掌握視頻信號(hào)的箝位、偏置和交流耦合

摘要：本文闡述了視頻信號(hào)的箝位、偏置和交流耦合，與之對(duì)應(yīng)的適當(dāng)?shù)男盘?hào)，雙電源和單電源供電的優(yōu)缺點(diǎn)，以及為什么某些電路更適合特定的應(yīng)用。

為什么要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行交流耦合？

如果你還沒(méi)有問(wèn)過(guò)這個(gè)問(wèn)題，那么你該問(wèn)一下。如果其原因是政府命令、用戶指定或工業(yè)協(xié)議，那么你的選擇大概是正確的！在不少情況下，是因?yàn)橄到y(tǒng)采用了單電源供電，使你覺(jué)得必須采用交流耦合。也許你還可以選擇雙電源供電，因?yàn)椴捎脝坞娫垂╇娨馕吨獙?duì)視頻信號(hào)進(jìn)行交流耦合，這將降低視頻質(zhì)量。

因此，在作出進(jìn)一步的決定之前，先來(lái)看一些實(shí)際情況。單電源電路由單電源供電，例如數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，DAC的輸出可以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換(一種直流工作模式)，以確保輸出在地電平以上的動(dòng)態(tài)范圍。在具體實(shí)施中，常見(jiàn)的錯(cuò)誤觀點(diǎn)是：運(yùn)算放大器可以檢測(cè)地電平以下的信號(hào)，因此，可以在輸出中重現(xiàn)該信號(hào)。這種觀點(diǎn)是不正確的。集成的單電源方案才是真正的解決方法，但是業(yè)界將不得不接受視頻輸出的DC失調(diào)電平，這與歐洲的SCART類(lèi)似(SCART是由法國(guó)公司Peritel開(kāi)發(fā)的視聽(tīng)設(shè)備互連工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))。

當(dāng)然，視頻信號(hào)的交流耦合會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題。信號(hào)的DC電平在設(shè)定圖像亮度之后必須重建，并確保信號(hào)落在下一級(jí)的線性工作區(qū)內(nèi)。這種操作被稱作“偏置”，根據(jù)視頻信號(hào)波形以及偏置點(diǎn)所需的精度和穩(wěn)定性，可以采用不同的電路。音頻信號(hào)等正弦波信號(hào)可以使用阻容(RC)耦合來(lái)建立穩(wěn)定的偏置電壓。

不幸的是，S視頻中只有色度信號(hào)(C)近似于一個(gè)正弦波。亮度(Y)、復(fù)合信號(hào)(Cvbs)和RGB都是復(fù)雜波形，從一個(gè)參考電平沿著一個(gè)方向變化，而在參考電平以下還可以疊加一個(gè)同步波形。這種信號(hào)需要一種專(zhuān)門(mén)用于視頻信號(hào)的偏置方法，被稱作箝位，因?yàn)樗鼘⑿盘?hào)的一個(gè)極值“箝位”在基準(zhǔn)電壓，而另一個(gè)極值仍可以變化。經(jīng)典形式就是二極管箝位，其中二極管由視頻的同步信號(hào)激活。不過(guò)還有其他的箝位形式。

例如，色差信號(hào)(Pb和Pr)和圖形RGB信號(hào)采用“鍵控箝位”處理更好。該電路用開(kāi)關(guān)替代二極管，可以采用外部控制，使用外部(定時(shí))信號(hào)箝位視頻。最后一種偏置方法，被稱作“DC恢復(fù)”，在鍵控箝位中加入了反饋，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)之前改善偏置點(diǎn)精度。

視頻信號(hào)的交流耦合

當(dāng)信號(hào)采用交流耦合時(shí)，耦合電容存貯了(信號(hào))平均值之和，以及信號(hào)源與負(fù)載之間的DC電勢(shì)差。圖1用來(lái)說(shuō)明交流耦合對(duì)不同信號(hào)偏置點(diǎn)的穩(wěn)定性的影響。圖1所示是正弦波和脈沖分別交流耦合到接地電阻負(fù)載時(shí)的不同之處。


圖1. 簡(jiǎn)單的RC耦合用于正弦波與脈沖時(shí)得到不同的偏置點(diǎn)

開(kāi)始時(shí)，兩種信號(hào)都圍繞相同電壓變化。但是通過(guò)電容之后得到了不同的結(jié)果。正弦波圍繞半幅值點(diǎn)變化，而脈沖圍繞與占空比成函數(shù)關(guān)系的電壓變化。這意味著如果采用了交流耦合，占空比變化的脈沖將比相同幅值頻率的正弦波需要更寬的動(dòng)態(tài)范圍。因此，所有用于脈沖信號(hào)的放大器最好采用直流耦合，以保持動(dòng)態(tài)范圍。視頻信號(hào)與脈沖波形類(lèi)似，也適合采用直流耦合。

圖2給出了常見(jiàn)的視頻信號(hào)，以及視頻接口處的標(biāo)準(zhǔn)幅值(見(jiàn)EIA 770-1、2和3)。S視頻中的色度、分量視頻中的Pb和Pr，類(lèi)似于正弦波圍繞基準(zhǔn)點(diǎn)變化，如上文所述。而亮度(Y)、復(fù)合信號(hào)與RGB僅在0V (被稱作“黑色”或“消隱”電平)至+700mV之間正向變化。這里延用了業(yè)界的默許協(xié)議，而不是任何標(biāo)準(zhǔn)。請(qǐng)注意這些信號(hào)都是復(fù)雜波形，具有同步間隔，盡管該同步間隔可能不被定義或使用。例如，圖2給出了NTSC和PAL制式下使用的具有同步頭的RGB。在PC (圖形)應(yīng)用中，同步是單獨(dú)的信號(hào)，不與RGB疊加。在單電源應(yīng)用中，例如DAC輸出，在同步間隔內(nèi)靜態(tài)電平可能不同。這將影響偏置方式的選擇。例如，若雙電源應(yīng)用中，同步間隔內(nèi)色度的靜態(tài)電平不是0V，那么色度信號(hào)將更接近脈沖而不是正弦波。


圖2. 用來(lái)說(shuō)明同步間隔、有效視頻、同步頭和后沿的RGB (a)、分量(b)、S視頻(c)與復(fù)合(d)視頻信號(hào)。

盡管存在上述復(fù)雜因素,視頻信號(hào)仍需交流耦合到電壓變化的位置.通過(guò)直流耦合連接兩個(gè)不同電源的電路存在很大的危險(xiǎn)性,這在安全性規(guī)則中是嚴(yán)格禁止的.所以,視頻設(shè)備制造商有一個(gè)默許的規(guī)則,即視頻信號(hào)的輸入采用交流耦合,而視頻輸出直流耦合到下一級(jí),重新建立直流成分,請(qǐng)參考EN 50049-1 (PAL/DVB [SCART])和SMPTE 253M第9.5章(NTSC)，允許提供直流輸出電平。若無(wú)法建立這樣的協(xié)議，將導(dǎo)致“雙重耦合”，即兩個(gè)耦合電容出現(xiàn)串聯(lián)，或?qū)е露搪?，即沒(méi)有電容。該規(guī)則唯一的例外是電池供電設(shè)備，例如便攜式攝錄機(jī)和照相機(jī)，為了降低電池?fù)p耗而使用交流耦合輸出。

接下來(lái)的問(wèn)題是這個(gè)耦合電容應(yīng)該多大？圖1中，該電容存貯了信號(hào)“平均電壓”的假定，是根據(jù)RC乘積大于信號(hào)的最小周期得到的。為了確保準(zhǔn)確的平均，RC網(wǎng)絡(luò)的低-3dB點(diǎn)必須低于信號(hào)最低頻率6到10倍。然而，這將導(dǎo)致大范圍的電容值。

例如，S視頻中的色度是相位調(diào)制正弦波，其最低頻率約2MHz。即便使用75Ω負(fù)載，也只需要0.1μF，除非需要使水平同步間隔通過(guò)。與之相反，Y (亮度)、Cvbs (復(fù)合信號(hào))和RGB的頻率響應(yīng)向下擴(kuò)展到視頻幀頻(25Hz至30Hz)。假定75Ω負(fù)載，并且-3dB點(diǎn)在3Hz至5Hz，這就需要大于1000μF的電容。使用過(guò)小的電容會(huì)引起顯示圖像從左到右、從上到下變暗，并可能使圖像在空間上產(chǎn)生失真(取決于電容量)。在視頻中，這被稱作行彎曲與場(chǎng)傾斜。為了避免可見(jiàn)的偽信號(hào)，其電平必須小于1%至2%。

用于視頻的單電源偏置電路

如圖3a所示，只要RC乘積足夠大，RC耦合對(duì)任意視頻信號(hào)都有效。另外，與之相應(yīng)的運(yùn)放電源范圍必須足以處理信號(hào)平均值附近的負(fù)向和正向偏移。過(guò)去，這是通過(guò)運(yùn)放使用雙電源實(shí)現(xiàn)的。假定RS與Ri以相同的地為參考，并等于Ri與Rf的并聯(lián)值，則運(yùn)放可以抑制共模噪聲(即具有較高的共模抑制比[CMRR])，并具有最小的失調(diào)電壓。低-3dB點(diǎn)為1/(21RSC)，并且，不論耦合電容的尺寸大小，電路都可以保持其電源抑制比(PSRR)、CMRR和動(dòng)態(tài)范圍。絕大多數(shù)視頻電路采用這種方法構(gòu)建，而且絕大多數(shù)交流耦合視頻的應(yīng)用仍然采用這種方式。

隨著數(shù)字視頻和電池供電裝置的出現(xiàn)，負(fù)電源就成了降低成本與功耗的負(fù)擔(dān)。RC偏置的早期嘗試與圖3b類(lèi)似，其中使用了分壓器。假定圖3a中R1 = R2，且VCC等于VCC與VEE之和，這兩個(gè)電路是相似的。但是兩者的交流性能是不同的。例如，圖3b中VCC上的任何變化將直接導(dǎo)致運(yùn)放輸入電壓按照一定的分壓比變化，而圖3a中，該變化被運(yùn)放的電源余量吸收了。R1 = R2時(shí)，圖3b的PSRR只有-6dB。因此，電源必須經(jīng)過(guò)濾波與良好的穩(wěn)壓。

為了改善交流PSRR (圖3c)，插入一個(gè)隔離電阻(RX)是低成本的替代方法。不過(guò)，除非與Rf和Ri的并聯(lián)值匹配，否則這種方法會(huì)帶來(lái)額外的直流失調(diào)。更麻煩的是，這還需要RxC1與C2Ri的乘積必須小于3Hz至5Hz，如上文所述。盡管該電路中更大的旁路電容(C3)需要更小的RX，并降低了失調(diào)電壓，但同時(shí)也使C1增大。在使用電解電容的低成本設(shè)計(jì)中可以采用這種方法。

另一種選擇是圖3d，它用3端穩(wěn)壓器替代了分壓器，并將PSRR擴(kuò)展到低至DC。穩(wěn)壓器的低輸出阻抗在降低電路失調(diào)電壓的同時(shí)，使RX更接近Rf和Ri的并聯(lián)值。因?yàn)镃3的唯一目的是降低穩(wěn)壓器噪聲，并以頻率的函數(shù)補(bǔ)償穩(wěn)壓器的輸出阻抗(Zout)，所以其值小于圖3c中的值。不過(guò)C1和C2仍很大，并且對(duì)低于RiC1乘積的頻率，CMRR存在較大的問(wèn)題，另外還有穩(wěn)定性問(wèn)題。


圖3. RC偏置技術(shù)，包括雙電源(a)、使用分壓器的單電源(b)、低失調(diào)的分壓器(c)以及改善了PSRR的穩(wěn)壓源(d)。

根據(jù)上述內(nèi)容，雙電源供電交流耦合比單電源方法更好(考慮共模抑制與電源抑制)—不考慮具體應(yīng)用。

視頻箝位

亮度、復(fù)合信號(hào)與RGB信號(hào)在黑色(0V)參考電平與帶有同步頭(-300mV)的最大值(+700mV)之間變化。但是，與圖1占空比變化的脈沖相似，若這些信號(hào)是交流耦合的，偏置電壓會(huì)隨視頻內(nèi)容而變化(被稱為平均圖像電平或APL)，并會(huì)丟失亮度信息。需要有一個(gè)電路電路將黑色電平保持為常數(shù)，不隨視頻信號(hào)或同步頭幅度的變化而變化。

圖4a所示電路被稱作二極管箝位，試圖通過(guò)二極管(CR)代替電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。該二極管相當(dāng)于單向開(kāi)關(guān)。這樣，視頻信號(hào)的大部分負(fù)向電壓、水平同步頭被強(qiáng)制為地。因此該電路又被稱作同步頭箝位。假定同步電壓(-300mV)不變，而且二極管的導(dǎo)通電壓為零，這將使參考電平(0V)保持恒定。雖然不能控制同步電平，但是可以降低導(dǎo)通電壓，即通過(guò)將箝位二極管放在運(yùn)放的反饋回路實(shí)現(xiàn)“有源箝位”。這樣做的主要問(wèn)題是：如果匹配電路不正確則有可能產(chǎn)生自激，并且在分立設(shè)計(jì)中很少采用。集成方案可以進(jìn)行補(bǔ)償，具有更高的可靠性。(例如MAX4399和MAX4090。)

若同步電平變化或不存在，二極管可以用開(kāi)關(guān)替代—―通常使用受外部信號(hào)控制的FET (圖4b)。這就是鍵控箝位，控制信號(hào)是鍵控信號(hào)。鍵控信號(hào)與同步脈沖一致，這就實(shí)現(xiàn)了同步箝位。與二極管箝位不同的是，這種方法可以在同步間隔的任意位置使能，而不僅僅在同步頭。如果鍵控信號(hào)出現(xiàn)在視頻信號(hào)是黑色電平時(shí)(圖4c)，則得到“黑色電平箝位”。這種方法最為通用、接近理想模型。開(kāi)關(guān)不具備二極管的導(dǎo)通電壓，可以真正實(shí)現(xiàn)黑色電平箝位。

加入一個(gè)直流電壓源(Vref)為色度、Pb與Pr以及復(fù)合信號(hào)和亮度信號(hào)設(shè)定偏置。其缺點(diǎn)是需要同步隔離器獲得鍵控信號(hào)，而在某些應(yīng)用中這就不夠準(zhǔn)確了。若正在量化視頻信號(hào)，則希望黑色電平保持在±1最低有效位(LSB)或在±2.75mV內(nèi)。箝位得不到這樣的精度。

用來(lái)為視頻信號(hào)提供偏置的另一種方法稱作直流恢復(fù)，可以實(shí)現(xiàn)接近±1 LSB的黑色電平精度。圖4d中需要注意的第一點(diǎn)是，該電路中沒(méi)有耦合電容。取而代之，U2用來(lái)比較第一級(jí)(U1)的直流輸出和某個(gè)電壓(Vref)，并對(duì)U1施加負(fù)反饋，強(qiáng)制輸出跟蹤該電壓，而與輸入電壓無(wú)關(guān)。顯然，若回路連續(xù)運(yùn)行，將得到直流電平。可以在反饋回路中插入一個(gè)開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)僅在每行需要設(shè)定為Vref的點(diǎn)(同步頭或黑電平)瞬時(shí)關(guān)閉。該電壓由電容(C)存貯，但該電容并未與輸入串聯(lián)，而是通過(guò)切換反饋回路以采樣-保持(S/H)形式出現(xiàn)。


圖4. 不同形式的視頻箝位：a) 二極管或同步頭箝位；b) 用作同步頭箝位的帶基準(zhǔn)電壓的鍵控箝位；c) 用作黑色電平箝位的鍵控箝位；d) 直流恢復(fù)

圖5的實(shí)現(xiàn)電路實(shí)際上由兩個(gè)電容(Chold和Cx)，兩個(gè)運(yùn)放(U1和U2)，以及一個(gè)S/H組成。真正的比較與信號(hào)平均由Rx、Cx和U2完成。RC乘積根據(jù)噪聲平均選擇。對(duì)16ms的場(chǎng)信號(hào)(NTSC/PAL)，RC乘積應(yīng)大于200ns。因此U2是根據(jù)低失調(diào)電壓/電流與穩(wěn)定性來(lái)選擇的低頻器件，而不是根據(jù)其頻率響應(yīng)特性來(lái)選擇。(MAX4124/25是這種應(yīng)用的良好選擇。) 另一方面，U1根據(jù)其頻率響應(yīng)，而不是失調(diào)進(jìn)行選擇。S/H和Chold本身的選擇依據(jù)其泄漏特性，即在每行引起的電壓變化(下降)。圖中電路使用雙電源供電，該電路也可以使用精確的電平轉(zhuǎn)換，用單電源形式實(shí)現(xiàn)。


圖5. 直流恢復(fù)電路的實(shí)現(xiàn)，使用兩個(gè)電容、兩個(gè)運(yùn)放和一個(gè)S/H

直流恢復(fù)的最大問(wèn)題是恢復(fù)的電平—Vref黑色視頻電平—是模擬量，與其在數(shù)字域中的數(shù)值無(wú)關(guān)。為了進(jìn)行修正，通常與鍵控箝位一樣，用DAC產(chǎn)生Vref，直流恢復(fù)可以用于任何視頻信號(hào)(帶或不帶同步)，并可以在波形的任意位置使能— 足以滿足放大器和S/H的快速響應(yīng)。