新一代視頻濾波放大器延長手持式視頻系統(tǒng)的電池壽命

越來越多的便攜式設(shè)備（如數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)和便攜式媒體播放器）正在增加復(fù)合視頻輸出連接。在這些器件中，視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）產(chǎn)生復(fù)合視頻信號，在到達(dá)輸出連接器之前必須對其進(jìn)行低通濾波和放大。設(shè)計(jì)工程師在選擇視頻濾波放大器時(shí)已經(jīng)考慮了功耗、總成本、尺寸和視頻質(zhì)量。本文重點(diǎn)介紹新一代視頻濾波放大器如何延長電池壽命，并介紹對下一代便攜式設(shè)備的額外要求。

越來越多的便攜式設(shè)備，如數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)和便攜式媒體播放器，正在增加復(fù)合視頻輸出連接。在此類設(shè)備中，視頻濾波放大器跟隨生成視頻信號的視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。如今的3.3V視頻濾波放大器在處理視頻信號時(shí)消耗約45mW的功率，這會導(dǎo)致電池電量的大量消耗。

電池壽命是所有便攜式設(shè)備的重要問題，任何可以延長電池壽命的系統(tǒng)IC都提供了重要的好處。它使手持系統(tǒng)對用戶更具吸引力，因?yàn)樵O(shè)備插入充電的頻率較低，因此用戶可以更加移動。延長電池壽命還意味著丟棄的一次性電池更少，對電網(wǎng)充電可充電電池的依賴性降低，這兩者都對環(huán)境產(chǎn)生積極影響。Maxim最新一代視頻濾波放大器工作在1.8V，功耗僅為12mW，與目前的70.3V視頻濾波放大器相比，功耗降低了近3%。

所有的力量都去哪兒了？

在最簡單的分析中，每個(gè)電路都會消耗功率來運(yùn)行和驅(qū)動負(fù)載。在圖 1 中，電源提供總電流 （IT） 到電路，其中 IQ是運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流，IL是負(fù)載電流。

圖1.圖中顯示了一個(gè)單電源運(yùn)算放大器，其阻性負(fù)載接地。

功率的計(jì)算方法是將電流乘以電源電壓。靜態(tài)功耗（PQ）、負(fù)載功耗（PL），以及總功耗（PT） 使用以下公式計(jì)算到一階：

PQ= VDD× IQ
PL= VDD× IL
PT= PQ+ PL= VDD×（IQ+ IL)

為了最小化實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)際功耗，兩者PQ和 PL必須減少。減少 V 的任意組合DD我Q，和我L實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目的。

通常，IC數(shù)據(jù)手冊僅提供IQ或 PQ;它們幾乎從不描述典型信號和典型負(fù)載的平均功耗。PQ對于任何便攜式視頻濾波放大器來說，這些信息幾乎都是無用的，因?yàn)殡娐芬刺幱陉P(guān)斷狀態(tài)，要么處于完全使能狀態(tài)（定義為當(dāng)視頻濾波放大器將視頻信號驅(qū)動到視頻負(fù)載時(shí)）。為了節(jié)省電池電量，如果沒有視頻負(fù)載，視頻濾波放大器應(yīng)處于關(guān)斷狀態(tài);在沒有視頻負(fù)載時(shí)啟用視頻濾波放大器會浪費(fèi)電池。

3.3V視頻濾波放大器的功耗

當(dāng)3.3V視頻濾波放大器將視頻信號驅(qū)動到視頻負(fù)載時(shí)，其功耗會增加，如表1所示。平均功耗定義為視頻濾波放大器將50%平場視頻信號驅(qū)動至150Ω負(fù)載至地的條件。50%平場信號在電視上顯示為灰屏，用作典型視頻信號的代理。（PL取決于圖片內(nèi)容。黑屏需要最少的電量，而白屏需要的電量最多。請注意，在表1中，這些器件的平均功耗非常相似，盡管它們的PQ差異很大。

表 1.各種視頻濾波放大器的平均和靜態(tài)功耗

將視頻信號驅(qū)動到視頻負(fù)載的功耗增加在很大程度上取決于視頻放大器的輸出風(fēng)格。MAX9502輸出具有正直流偏置的視頻信號（見圖2）。保持輸出信號的正直流偏置會導(dǎo)致總功耗增加。因此，MAX9502必須提供約8.7mA電流（通過將圖2b中的藍(lán)色大線表示的電壓除以150Ω來計(jì)算）。

圖2.MAX9502G應(yīng)用電路顯示50%平場信號的輸入和輸出。

圖 2a.這50%平場波形被輸入到正在考慮的視頻濾波放大器中。

圖 2b.在MAX9502G的輸出波形中，藍(lán)線表示50%平場信號的近似直流平均值。

在其輸出端，OPA360（在表 1 中）可以與由兩個(gè)交流耦合電容器組成的 SAG 網(wǎng)絡(luò)配合使用（圖 3）。這些電容器斷開輸出和負(fù)載之間的直流連接。因此，放大器不需要源出或吸收任何電流來維持輸出端的偏置，從而最大限度地減少功率增加。

圖3.在給定 50% 平場信號的情況下，OPA360 應(yīng)用電路可最大限度地減少功率增加，因?yàn)殡娙萜鲿嚅_輸出和負(fù)載之間的直流連接。

圖 3a.OPA360 的輸出波形包含一條藍(lán)線，表示 50% 平場信號的近似直流平均值。

MAX9503采用Maxim的DirectDrive技術(shù)，輸出接近零直流偏置的視頻信號，但不需要任何交流耦合電容（見圖4）。該技術(shù)允許MAX9503將輸出拉至地電位以下，因?yàn)槠瑑?nèi)反相電荷泵產(chǎn)生負(fù)電源電壓。雖然直接驅(qū)動增加了PQ，MAX9503的平均功耗與MAX9502和OPA360相同，因?yàn)長更低。MAX9503需要提供較少的電流，因?yàn)橹绷髌媒咏仉娢弧?/p>

圖4.50%平場信號通過MAX9503G應(yīng)用電路處理。

圖 4a.MAX9503G的輸出波形有一條藍(lán)線，表示50%平場信號的近似直流平均值。

新一代功耗：1.8V視頻濾波放大器

MAX9509是Maxim最新視頻濾波放大器系列中的首款器件，可顯著降低平均功耗和P...Q，如圖 5 所示。其電源電壓（VDD） 已從 3.3V 降至 1.8V，這是移動電話遷移到的數(shù)字 I/O 電壓。靜態(tài)電源電流（IQ）也從12mA降低到3.1mA（見表2）。

圖5.MAX9509 1.8V應(yīng)用電路處理50%平場信號，功耗顯著降低。

圖 5a.50%平場波形輸入MAX9509;它的幅度是圖2a所用波形的四分之一。

圖 5b.在MAX9509的輸出波形中，藍(lán)線表示50%平場信號的近似直流平均值。

表 2.MAX9509的平均和靜態(tài)功耗

當(dāng)視頻濾波放大器采用1.8V電源工作時(shí)，DirectDrive是絕對必要的。具有電壓模式輸出級的放大器必須擺幅至少為2VP-P以輸出復(fù)合視頻信號。采用1.8V單電源供電的傳統(tǒng)放大器沒有足夠的裕量來處理2V電壓P-P輸出信號。然而，對于DirectDrive，集成的反相電荷泵會產(chǎn)生一個(gè)嘈雜的-1.8V電源;然后，負(fù)線性穩(wěn)壓器將-1.8V電源增加到-1V，電荷泵噪聲最小。因此，由于電源電壓范圍為-1V至+1.8V，MAX9509現(xiàn)在的裕量勉強(qiáng)足以輸出2VP-P視頻信號。

結(jié)合低電源電壓、低 IQ和DirectDrive輸出級，MAX9509的平均功耗（表2）明顯低于表3所示的3.1V代器件。這意味著，如果MAX9509系統(tǒng)和3.3V器件系統(tǒng)使用相同的電池，則只需為放大器提供高達(dá)70%的功率，從而延長電池壽命。這對環(huán)境有直接影響，因?yàn)橐淮涡噪姵貙⒈粊G棄的頻率降低，并且對電網(wǎng)充電可充電電池的依賴性也會降低。

值得注意的是，MAX9509的平均功耗低于PQ的3.3V視頻濾波放大器。在如此低的功率水平下運(yùn)行高速電路的一個(gè)問題是噪聲會大大增加。這是因?yàn)殡娐吩诘陀谡Ｋ降碾娏魉较鹿ぷ鳌Ｔ贛AX9509的設(shè)計(jì)過程中，噪聲被仔細(xì)考慮，該器件具有非?？捎^的64dB峰值信噪比（SNR），這對于消費(fèi)類應(yīng)用來說綽綽有余。要在視頻屏幕上可見，峰值SNR需要約為40dB。

在與濾波器和放大器相同的芯片上安裝一個(gè)噪聲電荷泵是一個(gè)主要的設(shè)計(jì)問題。電荷泵可能會將開關(guān)噪聲注入到精細(xì)的視頻波形中。MAX9509電荷泵與視頻信號路徑電路之間的隔離非常有效，因此電荷泵噪聲在頻率掃描時(shí)不明顯（圖6），在時(shí)域中幾乎不明顯（圖7）。

圖6.在測量MAX9509的噪聲與頻率的關(guān)系時(shí)，無法辨別電荷泵的頻率尖峰。

圖7.MAX9509的輸出（底部跡線）是相對于1V測量的隨時(shí)間變化P-P視頻信號。尖峰是1.4mVP-P.頂部跡線是電荷泵跨接電容器頂板上的電壓。

從消費(fèi)者的角度來看，在顯示MAX9509信號輸出的視頻屏幕上，寬帶噪聲和電荷泵噪聲均不可見。

低功耗視頻濾波放大器的未來發(fā)展方向

雖然低功耗視頻濾波放大器的最新發(fā)展，但IC設(shè)計(jì)人員仍有工作要做。考慮視頻負(fù)載檢測。例如，如果視頻濾波放大器可以電檢測負(fù)載并向操作系統(tǒng)的微控制器提供負(fù)載狀態(tài)，則視頻輸出電路只有在存在有效視頻負(fù)載時(shí)才能開啟。因此，系統(tǒng)可以更智能地管理視頻電源。當(dāng)前的視頻負(fù)載檢測方法是在機(jī)械檢測到插孔插入時(shí)打開視頻輸出電路。如果電纜的另一端實(shí)際上沒有插入電視或其他視頻監(jiān)視器的插孔，這可能會浪費(fèi)電池電量。電氣視頻負(fù)載檢測的一個(gè)附帶好處是，它只需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)連接器，而不是一個(gè)帶有機(jī)械插孔感應(yīng)的連接器，與標(biāo)準(zhǔn)連接器相比，這增加了成本并增加了空間。

低功耗在便攜式設(shè)備中一直很重要，但由于能源成本較高和對全球變暖的擔(dān)憂，即使對于壁掛式設(shè)備也變得越來越重要。因此，趨勢是將更智能的電源管理集成到模擬芯片中。對于視頻濾波放大器，它不僅必須低功耗，而且還必須具有視頻負(fù)載檢測、視頻輸入檢測和控制電路，以便在工作模式之間循環(huán)。最大的挑戰(zhàn)是在不顯著增加成本的情況下增加智能電源管理，因?yàn)橐曨l芯片主要用于價(jià)格具有競爭力的消費(fèi)電子產(chǎn)品。

邊欄：1.8V視頻濾波放大器的電路考慮因素

除了設(shè)計(jì)功能越來越好的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的產(chǎn)品外，世界各地的公司都在盡最大努力設(shè)計(jì)越來越環(huán)保的系統(tǒng)。降低功耗并采用無鉛/符合ROHS標(biāo)準(zhǔn)的封裝的IC是設(shè)計(jì)環(huán)保產(chǎn)品的重要步驟。

在設(shè)計(jì)MAX9509低功耗視頻濾波放大器時(shí)要特別考慮。選擇偏置電流值以將電源電流分配到生產(chǎn)率最高的位置。使用了導(dǎo)致較小寄生效應(yīng)和良好器件匹配的布局技術(shù)。最后，對電路所有分支中使用的電流進(jìn)行了仔細(xì)的詢問和分析。這些努力優(yōu)化了功耗，將電路帶寬降低到僅維持必要的頻率響應(yīng)和視頻性能所需的帶寬。

MAX9509的功耗低于前幾代視頻濾波放大器，原因在于其精心的電路設(shè)計(jì)和Maxim先進(jìn)的BiCMOS工藝技術(shù)。上一代視頻設(shè)計(jì)的所有電路都經(jīng)過分析和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最低功耗，同時(shí)仍能為預(yù)期應(yīng)用保持足夠的性能。例如，減少了MAX9509電源軌之間偏置電流鏡像的次數(shù)。生成的負(fù)軌的使用也最小化。此外，還應(yīng)用了專有電路來消除失真，否則在這種稀薄電流上運(yùn)行放大器會引入失真。Maxim先進(jìn)的模擬處理技術(shù)也降低了MAX9509的功耗，允許為特定的視頻信號路徑選擇最佳元件（例如，雙極性與MOS）。MAX9509的5極點(diǎn)濾波器省去了前幾代帶6極點(diǎn)濾波器的放大器所需的額外雙二階濾波器級（圖8和圖9）。對于消費(fèi)類應(yīng)用，5極點(diǎn)和6極點(diǎn)濾波器之間的濾波器規(guī)格差異很小，消除雙二階濾波器級可使總電源電流降低10%以上。

圖8.前幾代視頻濾波放大器具有6極點(diǎn)濾波器。

圖9.MAX9509只有一個(gè)5極點(diǎn)濾波器，省去了雙二階濾波器級，總電源電流降低10%。

通過仔細(xì)劃分濾波器和放大器電路，可以優(yōu)化信號路徑中每個(gè)模塊的要求，以在給定的系統(tǒng)規(guī)格集下使用更少的總電流。例如，為了在MAX8中實(shí)現(xiàn)9509的增益，濾波器內(nèi)使用增益為4的前置放大器。因此，最終視頻放大器只需要2V/V的增益（圖9），從而降低了最終視頻放大器的要求，從而降低了功耗需求。兩個(gè)放大器的總功耗都很低，并針對正在執(zhí)行的功能進(jìn)行了優(yōu)化。

審核編輯：郭婷