[圖文]視頻設(shè)計(jì)中的交流耦合(圖)

變電壓、業(yè)界協(xié)議以及對直流隔離的需求決定了電子工程師采用交流耦合的時(shí)機(jī)與方式

目前，在視頻系統(tǒng)（機(jī)頂盒、PVR、TV等）的設(shè)計(jì)中采用集成式視頻濾波器/驅(qū)動(dòng)器有多種耦合與鉗位配置方式，例如輸入交流或直流耦合、輸出交流或直流耦合、各種輸入箝位和偏壓配置等。對于這些配置方式，設(shè)計(jì)者首先需要判斷幾個(gè)方面的問題。

如果設(shè)計(jì)者準(zhǔn)備采用交流耦合輸入的方式，那么他必須清楚的是，輸入視頻信號的直流成份將會(huì)發(fā)生損耗，因此必須通過濾波器/驅(qū)動(dòng)器的輸入偏壓和鉗位電路對直流偏壓電平進(jìn)行設(shè)置。如果濾波器輸入沒有鉗位和偏壓電路或者有源直流恢復(fù)環(huán)路，那么就需要增加一個(gè)外部偏壓網(wǎng)絡(luò)，以便正確設(shè)置共模輸入電平。

交流耦合
通過交流耦合將模擬視頻輸入信號耦合輸入某一設(shè)備中，這種方式在視頻和圖像處理系統(tǒng)中非常常見，它允許接收器設(shè)置其自身最優(yōu)的偏壓電平（在電容的設(shè)備一側(cè)），而不受驅(qū)動(dòng)信號的直流偏壓電平的影響。例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的接收器可以將視頻信號的鉗位或消隱電平設(shè)為等于內(nèi)部ADC的編碼零電壓，而不管驅(qū)動(dòng)信號的絕對直流電平是多少。

另外一種情形是純模擬系統(tǒng)，其中接收器可能希望將模擬信號的共模電平設(shè)置為V_CC/2左右，以獲得最優(yōu)的信號處理余量。接收器還能夠?qū)ⅰ般Q位”電平與預(yù)設(shè)的直流參考電壓匹配起來，實(shí)現(xiàn)兼容而穩(wěn)定的直流輸出電壓。通過阻斷直流分量，接收器能夠防止自身對直流電流的潛在破壞。

圖 三種支持板級鉗位電路的視頻濾波電路，分別為輸入和輸出交流耦合配置（A）；SAG模式下的工作配置（B）；直接耦合方法（C）。

電容的選擇
現(xiàn)在我們來分析如何選擇合適的電容，實(shí)現(xiàn)視頻輸入信號與圖(A)視頻濾波器/驅(qū)動(dòng)器器件的耦合。為了限制與交流耦合相關(guān)的低頻偏斜（傾斜），我們必須正確設(shè)置3dB下截止頻率的位置。

在這里，視頻信號的帶寬要求采用一個(gè)足夠大且能夠通過最小頻率的電容，這一頻率是50Hz或60Hz的幀速率。輸入電路包括交流耦合電容和視頻濾波器的輸入阻抗。

在計(jì)算3dB下截止頻率時(shí)，設(shè)計(jì)者可以使用公式f=1/2πRC。如果使用  0.1μF的電容和800kΩ的輸入阻抗，那么可以計(jì)算出2Hz的截止頻率，這一結(jié)果足以通過50或60Hz的幀速率。

由于在較高的頻率下電容會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，因此我們不必?fù)?dān)心高頻滾降問題。在大多數(shù)應(yīng)用中，具有極低ESR的0.1μF耦合鉭電容就足以勝任這一工作。

在選擇正確的輸入耦合電容之后，下一步是選擇輸出耦合電容的值。假設(shè)在這里器件需要驅(qū)動(dòng)一個(gè)75Ω后設(shè)終端的傳輸線，那么輸出電容的有效電阻為150Ω。

由于該負(fù)載是阻抗相對較低的傳輸線——另外我們?nèi)匀恍枰ㄟ^50或60Hz的幀速率——因此，所需的輸出耦合電容相對較大。如果使用之前我們在計(jì)算輸入耦合電容時(shí)采用的計(jì)算方法——這里使用220μF的耦合電容和150Ω的負(fù)載——我們可以計(jì)算出轉(zhuǎn)角頻率為  4.8Hz，這一結(jié)果對于通過上述幀速率同樣是足夠的。

大多數(shù)應(yīng)用都需要更嚴(yán)格的場傾斜指標(biāo)，并使用470μF或1000μF的器件作為耦合電容。交流耦合輸出要求接收器設(shè)置輸入端為共模電壓，這是與輸入視頻信號的直流電平無關(guān)的。

75Ω的串聯(lián)端接電阻應(yīng)該放在距離濾波器/驅(qū)動(dòng)器輸出端盡可能近的地方。這樣有助于隔離下游的寄生電容和來自各種器件輸出時(shí)的電感，實(shí)現(xiàn)最佳的信號狀態(tài)。

SAG模式
交流耦合輸出方式有一些缺點(diǎn)，包括需要大號的昂貴電容、有信號傾斜或偏斜問題（除非使用非常大的耦合電容）、損失視頻信號的直流分量等。如果采用交流耦合方式，我們可能需要一種具有SAG功能的視頻濾波器，如圖（B）所示。

SAG功能是與器件電路相結(jié)合的一種反饋網(wǎng)絡(luò)，它能夠避免使用非常大的耦合電容。利用SAG功能，我們可以使用非常小的電容，電容值將比普通的交流耦合電容配置低10倍左右。

在SAG模式下配置的視頻濾波器通常呈現(xiàn)9dB的直流增益（3x），在25Hz左右會(huì)回到正常的6dB增益（2x）。當(dāng)這種濾波器用于采用3V電源電壓的移動(dòng)設(shè)備中時(shí)就會(huì)帶來一個(gè)問題，因?yàn)槠骷敵龆耍ㄔ谪?fù)載之前）的偏移電壓處于750mV左右。

典型的視頻輸入信號是1Vp-p。濾波器/驅(qū)動(dòng)器具有2x的增益，這一增益使得輸出信號為2Vp-p再加上750mV的直流偏移量，產(chǎn)生2.75V的高邊信號。

這種情形會(huì)驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)入低至    2.7V的Vcc電壓，并開始夾斷視頻信號的頂部，從而引起不希望出現(xiàn)的信號失真現(xiàn)象。通過在SAG引腳和Vcc’之間設(shè)置一個(gè)電阻就可以克服這一偏移電平，該電阻將把直流偏移電平降低到一個(gè)范圍，防止輸出信號在正常的電源電壓范圍內(nèi)被夾斷。

替代方法
交流耦合視頻信號的另外一種替代方法就是采用如圖（C）所示的直接耦合方法。市場上有很多可用器件，既可以用于交流耦合也可以用于直流耦合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用。

直流耦合的目的在于通過一個(gè)單端參考地的輸入信號來驅(qū)動(dòng)器件。視頻/圖像DAC的標(biāo)準(zhǔn)電流模式輸出就是一個(gè)例子。

這些常見的DAC器件采用雙重端接75Ω負(fù)載（37.5Ω）作為電流型DAC的負(fù)載，產(chǎn)生輸出電壓。因此，這類系統(tǒng)中的DAC輸出具有已知的參考地的直流電平。

這一系列的視頻濾波/驅(qū)動(dòng)器件能夠很好的支持視頻DAC輸出，具有下列優(yōu)勢：
● 不需要輸入耦合電容；
● 沒有隱含的箝位穩(wěn)定時(shí)間；
● 沒有輸入電容放電導(dǎo)致的傾斜問題；
● 沒有輸入阻抗限制；
● 不需要片上同步剝離器、電荷泵電路和伺服環(huán)路。

直流耦合輸出是將視頻信號饋入視頻媒體設(shè)備最直接的方法。這種方法不需要增加耦合電容，能夠?qū)]有傾斜的信號傳送給媒體設(shè)備。

這一方法也有一些缺點(diǎn)，例如，接收器必須要知道輸入的直流電平才能正確處理視頻信號，另外它對輸出電壓的絕對直流電平?jīng)]有反饋控制，而這一電平可能會(huì)隨著系統(tǒng)溫度和電源電壓的變化而發(fā)生改變。大多數(shù)媒體設(shè)備都在輸入端采用交流耦合的方式，然后在ADC上采用視頻信號的直流恢復(fù)值實(shí)現(xiàn)正確的色彩控制。

因此，直流耦合輸出信號可能是最劃算和直接的視頻信號耦合方法。此外，直流耦合還消除了輸出信號被兩次交流耦合的問題：一次在濾波器/驅(qū)動(dòng)器的輸出端，另一次在媒體設(shè)備的輸入端。