应用笔记 4167

摄像系统的模拟视频滤波技术


摘要 : 模拟视频滤波器被广泛应用于摄像系统(如CCTV、安全监控、数字相机(DSC)、便携式数字摄像机(DVC)等)的输出级。随着产品对尺寸和功耗的要求越来越苛刻,设计人员正在不断地将分离方案转换成高集成度的单芯片方案。本文介绍了几种滤波放大器针对摄像系统通用DAC的配置方式,为Maxim各种集成视频滤波器的使用提供一条简单的设计途径,能够满足绝大多数视频应用的需求。

本文还发表在Maxim工程期刊,第62期(PDF,1.1MB)。

在大部分视频系统中,视频编码器的视频输出都含有低通滤波器。这些滤波器用来抑制高频噪声,平滑视频数模转换器(DAC)输出视频信号的上升沿和下降沿。传统的视频系统通常采用分立的无源滤波器。然而,目前绝大多数视频子系统中,视频DAC之后采用集成滤波放大器对视频信号进行滤波、放大。本文详细介绍Maxim为满足多种视频应用需求而提供的各种集成视频滤波放大器。

对于视频摄像系统,视频DAC输出最常见的信号是视频消隐、同步(CVBS)以及亮度/色度(Y/C)复合信号。例1例8详细介绍了8种滤波放大器的配置,具有不同的DAC输出信号直流电平、信号振幅以及交、直流耦合视频信号的组合。集成视频滤波器的常用电源电压是5V或3.3V,对于要求微功耗的应用(例6和例7),可以采用1.8V或2.5V电源对视频滤波放大器供电。这些低功耗应用实例中的滤波放大器(MAX9509)采用了Maxim的DirectDrive®技术,通过内部固定8V/V增益获得2VP-P视频信号。

以下8种配置有几个共同特性:所有输出都在75Ω负载上进行测量。因此,当输出曲线显示1VP-P时,集成滤波放大器的输出为2VP-P。此外,所有滤波器均采用75%的TV NTSC彩条信号作为信号源。


例1:重建滤波器连接视频DAC与视频放大器

例1
详细电路图
(PDF, 115kB)

例1中,视频DAC的输出通过重建滤波器与MAX9502G视频放大器连接。对DAC的视频信号输出进行偏置,使同步头接近地电位。MAX9502G对信号进行滤波放大,得到2VP-P的输出信号,并为信号提供直流偏置。MAX9502G的输出也提供了偏置,其同步头大概高于地电位300mV。在负载处,由于输出端采用75Ω分压结构,该同步头电平变为150mV。MAX9502G是集成度非常高的解决方案,占用很小的电路板面积,能够在绝大多数便携式系统设计中有效节省空间。


例2:视频DAC向视频放大器提供交流耦合信号

例2
详细电路图
(PDF, 111kB)

例2中,视频DAC向MAX9586视频滤波放大器提供交流耦合视频信号。这对于要求交流耦合信号、同步头低于地电位的单电源应用是非常好的解决方案。然而,输出交流耦合信号并没有把黑电平置于地电位;黑电平随着视频信号内容的变化而变化。MAX9586可以驱动两个直流耦合视频负载或一个交流耦合150Ω负载。


例3:例1加上0.5VP-P直流偏置信号

例3
详细电路图
(PDF, 117kB)

例3和例1非常相似,只是其DAC只能输出0.5VP-P的直流偏置信号。这种情况下,具有12dB固定增益的MAX9502M是比较合适的解决方案。负载上的视频信号有直流偏置,同步头大约高于地电位150mV。此外,DAC的视频信号输出必须在地电位以上。MAX9502M可以为一路150Ω对地负载提供2VP-P的视频驱动。


例4:只有一路CVBS或Y信号输出的视频DAC

例4
详细电路图
(PDF, 191kB)

例4提供了一种非常有趣的配置。某些应用中,DAC同时提供Y和C信号,而例4中只有一路输出。这一输出可以在CVBS和Y信号之间进行选择,这样,可以使用求和(合成器)电路产生CVBS信号。在同一输出上很难同时提供这两类信号,也很难在正确的时间对这两类信号进行切换。一般在输出线上采用一个2:1复用器实现这一功能。好在该实例中所使用的MAX9524视频滤波放大器集成了两个模拟单刀单掷开关,可以配置成2:1复用器,从而利用一个芯片就能够适当选择输入,并对其进行滤波放大。由于对Y、C信号求和后无法确定其直流电平;因此,应该在滤波放大之前对视频信号进行交流耦合。交流耦合电容之后的箝位电路建立偏置电平。

设计人员应注意产生CVBS信号的求和电路设计,应仔细考虑Y、C信号的直流偏置电平以及DAC所允许的电压范围。直接连接Y、C信号所产生的CVBS信号会超出DAC电压范围,具体取决于每个信号的直流偏置电平。


例5:具有Y/C至CVBS合成器的多路视频输出

例5
详细电路图
(PDF, 293kB)

例5中的MAX9512有四个独立的输出通道,可理想用于多路视频输出设计。该器件还有一个Y/C至CVBS的合成器,从Y、C信号产生复合视频信号。每路输出可驱动两个直流耦合视频负载,或一个交流耦合150Ω负载。芯片采用了Maxim的SmartSleep技术(图中没有画出),能够对输入信号或输出负载进行检测,相应地接通或关断不同的放大器,从而降低功耗。这一配置常见于提供一路S端子以及两路CVBS输出的应用。


例6:黑电平接近地电位的低功耗设计

例6
详细电路图
(PDF, 115kB)

例6由于采用了MAX9509而使功耗大大降低,该器件采用1.8V单电源供电,平均功耗只有11.7mW。该配置的另一优点是:黑电平接近地电位,输出不需要大的耦合电容,视频信号在-300mV和+700mV之间,与视频信号内容无关。由于放大器内部提供8V/V固定增益,DAC输出幅度应该在0.25VP-P。对于任意类型的DAC,只要改变输出端的端接电阻即可得到这一数值。


例7:一路输出Y、C和CVBS信号

例7
详细电路图
(PDF, 123kB)

对于某些应用,DAC输出只有Y和C信号,但是系统必须提供CVBS信号。在这种应用中,一般的解决方案是利用求和电路产生所需的输出信号。这种解决方案和例4采用的求和电路相似,但是由于所要求的CVBS幅度只有0.25VP-P,以提供适当的电压电平。如果DAC正常输出为1VP-P,改变DAC端接电阻即可很容易地获得0.25VP-P振幅。

例7提供了一个微功耗应用的滤波放大方案。设计人员按比例减小DAC的输出端接电阻,获得合适的输出幅度(0.25VP-P)。由于不确定直流偏置电平(取决于信号和求和电路),应将信号交流耦合至MAX9509。同步头箝位电路对输入信号进行适当的电平偏置。滤波放大器具有DirectDrive功能,放大器输出的黑电平接近于地电位。这样,输出端不需要采用大的耦合电容。因此,MAX9509能够将2VP-P视频信号驱动至150Ω负载。


例8:两路视频输出信号,没有直流偏置

例8
详细电路图
(PDF, 181kB)

对于需要两路视频输出信号的应用(例如,S端子),MAX9583双通道视频滤波放大器提供了一个紧凑的解决方案,如例8所示。MAX9583具有2V/V内部固定增益,因此,适用于1VP-P输出的DAC。该器件的输出可交流耦合至一个150Ω负载或直流耦合到两个视频负载。交流耦合的视频信号不需要任何直流偏置,黑电平随视频内容的变化而变化。


结论

本文重点介绍了目前视频应用中的常见配置。CVBS和Y/C是目前为止这类应用中最常见的输出信号。在某些高端设备中,会有比较少见的YPbPr输出信号,视频信号可以是标准清晰度(SD),也可以是高清晰度(HD)信号。本文虽然没有讨论这些比较少见的应用,但是设计人员应了解这些设计同样有相应的集成解决方案。
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