的DAC輸出信號直流電平、信號振幅以及交、直流耦合視頻信號的組合。集成視頻濾波器的常用電源電壓是5V或3.3V,對于要求微功耗的應用(例6和例7),可以采用1.8V或2.5V電源對視頻濾波放大器供電。這些低功耗應用實例中的濾波放大器(MAX9509)采用了Maxim的DirectDrive®技術,通過內部固定8V/V增益獲得2VP-P視頻信號。

  以下8種配置有幾個共同特性:所有輸出都在75Ω負載上進行測量。因此,當輸出曲線顯示1VP-P時,集成濾波放大器的輸出為2VP-P。此外,所有濾波器均采用75%的TV NTSC彩條信號作為信號源。

 

  例1:重建濾波器連接視頻DAC與視頻放大器

 

  濾波器

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  例1中,視頻DAC的輸出通過重建濾波器與MAX9502G視頻放大器連接。對DAC的視頻信號輸出進行偏置,使同步頭接近地電位。MAX9502G對信號進行濾波放大,得到2VP-P的輸出信號,并為信號提供直流偏置。MAX9502G的輸出也提供了偏置,其同步頭大概高于地電位300mV。在負載處,由于輸出端采用75Ω分壓結構,該同步頭電平變為150mV。MAX9502G是集成度非常高的解決方案,占用很小的電路板面積,能夠在絕大多數便攜式系統設計中有效節省空間。

 

  例2:視頻DAC向視頻放大器提供交流耦合信號

 

  濾波器

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  例2中,視頻DAC向MAX9586視頻濾波放大器提供交流耦合視頻信號。這對于要求交流耦合信號、同步頭低于地電位的單電源應用是非常好的解決方案。然而,輸出交流耦合信號并沒有把黑電平置于地電位;黑電平隨著視頻信號內容的變化而變化。MAX9586可以驅動兩個直流耦合視頻負載或一個交流耦合150Ω負載。

 

  例3:例1加上0.5VP-P直流偏置信號

 

  濾波器 偏置信號

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  例3和例1非常相似,只是其DAC只能輸出0.5VP-P的直流偏置信號。這種情況下,具有12dB固定增益的MAX9502M是比較合適的解決方案。負載上的視頻信號有直流偏置,同步頭大約高于地電位150mV。此外,DAC的視頻信號輸出必須在地電位以上。MAX9502M可以為一路150Ω對地負載提供2VP-P的視頻驅動。

 

  例4:只有一路CVBS或Y信號輸出的視頻DAC

 

  濾波器 視頻

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  例4提供了一種非常有趣的配置。某些應用中,DAC同時提供Y和C信號,而例4中只有一路輸出。這一輸出可以在CVBS和Y信號之間進行選擇,這樣,可以使用求和(合成器)電路產生CVBS信號。在同一輸出上很難同時提供這兩類信號,也很難在正確的時間對這兩類信號進行切換。一般在輸出線上采用一個2:1復用器實現這一功能。好在該實例中所使用的MAX9524視頻濾波放大器集成了兩個模擬單刀單擲開關,可以配置成2:1復用器,從而利用一個芯片就能夠適當選擇輸入,并對其進行濾波放大。由于對Y、C信號求和后無法確定其直流電平;因此,應該在濾波放大之前對視頻信號進行交流耦合。交流耦合電容之后的箝位電路建立偏置電平。

  設計人員應注意產生CVBS信號的求和電路設計,應仔細考慮Y、C信號的直流偏置電平以及DAC所允許的電壓范圍。直接連接Y、C信號所產生的CVBS信號會超出DAC電壓范圍,具體取決于每個信號的直流偏置電平。

 

  例5:具有Y/C至CVBS合成器的多路視頻輸出

 

  濾波器 視頻輸出

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  例5中的MAX9512有四個獨立的輸出通道,可理想用于多路視頻輸出設計。該器件還有一個Y/C至CVBS的合成器,從Y、C信號產生復合視頻信號。每路輸出可驅動兩個直流耦合視頻負載,或一個交流耦合150Ω負載。芯片采用了Maxim的SmartSleep技術(圖中沒有畫出),能夠對輸入信號或輸出負載進行檢測,相應地接通或關斷不同的放大器,從而降低功耗。這一配置常見于提供一路S端子以及兩路CVBS輸出的應用。

 

  例6:黑電平接近地電位的低功耗設計

 

  低功耗設計 接地

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  例6由于采用了MAX9509而使功耗大大降低,該器件采用1.8V單電源供電,平均功耗只有11.7mW。該配置的另一優點是:黑電平接近地電位,輸出不需要大的耦合電容,視頻信號在-300mV和+700mV之間,與視頻信號內容無關。由于放大器內部提供8V/V固定增益,DAC輸出幅度應該在0.25VP-P。對于任意類型的DAC,只要改變輸出端的端接電阻即可得到這一數值。

 

  例7:一路輸出Y、C和CVBS信號

 

  濾波器 放大 DAC

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  對于某些應用,DAC輸出只有Y和C信號,但是系統必須提供CVBS信號。在這種應用中,一般的解決方案是利用求和電路產生所需的輸出信號。這種解決方案和例4采用的求和電路相似,但是由于所要求的CVBS幅度只有0.25VP-P,以提供適當的電壓電平。如果DAC正常輸出為1VP-P,改變DAC端接電阻即可很容易地獲得0.25VP-P振幅。

  例7提供了一個微功耗應用的濾波放大方案。設計人員按比例減小DAC的輸出端接電阻,獲得合適的輸出幅度(0.25VP-P)。由于不確定直流偏置電平(取決于信號和求和電路),應將信號交流耦合至MAX9509。同步頭箝位電路對輸入信號進行適當的電平偏置。濾波放大器具有DirectDrive功能,放大器輸出的黑電平接近于地電位。這樣,輸出端不需要采用大的耦合電容。因此,MAX9509能夠將2VP-P視頻信號驅動至150Ω負載。

 

  例8:兩路視頻輸出信號,沒有直流偏置

 

  視頻輸出

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  對于需要兩路視頻輸出信號的應用(例如,S端子),MAX9583雙通道視頻濾波放大器提供了一個緊湊的解決方案,如例8所示。MAX9583具有2V/V內部固定增益,因此,適用于1VP-P輸出的DAC。該器件的輸出可交流耦合至一個150Ω負載或直流耦合到兩個視頻負載。交流耦合的視頻信號不需要任何直流偏置,黑電平隨視頻內容的變化而變化。

 

  結論

 

  本文重點介紹了目前視頻應用中的常見配置。CVBS和Y/C是目前為止這類應用中最常見的輸出信號。在某些高端設備中,會有比較少見的YPbPr輸出信號,視頻信號可以是標準清晰度(SD),也可以是高清晰度(HD)信號。本文雖然沒有討論這些比較少見的應用,但是設計人員應了解這些設計同樣有相應的集成解決方案。

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