降低視頻子系統(tǒng)的工作和待機(jī)功耗，延長(zhǎng)手持式視頻系統(tǒng)的電池使用時(shí)間

越來(lái)越多的便攜式設(shè)備，例如數(shù)碼相機(jī)、蜂窩電話和便攜式媒體播放器等，都開(kāi)始逐漸增加復(fù)合視頻輸出的連接功能。這類設(shè)備中，視頻數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生復(fù)合視頻信號(hào)，在送至輸出連接器之前必須經(jīng)過(guò)視頻濾波和放大。設(shè)計(jì)工程師在選擇視頻濾波器時(shí)已經(jīng)考慮了功耗、總體成本、尺寸以及圖像質(zhì)量等因素，本文介紹了下一代便攜設(shè)備中的其它需求以及如何設(shè)計(jì)新一代視頻濾波器才能滿足這些需求。

越來(lái)越多的便攜式設(shè)備，例如數(shù)碼相機(jī)、蜂窩電話和便攜式媒體播放器等，都開(kāi)始逐漸增加復(fù)合視頻輸出的連接功能。這類設(shè)備中，連接在視頻數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)之后的視頻濾波放大器產(chǎn)生視頻信號(hào)。現(xiàn)有的3.3V視頻濾波放大器處理視頻信號(hào)時(shí)，功耗為45mW。

電池使用時(shí)間是便攜設(shè)備的關(guān)鍵，首先要考慮降低視頻系統(tǒng)IC的功耗。出于這一考慮，新一代視頻濾波放大器能夠工作在1.8V電壓，功耗僅為12mW—功耗降低了近70%。

能量消耗在哪里?

簡(jiǎn)單地說(shuō)，每個(gè)電路的功耗包括自身工作的損耗和驅(qū)動(dòng)負(fù)載的損耗。圖1中，電源為電路提供總電流(I_T)，其中I_Q是運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流，I_L是負(fù)載電流。


圖1. 單電源運(yùn)算放大器，帶有一個(gè)對(duì)地電阻負(fù)載。

電流和電源電壓相乘得出功率。首先按照以下公式計(jì)算靜態(tài)功耗(P_Q)、負(fù)載功耗(P_L)以及總功耗(P_T)：

P_Q = V_DD × I_Q
P_L = V_DD × I_L
P_T = P_Q + P_L = V_DD × (I_Q + I_L)

為降低實(shí)際消耗的功率，必須同時(shí)減小P_Q和P_L。減小V_DD、I_Q和I_L都可以達(dá)到這一目的。

通常情況下，IC數(shù)據(jù)資料會(huì)給出I_Q或P_Q參數(shù)，但很少提到典型信號(hào)和典型負(fù)載條件下的平均功耗。對(duì)于便攜式視頻濾波放大器，由于電路不是處于關(guān)斷狀態(tài)，就是完全開(kāi)啟，因此，P_Q幾乎是無(wú)用信息。完全開(kāi)啟時(shí)，視頻濾波放大器為負(fù)載提供視頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)。沒(méi)有視頻負(fù)載時(shí)，為了節(jié)省電池能量，應(yīng)關(guān)斷視頻濾波放大器；如果在沒(méi)有視頻負(fù)載時(shí)開(kāi)啟視頻濾波放大器，會(huì)造成電池能量的浪費(fèi)。

3.3V視頻濾波放大器的功耗

當(dāng)3.3V視頻濾波放大器向負(fù)載提供視頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，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(chǎng)視頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)150Ω對(duì)地負(fù)載時(shí)的功耗。50%平場(chǎng)信號(hào)作為典型的視頻信號(hào)，在電視上顯示為灰屏(P_L取決于圖像內(nèi)容，黑屏?xí)r功耗最低，白屏?xí)r功耗最大)。注意，盡管元件的P_Q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(tài)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(hào)驅(qū)動(dòng)至視頻負(fù)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(hào)采用了正向直流偏置(參見(jiàn)圖2)。維持輸出信號(hào)的正向直流偏置會(huì)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(lán)色粗線表示的電壓除以150Ω)。


圖2. MAX9502G應(yīng)用電路，輸入、輸出為50%平場(chǎng)信號(hào)。


圖2a. 50%平場(chǎng)信號(hào)波形，輸入到需要測(cè)試的視頻濾波放大器。


圖2b. MAX9502G的輸出波形，藍(lán)色曲線表示50%平場(chǎng)信號(hào)的近似平均直流電平。

OPA360 (表1)的輸出可以配合SAG網(wǎng)絡(luò)工作，它由兩個(gè)交流耦合電容組成(圖3)。這些電容阻斷了輸出和負(fù)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(duì)于50%的平場(chǎng)信號(hào)，由于電容阻斷了輸出和負(fù)載之間的直流連接，因此，OPA360應(yīng)用電路可有效降低功耗。


圖3a. OPA360輸出波形中的藍(lán)色曲線表示50%平場(chǎng)信號(hào)的近似平均直流電平。

利用Maxim受專利保護(hù)的DirectDrive技術(shù)，MAX9503能夠輸出接近零直流偏置的視頻信號(hào)，無(wú)需任何交流耦合電容(參見(jiàn)圖4)。由于片內(nèi)反向電荷泵可產(chǎn)生負(fù)電壓，因此，這一技術(shù)使MAX9503能夠輸出地電平以下的信號(hào)。盡管DirectDrive增大了P_Q，但由于P_L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(chǎng)信號(hào)通過(guò)MAX9503G應(yīng)用電路。


圖4a. MAX9503G輸出波形中的藍(lán)色曲線表示50%平場(chǎng)信號(hào)的近似直流平均值。

新一代產(chǎn)品：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P_Q，如圖5所示。其電源電壓(V_DD)由3.3V降到了1.8V，1.8V是移動(dòng)電話正在逐漸使用的數(shù)字I/O電壓；靜態(tài)電源電流(I_Q)也由12mA降到了3.1mA (參見(jiàn)表2)。


圖5. MAX9509 1.8V應(yīng)用電路處理50%平場(chǎng)信號(hào)，大大降低了功耗。


圖5a. 50%平場(chǎng)波形輸入到MAX9509；其振幅是圖2a中波形振幅的一半。


圖5b. MAX9509輸出波形中的藍(lán)色曲線表示50%平場(chǎng)信號(hào)的近似直流平均值。

表2. MAX9509的平均功耗和靜態(tài)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(shù)字I/O電壓設(shè)計(jì)視頻電路時(shí)需要解決的特殊問(wèn)題。

當(dāng)視頻濾波放大器采用1.8V電源電壓工作時(shí)，必須采用DirectDrive技術(shù)。采用電壓模式輸出級(jí)的放大器必須至少提供2V_P-P擺幅，才能輸出復(fù)合視頻信號(hào)。傳統(tǒng)的放大器采用1.8V單電源供電時(shí)，沒(méi)有足夠的余量產(chǎn)生2V_P-P輸出信號(hào)。而采用DirectDrive后，集成反向電荷泵將產(chǎn)生一個(gè)嘈雜的-1.8V電壓；負(fù)電壓線性穩(wěn)壓器將-1.8V電壓穩(wěn)定到-1V，降低了電荷泵噪聲。因此，實(shí)際采用-1V至+1.8V的電壓供電時(shí)，MAX9509剛好有足夠的余量輸出2V_P-P視頻信號(hào)。

MAX9509采用低電壓、低I_Q的DirectDrive輸出級(jí)，器件平均功耗(表2)大大低于表1中3.3V器件的功耗。更值得注意的是，MAX9509平均功耗低于3.3V視頻濾波放大器的P_Q。

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?yàn)榇藭r(shí)電路的工作電流要比正常情況低。在MAX9509在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了噪聲問(wèn)題，該器件具有極佳的峰值信噪比(SNR)，達(dá)到64dB，足以滿足消費(fèi)類產(chǎn)品的要求。為了使電視屏幕顯示清晰的圖像，峰值SNR應(yīng)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(shè)計(jì)難點(diǎn)。電荷泵有可能向敏感的視頻信號(hào)上引入開(kāi)關(guān)噪聲。把MAX9509的電荷泵與視頻信號(hào)通路隔離開(kāi)可以有效解決這個(gè)問(wèn)題，得到極低的電荷泵噪聲頻域特性(圖6)，而且從時(shí)域特性也幾乎觀察不到噪聲(圖7)。


圖6. 測(cè)量MAX9509的噪聲和頻率關(guān)系時(shí)，電荷泵的噪聲頻譜非常小。


圖7. 視頻信號(hào)為1V_P-P時(shí)，MAX9509輸出隨時(shí)間的變化(底部圖形)，峰值為1.4mV_P-P。頂部圖形是電荷泵飛電容的電壓。

消費(fèi)者在屏幕上觀察MAX9509的輸出信號(hào)時(shí)，既不會(huì)看到寬帶噪聲，也不會(huì)看到電荷泵噪聲。

低功耗視頻濾波放大器的發(fā)展方向

雖然低功耗視頻濾波放大器的開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但IC設(shè)計(jì)人員還有許多工作要做。

例如，視頻負(fù)載檢測(cè)。如果視頻濾波放大器具有負(fù)載電子檢測(cè)功能，并為微控制器系統(tǒng)提供負(fù)載狀態(tài)，只在出現(xiàn)有效的視頻負(fù)載時(shí)開(kāi)啟視頻輸出電路，即可進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的智能化視頻功耗管理。目前，大多通過(guò)機(jī)械插孔檢測(cè)視頻負(fù)載的插入，以開(kāi)啟視頻輸出電路。如果電纜另一端沒(méi)有連接電視或其他監(jiān)視器，這種方法將造成電池能量的浪費(fèi)。視頻負(fù)載電子檢測(cè)的另一個(gè)好處是只需要標(biāo)準(zhǔn)連接器，而不需要帶有機(jī)械插孔檢測(cè)的連接器，與標(biāo)準(zhǔn)連接器相比，這種機(jī)械連接器增加了成本，而且占用更大空間。

便攜式設(shè)備中，低功耗一直是重中之重；考慮到越來(lái)越高的能源成本和全球變暖問(wèn)題，墻上適配器供電的設(shè)備也越來(lái)越注重功耗問(wèn)題。因此，發(fā)展趨勢(shì)是在模擬芯片中集成更加智能的電源管理電路。對(duì)于視頻濾波放大器，不但功耗要低，而且還應(yīng)該具備視頻負(fù)載檢測(cè)、視頻輸入檢測(cè)和控制電路，以便控制相應(yīng)的工作模式。由于視頻芯片一般用于價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈的消費(fèi)類電子產(chǎn)品，最大的難題是如何在增強(qiáng)智能化電源管理的同時(shí)不會(huì)過(guò)多地增加成本。

附錄：1.8V視頻濾波放大器的電路考慮

設(shè)計(jì)低功耗1.8V視頻濾波放大器時(shí)，需要考慮一些特殊因素。設(shè)置偏置電流合理分配電源電流，是最有效的途徑。仔細(xì)布板能夠降低寄生電容，實(shí)現(xiàn)良好的器件匹配。最后，還須認(rèn)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(yīng)和視頻性能的帶寬要求。

通過(guò)仔細(xì)的電路設(shè)計(jì)，并依托Maxim先進(jìn)的BiCMOS工藝，MAX9509的功耗要比上一代產(chǎn)品的功耗低得多。為了在滿足特定應(yīng)用性能要求的同時(shí)達(dá)到最低功耗，我們對(duì)所有上一代視頻設(shè)計(jì)電路進(jìn)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(chǎn)生的負(fù)電源。除此之外，還采用了專有電路來(lái)消除放大器工作在小電流時(shí)的失真。

Maxim先進(jìn)的模擬工藝能夠針對(duì)特定的視頻信號(hào)通道優(yōu)選元件(例如，雙極型和MOS)，從而進(jìn)一步降低MAX9509的功耗。MAX9509的5極點(diǎn)濾波器省去了上一代6極點(diǎn)濾波放大器所需的雙二階濾波器(圖8和圖9)。對(duì)于消費(fèi)類應(yīng)用，5極點(diǎn)和6極點(diǎn)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(diǎn)濾波器。


圖9. MAX9509只采用5極點(diǎn)濾波器，省去了雙二階濾波器，總電源電流減少10%。

通過(guò)仔細(xì)放置濾波電路和放大電路，在給定的系統(tǒng)參數(shù)下優(yōu)化信號(hào)通道的每一模塊，進(jìn)而降低總電流。例如，MAX9509要獲得8倍增益時(shí)，在濾波器內(nèi)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(duì)最后一級(jí)視頻放大器的要求，并降低功耗。同時(shí)也降低了兩個(gè)放大器的總功耗，實(shí)現(xiàn)最佳性能。