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视频信号的箝位、偏置和交流耦合

作者:■ Maxim公司 Bill Stutz时间:2005-05-08来源:eaw收藏

采用交流耦合视频信号时必须恢复直流电压,以确保信号位于下级电路的线性区域内。这项工作称为偏置,对于不同的视频信号需使用不同的电路,要求偏置点准确和稳定。对于正弦波信号,用阻容(R-C)耦合即可建立一个稳定的偏置电压。不幸的是,只有S视频端子的色度信号(C)类似于正弦波。而亮度(Y)、复合视频(Cvbs)和RGB信号都是从一个参考电平开始单向变化的合成信号,在参考电平以下附有同步脉冲。这种视频信号需要独特的偏置方法,称其为钳位,因为它将信号的一端钳置在一个参考电位上。传统的钳位电路为二极管钳位,其中叠加在视频信号上的同步脉冲使二极管导通。除此之外,还有其它形式的电路,例如,色差信号Pb和Pr、RGB信号,都可以较好地通过"键控钳位"方式处理。这种方式利用开关代替二极管,由外部信号控制视频钳位。“直流恢复”是一种新的偏置方法,它在键控钳位中增加了反馈环路,放置在ADC的前端,以提高偏置点的精确性。本文阐述了几种偏置方式的工作原理,以及每种方式所适合的信号。
视频信号的交流耦合
任何信号经过交流耦合后,耦合电容器将存储信号的平均值,信号源和负载之间直流电位的差值。为了说明不同信号对偏置点稳定性的影响,可以观察一下图1所示波形,负载为一个接地电阻,采用交流耦合方式连接正弦波和脉冲信号时,耦合后的信号直流电平发生了变化:正弦信号的直流电平大约为其振幅的一半,而脉冲信号的直流电平则是占空比的函数。这说明对于占空比变化的脉冲信号将需要更大的动态范围。由于这个原因,所有针对脉冲信号的放大器都采用直流耦合,保证所需的动态范围。视频信号类似于脉冲信号,所以更适合采用直流耦合。
亮度、复合信号和RGB信号在“黑”电平和“白”电平之间变化,变化范围一般在0V~+700mV。视频信号可能附加有同步信号(如NTSC、PAL中的RGB信号),也可能不包括同步信号(如PC机中采用独立的同步信号)。在单电源应用中,如DAC输出,同步期间的静态电平是不同的,这将影响到偏置方式的选择。双电源应用中,如果色度信号的静态电平在同步期间不是0V,它将类似于脉冲波,而非正弦波。
尽管如此,视频信号必须采用交流耦合。用直流耦合连接两个不同的电源很危险,这通常是安全规范所禁止的。视频设备制造商通常对其设备输入端采用交流耦合方式,而在输出端采用直流耦合,需要下级电路重建直流分量。如果不能达成这样一个协议,必将导致“双重耦合”。这一规则的唯一例外是电池供电设备,如:便携式摄像机和照相机,采用交流耦合输出,以降低电池损耗。
接下来的问题是:耦合电容需要多大的电容量。图1中,假定电容储存信号“平均电压”的时间(RC的乘积)大于信号的最小周期。这意味着RC网络的-3dB频率一定比信号的最低频率低6~10倍,以确保稳定的均值。这对电容容量的要求差异很大,举例来说,S视频端子的色度是一个脉冲调制的正弦波,其最低频率大约是2MHz。即使对于75W的负载,也只需要一个0.1mF的电容,除非需要传递行同步脉冲。对于亮度、Cvbs和RGB信号,则向下扩展到视频的帧速率(25~30Hz)。对于一个75W负载,-3dB频率为3~5Hz,这就需要大于1000mF的电容。如果使用的电容过小,会引起显示图像变暗,并可能导致图像扭曲。

视频信号的单电源偏置电路
图2A所示的RC耦合可用于任何视频信号,只要 RC的乘积足够大,运放电源提供足够的正、负电压,传统方案中一般利用双电源供电实现。假定Rs与Ri具有相同的参考地,而且Rs等于Ri与Rf的并联阻值,运放能够抑制所有的共模干扰、保持最小的输出失调电压。-3dB频率等于1/(2pRsC),而且,无论采用多大的耦合电容,电路都能保持它的电源抑制比(PSRR)、共模抑制比(CMRR)和动态范围。大多数视频电路采用了这种方式。
随着数字视频和电池供电装置的出现,负极性电源成为昂贵的电源负担。早期的RC偏置电路如图2B所示,它增加了一个分压器,并假设R1=R2,图2B中的Vcc等于图2A中Vcc与Vee的总和,图2A与图2B很相似,但他们具有不同的交流性能。图2B中Vcc的任何变化都将通过分压比直接影响运算放大器的输入电压,而在图2A中,Vcc允许在运放电源的容限内变化。如果R1=R2,图2B的电源抑制比仅为-6dB,这就要求电源必须稳定,并经过适当滤波。改善交流电源抑制比的一种低成本方法是插入一个隔离电阻(Rx),如图2C,但是它将产生额外的直流失调,除非使Rx完全匹配于Rf和Ri。另外,还需保证Rx


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