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要：越來越多的便攜式設備，例如數碼相機、蜂窩電話和便攜式媒體播放器等，都開始逐漸增加復合視頻輸出的連接功能。這類設備中，視頻數/模轉換器(DAC)產生復合視頻信號，在送至輸出連接器之前必須經過視頻濾波和放大。設計工程師在選擇視頻濾波器時已經考慮了功耗、總體成本、尺寸以及圖像質量等因素，本文重點介紹了下一代視頻濾波放大器如何延長電池使用時間以及了下一代便攜設備中的其它需求。
本文還發表于Maxim工程期刊，第61期(PDF，1MB)。
類似文章發表于2007年10月的Electronic Products。
越來越多的便攜式設備，例如數碼相機、蜂窩電話和便攜式媒體播放器等，都開始逐漸增加復合視頻輸出的連接功能。這類設備中，連接在視頻數/模轉換器(DAC)之后的視頻濾波放大器產生視頻信號。現有的3.3V視頻濾波放大器處理視頻信號時，功耗為45mW，消耗了電池較大的功率。
電池使用時間是便攜設備的關鍵，任何可以延長電池使用時間的系統IC都有重要的意義。這將使手持設備對用戶更具吸引力，由于設備無需頻繁充電，因此使用戶的使用更便利。延長電池使用時間還意味著減少廢舊電池的數量，以及充電電池鉛板的使用次數，以上兩點均有利于環保。Maxim新一代視頻濾波放大器采用1.8V電源供電，功耗僅為12mW，與目前3.3V的視頻濾波放大器相比，功耗降低了近70％。
圖1. 單電源運算放大器，帶有一個對地電阻負載。
電流和電源電壓相乘得出功率。首先按照以下公式計算靜態功耗(PQ)、負載功耗(PL)以及總功耗(PT)：
PQ = VDD × IQ
PL = VDD × IL
PT = PQ + PL = VDD × (IQ + IL)
為降低實際消耗的功率，必須同時減小PQ和PL。減小VDD、IQ和IL都可以達到這一目的。
通常情況下，IC數據資料會給出IQ或PQ參數，但很少提到典型信號和典型負載條件下的平均功耗。對于便攜式視頻濾波放大器，由于電路不是處于關斷狀態，就是完全開啟，因此，PQ幾乎是無用信息。完全開啟時，視頻濾波放大器為負載提供視頻信號驅動。沒有視頻負載時，為了節省電池能量，應關斷視頻濾波放大器；如果在沒有視頻負載時開啟視頻濾波放大器，會造成電池能量的浪費。
表1. 各種視頻濾波放大器的平均功耗和靜態功耗
將視頻信號驅動至視頻負載造成功耗增大，這在很大程度上取決于視頻放大器的輸出方式。MAX9502輸出視頻信號采用了正向直流偏置(參見圖2)。維持輸出信號的正向直流偏置會使總功耗增大。因此，MAX9502必須供出大約8.7mA的電流(圖2b中以藍色粗線表示的電壓除以150Ω)。
圖2. MAX9502G應用電路，輸入、輸出為50%平場信號。
圖2a. 50%平場信號波形，輸入到需要測試的視頻濾波放大器。
圖2b. MAX9502G的輸出波形，藍色線段表示50%平場信號的近似平均直流電平。
OPA360 (表1)的輸出可以配合SAG網絡工作，它由兩個交流耦合電容組成(圖3)。這些電容阻斷了輸出和負載之間的直流連接。因此，放大器不需要源出或吸入維持輸出偏置的電流，從而降低了功耗。
圖3. 對于50%的平場信號，由于電容阻斷了輸出和負載之間的直流連接，因此，OPA360應用電路可有效降低功耗。
圖3a. OPA360輸出波形中的藍色線段表示50%平場信號的近似平均直流電平。
利用Maxim受專利保護的DirectDrive技術*，MAX9503能夠輸出接近零直流偏置的視頻信號，無需任何交流耦合電容(參見圖4)。由于片內反向電荷泵可產生負電壓，因此，這一技術使MAX9503能夠輸出地電平以下的信號。盡管DirectDrive增大了PQ，但由于PL降低，MAX9503的平均功耗能夠與MAX9502和OPA360保持在同一水平。由于直流偏置接近地電平，MAX9503只需源出較小的電流。
圖4. 50%平場信號通過MAX9503G的應用電路。
圖4a. MAX9503G輸出波形中的藍色線段表示50%平場信號的近似直流平均值。
圖5. MAX9509 1.8V應用電路處理50%平場信號，大大降低了功耗。
圖5a. 50%平場波形輸入到MAX9509；其振幅是圖2a中波形振幅的四分之一。
圖5b. MAX9509輸出波形中的藍色線段表示50%平場信號的近似直流平均值。
表2. MAX9509的平均功耗和靜態功耗
附錄1.8V視頻濾波放大器的電路考慮，給出了采用新的1.8V數字I/O電壓設計視頻電路時需要解決的特殊問題。
當視頻濾波放大器采用1.8V電源電壓工作時，必須采用DirectDrive技術。采用電壓模式輸出級的放大器必須至少提供2VP-P擺幅，才能輸出復合視頻信號。傳統的放大器采用1.8V單電源供電時，沒有足夠的余量產生2VP-P輸出信號。而采用DirectDrive后，集成反向電荷泵將產生一個嘈雜的-1.8V電壓；負電壓線性穩壓器將-1.8V電壓穩定到-1V，降低了電荷泵噪聲。因此，由于采用-1V至+1.8V的電壓供電，MAX9509剛好有足夠的余量輸出2VP-P視頻信號。
MAX9509采用低電壓、低IQ的DirectDrive輸出級，器件平均功耗(表2)大大低于表1中3.3V器件的功耗。這意味著如果采用相同的電池給包含MAX9509的系統和包含3.3V器件的系統供電，則MAX9509放大器所需的電池功率比另一個系統低70%，從而延長了電池使用時間。這對環境有直接的影響，因為減少了廢舊電池，以及充電電池鉛板的使用次數。
更值得注意的是，MAX9509平均功耗低于3.3V視頻濾波放大器的PQ。需要注意的是，在如此低的電壓下電路高速工作，噪聲將大大增加，因為此時電路的工作電流要比正常情況低。MAX9509在設計過程中考慮了噪聲問題，該器件具有極佳的峰值信噪比(SNR)，達到64dB，足以滿足消費類產品的要求。為了使電視屏幕顯示清晰的圖像，峰值SNR應該在40dB左右。
將充滿噪聲的電荷泵與濾波器和放大器放置在同一芯片是主要的設計難點。電荷泵有可能向敏感的視頻信號上引入開關噪聲。把MAX9509的電荷泵與視頻信號通路隔離開可以有效解決這個問題，得到極低的電荷泵噪聲頻域特性(圖6)，而且從時域特性也幾乎觀察不到噪聲(圖7)。
圖6. 測量MAX9509的噪聲和頻率關系時，電荷泵的噪聲頻譜非常小。
圖7. 視頻信號為1VP-P時，MAX9509輸出隨時間的變化(底部圖形)，峰值為1.4mVP-P。頂部圖形是電荷泵飛電容的電壓。
消費者在屏幕上觀察MAX9509的輸出信號時，既不會看到寬帶噪聲，也不會看到電荷泵噪聲。
便攜式設備中，低功耗一直是重中之重；考慮到越來越高的能源成本和全球變暖問題，墻上適配器供電的設備也越來越注重功耗問題。因此，發展趨勢是在模擬芯片中集成更加智能的電源管理電路。對于視頻濾波放大器，不但功耗要低，而且還應該具備視頻負載檢測、視頻輸入檢測和控制電路，以便控制相應的工作模式。由于視頻芯片一般用于價格競爭激烈的消費類電子產品，最大的難題是如何在增強智能化電源管理的同時不會過多地增加成本。
設計MAX9509低功耗視頻濾波放大器時，需要考慮一些特殊因素。設置偏置電流合理分配電源電流，是最有效的途徑。仔細布板能夠降低寄生電容，實現良好的器件匹配。最后，還須認真檢查并分析電路中所有支路的電流。這一系列措施有助于降低功耗，降低電路的帶寬需求，只需滿足頻率響應和視頻性能的帶寬要求。
通過仔細的電路設計，并依托Maxim先進的BiCMOS工藝，MAX9509的功耗要比上一代視頻濾波放大器的功耗低得多。為了在滿足特定應用性能要求的同時達到最低功耗，我們對所有上一代視頻設計電路進行了分析。例如，減少MAX9509電源之間偏置電流的鏡像；盡可能少地使用所產生的負電源。除此之外，還采用了專有電路來消除放大器工作在小電流時的失真。Maxim先進的模擬工藝能夠針對特定的視頻信號通道優選元件(例如，雙極型和MOS)，從而進一步降低MAX9509的功耗。MAX9509的5極點濾波器省去了上一代6極點濾波放大器所需的雙二階濾波器(圖8和圖9)。對于消費類應用，5極點和6極點濾波器的濾波性能差異不大，取消雙二階濾波器將使總電源電流降低10%以上。
圖8. 上一代視頻濾波放大器采用6極點濾波器。
圖9. MAX9509只采用5極點濾波器，省去了雙二階濾波器，總電源電流減少10%。
通過仔細放置濾波電路和放大電路，在給定的系統參數下優化信號通道的每一模塊，進而降低總電流。例如，MAX9509要獲得8倍增益時，在濾波器內部采用4倍增益的前置放大器。因此，最終得到的視頻放大器只需要2V/V增益(圖9)，從而降低了對最后一級視頻放大器的要求，并降低功耗。同時也降低了兩個放大器的總功耗，實現最佳性能。
本文還發表于Maxim工程期刊，第61期(PDF，1MB)。
類似文章發表于2007年10月的Electronic Products。
越來越多的便攜式設備，例如數碼相機、蜂窩電話和便攜式媒體播放器等，都開始逐漸增加復合視頻輸出的連接功能。這類設備中，連接在視頻數/模轉換器(DAC)之后的視頻濾波放大器產生視頻信號。現有的3.3V視頻濾波放大器處理視頻信號時，功耗為45mW，消耗了電池較大的功率。
電池使用時間是便攜設備的關鍵，任何可以延長電池使用時間的系統IC都有重要的意義。這將使手持設備對用戶更具吸引力，由于設備無需頻繁充電，因此使用戶的使用更便利。延長電池使用時間還意味著減少廢舊電池的數量，以及充電電池鉛板的使用次數，以上兩點均有利于環保。Maxim新一代視頻濾波放大器采用1.8V電源供電，功耗僅為12mW，與目前3.3V的視頻濾波放大器相比，功耗降低了近70％。
能量消耗在哪里?
簡單地說，每個電路的功耗包括自身工作的損耗和驅動負載的損耗。圖1中，電源為電路提供總電流(IT)，其中IQ是運算放大器的靜態電流，IL是負載電流。圖1. 單電源運算放大器，帶有一個對地電阻負載。
電流和電源電壓相乘得出功率。首先按照以下公式計算靜態功耗(PQ)、負載功耗(PL)以及總功耗(PT)：
PQ = VDD × IQ
PL = VDD × IL
PT = PQ + PL = VDD × (IQ + IL)
為降低實際消耗的功率，必須同時減小PQ和PL。減小VDD、IQ和IL都可以達到這一目的。
通常情況下，IC數據資料會給出IQ或PQ參數，但很少提到典型信號和典型負載條件下的平均功耗。對于便攜式視頻濾波放大器，由于電路不是處于關斷狀態，就是完全開啟，因此，PQ幾乎是無用信息。完全開啟時，視頻濾波放大器為負載提供視頻信號驅動。沒有視頻負載時，為了節省電池能量，應關斷視頻濾波放大器；如果在沒有視頻負載時開啟視頻濾波放大器，會造成電池能量的浪費。
3.3V視頻濾波放大器的功耗
當3.3V視頻濾波放大器向負載提供視頻信號驅動時，功耗增大，如表1所示。平均功耗定義為視頻濾波放大器以50%平場視頻信號驅動150Ω對地負載時的功耗。50%平場信號作為典型的視頻信號，在電視上顯示為灰屏(PL取決于圖像內容，黑屏時功耗最低，白屏時功耗最大)。表1中需要注意的是，盡管元件的PQ差別很大，平均功耗卻非常接近。表1. 各種視頻濾波放大器的平均功耗和靜態功耗
| Company | Part | Supply Voltage (V) |
Average Current (mA) |
Average Power (mW) |
IQ (mA) | PQ (mW) | Output Style |
| Maxim | MAX9502 | 3.3 | 13.5 | 44.6 | 5.3 | 17.5 | Positive DC bias |
| TI? | OPA360 | 3.3 | 12.2 | 40.1 | 6 | 19.8 | Zero DC bias |
| Maxim | MAX9503 | 3.3 | 13.2 | 43.4 | 12 | 39.6 | DirectDrive? |
將視頻信號驅動至視頻負載造成功耗增大，這在很大程度上取決于視頻放大器的輸出方式。MAX9502輸出視頻信號采用了正向直流偏置(參見圖2)。維持輸出信號的正向直流偏置會使總功耗增大。因此，MAX9502必須供出大約8.7mA的電流(圖2b中以藍色粗線表示的電壓除以150Ω)。
圖2. MAX9502G應用電路，輸入、輸出為50%平場信號。
圖2a. 50%平場信號波形，輸入到需要測試的視頻濾波放大器。
圖2b. MAX9502G的輸出波形，藍色線段表示50%平場信號的近似平均直流電平。
OPA360 (表1)的輸出可以配合SAG網絡工作，它由兩個交流耦合電容組成(圖3)。這些電容阻斷了輸出和負載之間的直流連接。因此，放大器不需要源出或吸入維持輸出偏置的電流，從而降低了功耗。
圖3. 對于50%的平場信號，由于電容阻斷了輸出和負載之間的直流連接，因此，OPA360應用電路可有效降低功耗。
圖3a. OPA360輸出波形中的藍色線段表示50%平場信號的近似平均直流電平。
利用Maxim受專利保護的DirectDrive技術*，MAX9503能夠輸出接近零直流偏置的視頻信號，無需任何交流耦合電容(參見圖4)。由于片內反向電荷泵可產生負電壓，因此，這一技術使MAX9503能夠輸出地電平以下的信號。盡管DirectDrive增大了PQ，但由于PL降低，MAX9503的平均功耗能夠與MAX9502和OPA360保持在同一水平。由于直流偏置接近地電平，MAX9503只需源出較小的電流。
圖4. 50%平場信號通過MAX9503G的應用電路。
圖4a. MAX9503G輸出波形中的藍色線段表示50%平場信號的近似直流平均值。
新一代產品的功耗：1.8V視頻濾波放大器
MAX9509是Maxim新一代視頻濾波放大器系列的首款器件，大大降低了平均功耗和PQ，如圖5所示。其電源電壓(VDD)由3.3V降到了1.8V，1.8V是移動電話正在逐漸使用的數字I/O電壓；靜態電源電流(IQ)也由12mA降到了3.1mA (參見表2)。圖5. MAX9509 1.8V應用電路處理50%平場信號，大大降低了功耗。
圖5a. 50%平場波形輸入到MAX9509；其振幅是圖2a中波形振幅的四分之一。
圖5b. MAX9509輸出波形中的藍色線段表示50%平場信號的近似直流平均值。
表2. MAX9509的平均功耗和靜態功耗
| Company | Part | Supply Voltage (V) |
Average Current (mA) |
Average Power (mW) |
IQ (mA) | PQ (mW) | Output Style |
| Maxim | MAX9509 | 1.8 | 6.5 | 11.7 | 3.1 | 6 | DirectDrive |
附錄1.8V視頻濾波放大器的電路考慮，給出了采用新的1.8V數字I/O電壓設計視頻電路時需要解決的特殊問題。
當視頻濾波放大器采用1.8V電源電壓工作時，必須采用DirectDrive技術。采用電壓模式輸出級的放大器必須至少提供2VP-P擺幅，才能輸出復合視頻信號。傳統的放大器采用1.8V單電源供電時，沒有足夠的余量產生2VP-P輸出信號。而采用DirectDrive后，集成反向電荷泵將產生一個嘈雜的-1.8V電壓；負電壓線性穩壓器將-1.8V電壓穩定到-1V，降低了電荷泵噪聲。因此，由于采用-1V至+1.8V的電壓供電，MAX9509剛好有足夠的余量輸出2VP-P視頻信號。
MAX9509采用低電壓、低IQ的DirectDrive輸出級，器件平均功耗(表2)大大低于表1中3.3V器件的功耗。這意味著如果采用相同的電池給包含MAX9509的系統和包含3.3V器件的系統供電，則MAX9509放大器所需的電池功率比另一個系統低70%，從而延長了電池使用時間。這對環境有直接的影響，因為減少了廢舊電池，以及充電電池鉛板的使用次數。
更值得注意的是，MAX9509平均功耗低于3.3V視頻濾波放大器的PQ。需要注意的是，在如此低的電壓下電路高速工作，噪聲將大大增加，因為此時電路的工作電流要比正常情況低。MAX9509在設計過程中考慮了噪聲問題，該器件具有極佳的峰值信噪比(SNR)，達到64dB，足以滿足消費類產品的要求。為了使電視屏幕顯示清晰的圖像，峰值SNR應該在40dB左右。
將充滿噪聲的電荷泵與濾波器和放大器放置在同一芯片是主要的設計難點。電荷泵有可能向敏感的視頻信號上引入開關噪聲。把MAX9509的電荷泵與視頻信號通路隔離開可以有效解決這個問題，得到極低的電荷泵噪聲頻域特性(圖6)，而且從時域特性也幾乎觀察不到噪聲(圖7)。
圖6. 測量MAX9509的噪聲和頻率關系時，電荷泵的噪聲頻譜非常小。
圖7. 視頻信號為1VP-P時，MAX9509輸出隨時間的變化(底部圖形)，峰值為1.4mVP-P。頂部圖形是電荷泵飛電容的電壓。
消費者在屏幕上觀察MAX9509的輸出信號時，既不會看到寬帶噪聲，也不會看到電荷泵噪聲。
低功耗視頻濾波放大器的發展方向
雖然低功耗視頻濾波放大器的開發工作已經取得了一些進展，但IC設計人員還有許多工作要做。例如，視頻負載檢測。如果視頻濾波放大器具有負載電子檢測功能，并為微控制器系統提供負載狀態，只在出現有效的視頻負載時開啟視頻輸出電路，即可進一步增強系統的智能化視頻功耗管理。目前，大多通過機械插孔檢測視頻負載的插入，以開啟視頻輸出電路。如果電纜另一端沒有連接電視或其他監視器，這種方法將造成電池能量的浪費。視頻負載電子檢測的另一個好處是只需要標準連接器，而不需要帶有機械插孔檢測的連接器，與標準連接器相比，這種機械連接器增加了成本，而且占用更大空間。便攜式設備中，低功耗一直是重中之重；考慮到越來越高的能源成本和全球變暖問題，墻上適配器供電的設備也越來越注重功耗問題。因此，發展趨勢是在模擬芯片中集成更加智能的電源管理電路。對于視頻濾波放大器，不但功耗要低，而且還應該具備視頻負載檢測、視頻輸入檢測和控制電路，以便控制相應的工作模式。由于視頻芯片一般用于價格競爭激烈的消費類電子產品，最大的難題是如何在增強智能化電源管理的同時不會過多地增加成本。
附錄：1.8V視頻濾波放大器的電路考慮
世界各地的公司在產品設計時，除考慮降低成本、增加功能之外，還越來越重視其環保性能。選擇低功耗及采用無鉛/符合RoHS標準的封裝的IC器件是設計環保系統的關鍵。設計MAX9509低功耗視頻濾波放大器時，需要考慮一些特殊因素。設置偏置電流合理分配電源電流，是最有效的途徑。仔細布板能夠降低寄生電容，實現良好的器件匹配。最后，還須認真檢查并分析電路中所有支路的電流。這一系列措施有助于降低功耗，降低電路的帶寬需求，只需滿足頻率響應和視頻性能的帶寬要求。
通過仔細的電路設計，并依托Maxim先進的BiCMOS工藝，MAX9509的功耗要比上一代視頻濾波放大器的功耗低得多。為了在滿足特定應用性能要求的同時達到最低功耗，我們對所有上一代視頻設計電路進行了分析。例如，減少MAX9509電源之間偏置電流的鏡像；盡可能少地使用所產生的負電源。除此之外，還采用了專有電路來消除放大器工作在小電流時的失真。Maxim先進的模擬工藝能夠針對特定的視頻信號通道優選元件(例如，雙極型和MOS)，從而進一步降低MAX9509的功耗。MAX9509的5極點濾波器省去了上一代6極點濾波放大器所需的雙二階濾波器(圖8和圖9)。對于消費類應用，5極點和6極點濾波器的濾波性能差異不大，取消雙二階濾波器將使總電源電流降低10%以上。
圖8. 上一代視頻濾波放大器采用6極點濾波器。
圖9. MAX9509只采用5極點濾波器，省去了雙二階濾波器，總電源電流減少10%。
通過仔細放置濾波電路和放大電路，在給定的系統參數下優化信號通道的每一模塊，進而降低總電流。例如，MAX9509要獲得8倍增益時，在濾波器內部采用4倍增益的前置放大器。因此，最終得到的視頻放大器只需要2V/V增益(圖9)，從而降低了對最后一級視頻放大器的要求，并降低功耗。同時也降低了兩個放大器的總功耗，實現最佳性能。
工商網監
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