越來越多的便攜式設備（如數碼相機、手機和便攜式媒體播放器）正在增加復合視頻輸出連接。在這些器件中，視頻數模轉換器（DAC）產生復合視頻信號，在到達輸出連接器之前必須對其進行低通濾波和放大。設計工程師在選擇視頻濾波放大器時已經考慮了功耗、總成本、尺寸和視頻質量。本文重點介紹新一代視頻濾波放大器如何延長電池壽命，并介紹對下一代便攜式設備的額外要求。

越來越多的便攜式設備，如數碼相機、手機和便攜式媒體播放器，正在增加復合視頻輸出連接。在此類設備中，視頻濾波放大器跟隨生成視頻信號的視頻數模轉換器（DAC）。如今的3.3V視頻濾波放大器在處理視頻信號時消耗約45mW的功率，這會導致電池電量的大量消耗。

電池壽命是所有便攜式設備的重要問題，任何可以延長電池壽命的系統IC都提供了重要的好處。它使手持系統對用戶更具吸引力，因為設備插入充電的頻率較低，因此用戶可以更加移動。延長電池壽命還意味著丟棄的一次性電池更少，對電網充電可充電電池的依賴性降低，這兩者都對環境產生積極影響。Maxim最新一代視頻濾波放大器工作在1.8V，功耗僅為12mW，與目前的70.3V視頻濾波放大器相比，功耗降低了近3%。

所有的力量都去哪兒了？

在最簡單的分析中，每個電路都會消耗功率來運行和驅動負載。在圖 1 中，電源提供總電流 （IT） 到電路，其中 IQ是運算放大器的靜態電流，IL是負載電流。

圖1.圖中顯示了一個單電源運算放大器，其阻性負載接地。

功率的計算方法是將電流乘以電源電壓。靜態功耗（PQ）、負載功耗（PL），以及總功耗（PT） 使用以下公式計算到一階：

PQ= VDD× IQ
PL= VDD× IL
PT= PQ+ PL= VDD×（IQ+ IL)

為了最小化實際應用中的實際功耗，兩者PQ和 PL必須減少。減少 V 的任意組合DD我Q，和我L實現了這個目的。

通常，IC數據手冊僅提供IQ或 PQ;它們幾乎從不描述典型信號和典型負載的平均功耗。PQ對于任何便攜式視頻濾波放大器來說，這些信息幾乎都是無用的，因為電路要么處于關斷狀態，要么處于完全使能狀態（定義為當視頻濾波放大器將視頻信號驅動到視頻負載時）。為了節省電池電量，如果沒有視頻負載，視頻濾波放大器應處于關斷狀態;在沒有視頻負載時啟用視頻濾波放大器會浪費電池。

3.3V視頻濾波放大器的功耗

當3.3V視頻濾波放大器將視頻信號驅動到視頻負載時，其功耗會增加，如表1所示。平均功耗定義為視頻濾波放大器將50%平場視頻信號驅動至150Ω負載至地的條件。50%平場信號在電視上顯示為灰屏，用作典型視頻信號的代理。（PL取決于圖片內容。黑屏需要最少的電量，而白屏需要的電量最多。請注意，在表1中，這些器件的平均功耗非常相似，盡管它們的PQ差異很大。

表 1.各種視頻濾波放大器的平均和靜態功耗

將視頻信號驅動到視頻負載的功耗增加在很大程度上取決于視頻放大器的輸出風格。MAX9502輸出具有正直流偏置的視頻信號（見圖2）。保持輸出信號的正直流偏置會導致總功耗增加。因此，MAX9502必須提供約8.7mA電流（通過將圖2b中的藍色大線表示的電壓除以150Ω來計算）。

圖2.MAX9502G應用電路顯示50%平場信號的輸入和輸出。

圖 2a.這50%平場波形被輸入到正在考慮的視頻濾波放大器中。

圖 2b.在MAX9502G的輸出波形中，藍線表示50%平場信號的近似直流平均值。

在其輸出端，OPA360（在表 1 中）可以與由兩個交流耦合電容器組成的 SAG 網絡配合使用（圖 3）。這些電容器斷開輸出和負載之間的直流連接。因此，放大器不需要源出或吸收任何電流來維持輸出端的偏置，從而最大限度地減少功率增加。

圖3.在給定 50% 平場信號的情況下，OPA360 應用電路可最大限度地減少功率增加，因為電容器會斷開輸出和負載之間的直流連接。

圖 3a.OPA360 的輸出波形包含一條藍線，表示 50% 平場信號的近似直流平均值。

MAX9503采用Maxim的DirectDrive技術，輸出接近零直流偏置的視頻信號，但不需要任何交流耦合電容（見圖4）。該技術允許MAX9503將輸出拉至地電位以下，因為片內反相電荷泵產生負電源電壓。雖然直接驅動增加了PQ，MAX9503的平均功耗與MAX9502和OPA360相同，因為L更低。MAX9503需要提供較少的電流，因為直流偏置接近地電位。

圖4.50%平場信號通過MAX9503G應用電路處理。

圖 4a.MAX9503G的輸出波形有一條藍線，表示50%平場信號的近似直流平均值。

新一代功耗：1.8V視頻濾波放大器

MAX9509是Maxim最新視頻濾波放大器系列中的首款器件，可顯著降低平均功耗和P...Q，如圖 5 所示。其電源電壓（VDD） 已從 3.3V 降至 1.8V，這是移動電話遷移到的數字 I/O 電壓。靜態電源電流（IQ）也從12mA降低到3.1mA（見表2）。

圖5.MAX9509 1.8V應用電路處理50%平場信號，功耗顯著降低。

圖 5a.50%平場波形輸入MAX9509;它的幅度是圖2a所用波形的四分之一。

圖 5b.在MAX9509的輸出波形中，藍線表示50%平場信號的近似直流平均值。

表 2.MAX9509的平均和靜態功耗

當視頻濾波放大器采用1.8V電源工作時，DirectDrive是絕對必要的。具有電壓模式輸出級的放大器必須擺幅至少為2VP-P以輸出復合視頻信號。采用1.8V單電源供電的傳統放大器沒有足夠的裕量來處理2V電壓P-P輸出信號。然而，對于DirectDrive，集成的反相電荷泵會產生一個嘈雜的-1.8V電源;然后，負線性穩壓器將-1.8V電源增加到-1V，電荷泵噪聲最小。因此，由于電源電壓范圍為-1V至+1.8V，MAX9509現在的裕量勉強足以輸出2VP-P視頻信號。

結合低電源電壓、低 IQ和DirectDrive輸出級，MAX9509的平均功耗（表2）明顯低于表3所示的3.1V代器件。這意味著，如果MAX9509系統和3.3V器件系統使用相同的電池，則只需為放大器提供高達70%的功率，從而延長電池壽命。這對環境有直接影響，因為一次性電池將被丟棄的頻率降低，并且對電網充電可充電電池的依賴性也會降低。

值得注意的是，MAX9509的平均功耗低于PQ的3.3V視頻濾波放大器。在如此低的功率水平下運行高速電路的一個問題是噪聲會大大增加。這是因為電路在低于正常水平的電流水平下工作。在MAX9509的設計過程中，噪聲被仔細考慮，該器件具有非常可觀的64dB峰值信噪比（SNR），這對于消費類應用來說綽綽有余。要在視頻屏幕上可見，峰值SNR需要約為40dB。

在與濾波器和放大器相同的芯片上安裝一個噪聲電荷泵是一個主要的設計問題。電荷泵可能會將開關噪聲注入到精細的視頻波形中。MAX9509電荷泵與視頻信號路徑電路之間的隔離非常有效，因此電荷泵噪聲在頻率掃描時不明顯（圖6），在時域中幾乎不明顯（圖7）。

圖6.在測量MAX9509的噪聲與頻率的關系時，無法辨別電荷泵的頻率尖峰。

圖7.MAX9509的輸出（底部跡線）是相對于1V測量的隨時間變化P-P視頻信號。尖峰是1.4mVP-P.頂部跡線是電荷泵跨接電容器頂板上的電壓。

從消費者的角度來看，在顯示MAX9509信號輸出的視頻屏幕上，寬帶噪聲和電荷泵噪聲均不可見。

低功耗視頻濾波放大器的未來發展方向

雖然低功耗視頻濾波放大器的最新發展，但IC設計人員仍有工作要做。考慮視頻負載檢測。例如，如果視頻濾波放大器可以電檢測負載并向操作系統的微控制器提供負載狀態，則視頻輸出電路只有在存在有效視頻負載時才能開啟。因此，系統可以更智能地管理視頻電源。當前的視頻負載檢測方法是在機械檢測到插孔插入時打開視頻輸出電路。如果電纜的另一端實際上沒有插入電視或其他視頻監視器的插孔，這可能會浪費電池電量。電氣視頻負載檢測的一個附帶好處是，它只需要一個標準連接器，而不是一個帶有機械插孔感應的連接器，與標準連接器相比，這增加了成本并增加了空間。

低功耗在便攜式設備中一直很重要，但由于能源成本較高和對全球變暖的擔憂，即使對于壁掛式設備也變得越來越重要。因此，趨勢是將更智能的電源管理集成到模擬芯片中。對于視頻濾波放大器，它不僅必須低功耗，而且還必須具有視頻負載檢測、視頻輸入檢測和控制電路，以便在工作模式之間循環。最大的挑戰是在不顯著增加成本的情況下增加智能電源管理，因為視頻芯片主要用于價格具有競爭力的消費電子產品。

邊欄：1.8V視頻濾波放大器的電路考慮因素

除了設計功能越來越好的經濟實惠的產品外，世界各地的公司都在盡最大努力設計越來越環保的系統。降低功耗并采用無鉛/符合ROHS標準的封裝的IC是設計環保產品的重要步驟。

在設計MAX9509低功耗視頻濾波放大器時要特別考慮。選擇偏置電流值以將電源電流分配到生產率最高的位置。使用了導致較小寄生效應和良好器件匹配的布局技術。最后，對電路所有分支中使用的電流進行了仔細的詢問和分析。這些努力優化了功耗，將電路帶寬降低到僅維持必要的頻率響應和視頻性能所需的帶寬。

MAX9509的功耗低于前幾代視頻濾波放大器，原因在于其精心的電路設計和Maxim先進的BiCMOS工藝技術。上一代視頻設計的所有電路都經過分析和優化，以實現最低功耗，同時仍能為預期應用保持足夠的性能。例如，減少了MAX9509電源軌之間偏置電流鏡像的次數。生成的負軌的使用也最小化。此外，還應用了專有電路來消除失真，否則在這種稀薄電流上運行放大器會引入失真。Maxim先進的模擬處理技術也降低了MAX9509的功耗，允許為特定的視頻信號路徑選擇最佳元件（例如，雙極性與MOS）。MAX9509的5極點濾波器省去了前幾代帶6極點濾波器的放大器所需的額外雙二階濾波器級（圖8和圖9）。對于消費類應用，5極點和6極點濾波器之間的濾波器規格差異很小，消除雙二階濾波器級可使總電源電流降低10%以上。

圖8.前幾代視頻濾波放大器具有6極點濾波器。

圖9.MAX9509只有一個5極點濾波器，省去了雙二階濾波器級，總電源電流降低10%。

通過仔細劃分濾波器和放大器電路，可以優化信號路徑中每個模塊的要求，以在給定的系統規格集下使用更少的總電流。例如，為了在MAX8中實現9509的增益，濾波器內使用增益為4的前置放大器。因此，最終視頻放大器只需要2V/V的增益（圖9），從而降低了最終視頻放大器的要求，從而降低了功耗需求。兩個放大器的總功耗都很低，并針對正在執行的功能進行了優化。

審核編輯：郭婷