面向照相手機(jī)的小型低成本集成視頻放大器

德州儀器公司 Ross Wilhelm

照相手機(jī)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在電視屏幕上顯示照片是當(dāng)今照相手機(jī)中一項(xiàng)越來越重要的功能，因?yàn)樗茏屇纫酝钊藵M意地與朋友及家人一起觀看您拍攝的照片。電視輸出功能可以相對較少的成本增加至照相手機(jī)中，并為手機(jī)廠商提供重要的增收機(jī)會。

照相手機(jī)對技術(shù)的要求遠(yuǎn)比典型的視頻應(yīng)用技術(shù)更具挑戰(zhàn)性，并且需要在性能、功耗、印制電路板空間與成本之間進(jìn)行折衷。照相手機(jī)與電視機(jī)機(jī)頂盒中對技術(shù)的要求就可形成鮮明對比。首先，機(jī)頂盒與交流電源相連，故功耗并不是大問題。其次，視頻信號電路板安裝在一個(gè)空間相對較大的盒子中，因此封裝尺寸與所需外部器件數(shù)通常也不那么重要。第三，機(jī)頂盒電源電壓一般為5V（或更高的）單電源，因此給視頻信號留有較大的余地。但在照相手機(jī)中，在以上每個(gè)方面都有特定的設(shè)計(jì)約束。要想成功地將電視輸出功能設(shè)計(jì)至照相手機(jī)中，就必須仔細(xì)考慮這些設(shè)計(jì)約束以及其他技術(shù)與商業(yè)要求。

視頻信號選擇

復(fù)合視頻 (CVBS) 輸出是便攜式應(yīng)用中常用的信號，幾乎所有新型電視機(jī)都帶有復(fù)合視頻輸入插口。盡管稍微有些性能優(yōu)勢，但帶S或分量視頻輸入口的電視機(jī)畢竟較少。另外，S視頻所帶來的少許圖像質(zhì)量改善，也并不足以抵消照相手機(jī)應(yīng)用中的功耗、電路板空間與成本的增加。

頻率響應(yīng)

盡管NTSC/PAL制式的頻率范圍只有5MHz，但仍要求使用寬帶放大器才能在此頻率范圍內(nèi)達(dá)到平坦的頻率響應(yīng)。通常需要用低通或多極濾波器來減少視頻編碼器的“采樣產(chǎn)物”。例如，嵌入在德州儀器公司 (TI) 數(shù)字媒體處理器中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其速度已被提高至27MHz，因此可在視頻信號頻譜中看到由27MHz采樣頻率所產(chǎn)生的“鏡頻”。如果不進(jìn)行任何濾波，則這些采樣產(chǎn)物將被所連接視頻設(shè)備（例如電視機(jī)）中的視頻處理折疊到視頻信號中，并在電視屏幕上產(chǎn)生不希望的圖像失真。而像OPA360等視頻放大器，則帶有一個(gè)內(nèi)部低通或多極放大器，除使信號通過且不產(chǎn)生任何圖像失真外，還能有效地衰減采樣產(chǎn)物。

像集成在OPA360放大器中的2極濾波器，即體現(xiàn)了對采樣產(chǎn)物進(jìn)行可能的衰減與減少芯片尺寸和解決方案成本之間的良好平衡。這種解決方案一般能在27MHz頻率上提供21dB的衰減，并能有效地減少采樣產(chǎn)物。

關(guān)機(jī)模式下的功耗

當(dāng)照相手機(jī)以電視輸出模式工作時(shí)，一個(gè)典型的視頻放大器將消耗5～9mA的電源電流加上用于視頻行驅(qū)動的電流。

在挑選一種用于便攜式視頻設(shè)備的視頻放大器時(shí)，工作模式功耗雖是必須考慮的一項(xiàng)重要因素，但更重要的是視頻功能不啟用時(shí)的功耗。當(dāng)希望在電視屏幕上比較滿意地觀看照片時(shí)，照相手機(jī)一般只與電視機(jī)或投影儀連接。

因此，適合照相手機(jī)應(yīng)用的視頻放大器必須具有關(guān)機(jī)（或休眠）模式，以延長電池工作時(shí)間及充電間隔時(shí)間。關(guān)機(jī)模式源電流在整個(gè)行業(yè)內(nèi)有很大的不同。必須在產(chǎn)品選擇階段仔細(xì)挑選，以確保在關(guān)機(jī)模式下具有很小的靜態(tài)電流。例如OPA360，其靜態(tài)（或關(guān)機(jī)模式）電流即小于5 A。而很多其他視頻放大器則具有50 A或更大的靜態(tài)電流。

解決方案尺寸

由于照相手機(jī)中的印制電路板 (PCB) 空間極為有限，因此任何視頻功能塊的尺寸都必須盡可能地小。帶視頻放大器及必要分立元件的解決方案或許能行，但在照相手機(jī)中卻行不通，因此是能采用更為集成的解決方案。

現(xiàn)代集成解決方案可節(jié)省印制板空間并減少器件數(shù)。圖1顯示一種采用標(biāo)準(zhǔn)視頻運(yùn)放及必要分立元件（包括一個(gè)大而高的220 F耦合電容）的傳統(tǒng)電視輸出功能塊電原理圖。該電容體積很大，不能滿足大多數(shù)照相手機(jī)設(shè)計(jì)的尺寸與成本要求。雖然在機(jī)頂盒等電路板空間足夠大的應(yīng)用中，這不是一個(gè)問題，但在照相手機(jī)中，由于“空間”極為緊張，因此必須考慮可減少總體解決方案尺寸的方法。

OPA360是一種增益為2、帶有集成兩極濾波器與輸入電平轉(zhuǎn)換電路的全集成視頻放大器解決方案。它支持不需要有任何輸出電容的直流耦合輸出，這能進(jìn)一步將該解決方案的尺寸減小至5.5mm2。所需的外部器件是一只極小的100nF電源去耦電容，見圖2。如果采用直流耦合輸出，還可取消其中的兩個(gè)交流耦合電容，見圖3。
低電源電壓

現(xiàn)代手機(jī)設(shè)計(jì)中一般不采用5V單電源。電源電壓通常為3.3V且有時(shí)還會更低。低電源電壓對放大器及其輸出高質(zhì)量視頻信號的能力提出了特殊的要求。而視頻放大器輸出上2Vp-p的信號擺幅，也要求采用更低的電源電壓。必須增加正向飽和限制來適應(yīng)輸出中的場傾斜，故中沉校正交流耦合解決方案中的實(shí)際源電壓設(shè)計(jì)限制大約為3.3V。由于直流耦合輸出沒有場傾斜，故它能安全地在2.8~3.0V源電壓上工作。

內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換

嵌入在數(shù)字媒體處理器中的很多常用視頻DAC（例如TI公司的數(shù)字媒體處理器與新型OMAP處理器等），無需任何負(fù)電源電壓即可在低、單電源電壓上工作。一般地講，視頻DAC同步脈沖輸出的點(diǎn)與0V相對應(yīng)。但不幸的是，典型單電源高速運(yùn)放的輸出卻不能向下擺動至0V。因此如果以0V輸入來驅(qū)動，則放大器輸出級將飽和并使同步脈沖底部限幅，從而降低視頻信號的完整性。

TI公司的OPA360在輸入級擁有一個(gè)60mV的電平轉(zhuǎn)換器，且在帶有150 視頻負(fù)載的輸出上擁有25mV的到地?cái)[幅。這種組合使放大器能連續(xù)地在線性區(qū)域工作，并提供完整的視頻信號。電平轉(zhuǎn)換器使OPA360很容易直流耦合至輸出上，而不會降低視頻性能，見圖4。

交流耦合與直流耦合選擇

帶中沉校正的交流耦合輸出

自從有電視以來，交流耦合即是一種用來連接視頻信號的經(jīng)典方法。如果設(shè)計(jì)工程師選擇用一個(gè)傳統(tǒng)視頻放大器來交流耦合輸出，則需要用一個(gè)220 F或470 F的大電容。這些電容不僅體積龐大而且價(jià)格昂貴，一般只在機(jī)頂盒（例如）等空間較大的設(shè)備中使用。

在現(xiàn)代便攜式視頻應(yīng)用中，利用一種稱為“中沉校正”的技術(shù)、通過用兩個(gè)小輸出耦合電容來取代傳統(tǒng)大輸出電容，可減少整個(gè)解決方案的尺寸。傳統(tǒng)220 F電路會在5Hz處產(chǎn)生一個(gè)低頻極點(diǎn) 3dB頻率）。如果此電容做得很小，則在關(guān)鍵50～100Hz范圍內(nèi)的過度相移會產(chǎn)生場傾斜，而這種場傾斜又會干擾電視接收機(jī)中同步信號的正常恢復(fù)。像照相手機(jī)這種低、單電源電壓應(yīng)用中的過度場傾斜，可導(dǎo)致輸出限幅并嚴(yán)重降低視頻性能。 例如OPA360中所采用的中沉電路，即可在20Hz區(qū)域產(chǎn)生幅度響應(yīng)峰值。這種通常只有十分之幾dB的小幅度尖峰，可對關(guān)鍵50～100Hz范圍內(nèi)的相位響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而極大地減少場傾斜。請注意，此時(shí)只需要使用兩只體積與成本小得多的電容，因此很容易安裝到照相手機(jī)中。為獲得良好的視頻性能，可采用一只22 F的中沉電容與一只47 F的耦合電容。圖5顯示帶220 F耦合電容的標(biāo)準(zhǔn)視頻電路與帶中沉校正電路的放大器性能比較。請注意，其信號基本相同。

直流耦合輸出：一種較佳方式

盡管用中沉校正交流耦合法可節(jié)省一定的空間，但采用直流耦合輸出卻能獲得視頻性能與整體解決方案尺寸。直流耦合視頻輸出并不是一個(gè)新概念，可在其他許多大批量應(yīng)用中找到，例如PC圖形卡、筆記本電腦圖形卡以及數(shù)碼相機(jī)等。直流耦合可用前面介紹的OPA360中的電平轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換通過將輸入信號轉(zhuǎn)換至輸出線性工作范圍內(nèi)，而能防止由輸出級飽和所引起的視頻同步信號限幅。直流耦合輸出在電路板空間有限的便攜式視頻應(yīng)用中顯得尤為重要。若采用SC70封裝的OPA360，則總解決方案尺寸可小于5.5mm2。

直流耦合輸出配置還能提供視頻性能。如圖6所示，其中沒有行或場傾斜，因而允許采用電源電壓。在此模式中，OPA360可在低至2.8V的源電壓上提供出色的視頻保真度，且沒有信號限幅。直流耦合輸出的一個(gè)小缺點(diǎn)是，其工作模式下的電源電流要稍高一些，但關(guān)機(jī)（休眠）模式下的靜態(tài)電流一樣。

小結(jié)

要想成功地將一種高性能視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)到便攜式應(yīng)用中，必須仔細(xì)考慮各種細(xì)節(jié)。在低電源電壓與封裝尺寸有限的情況下，集成解決方案明顯優(yōu)于分立解決方案。功耗，尤其是關(guān)機(jī)模式下的功耗，對于延長電池工作時(shí)間極為關(guān)鍵。，可用直流耦合輸出來實(shí)現(xiàn)成本、性能及整體尺寸解決方案。集成特性與設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力組合，使TI公司的OPA360放大器特別適合于在照相手機(jī)的電視輸出功能塊中使用。