[圖文]視頻設計中的交流耦合(圖)

變電壓、業界協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機與方式

目前，在視頻系統（機頂盒、PVR、TV等）的設計中采用集成式視頻濾波器/驅動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，設計者首先需要判斷幾個方面的問題。

如果設計者準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發生損耗，因此必須通過濾波器/驅動器的輸入偏壓和鉗位電路對直流偏壓電平進行設置。如果濾波器輸入沒有鉗位和偏壓電路或者有源直流恢復環路，那么就需要增加一個外部偏壓網絡，以便正確設置共模輸入電平。

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備中，這種方式在視頻和圖像處理系統中非常常見，它允許接收器設置其自身最優的偏壓電平（在電容的設備一側），而不受驅動信號的直流偏壓電平的影響。例如，模數轉換器（ADC）的接收器可以將視頻信號的鉗位或消隱電平設為等于內部ADC的編碼零電壓，而不管驅動信號的絕對直流電平是多少。

另外一種情形是純模擬系統，其中接收器可能希望將模擬信號的共模電平設置為V_CC/2左右，以獲得最優的信號處理余量。接收器還能夠將“鉗位”電平與預設的直流參考電壓匹配起來，實現兼容而穩定的直流輸出電壓。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
現在我們來分析如何選擇合適的電容，實現視頻輸入信號與圖(A)視頻濾波器/驅動器器件的耦合。為了限制與交流耦合相關的低頻偏斜（傾斜），我們必須正確設置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。

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

由于在較高的頻率下電容會出現短路現象，因此我們不必擔心高頻滾降問題。在大多數應用中，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。假設在這里器件需要驅動一個75Ω后設終端的傳輸線，那么輸出電容的有效電阻為150Ω。

由于該負載是阻抗相對較低的傳輸線――另外我們仍然需要通過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算輸入耦合電容時采用的計算方法――這里使用220μF的耦合電容和150Ω的負載――我們可以計算出轉角頻率為 4.8Hz，這一結果對于通過上述幀速率同樣是足夠的。

大多數應用都需要更嚴格的場傾斜指標，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的。

75Ω的串聯端接電阻應該放在距離濾波器/驅動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的電感，實現最佳的信號狀態。

SAG模式
交流耦合輸出方式有一些缺點，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合的一種反饋網絡，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9dB的直流增益（3x），在25Hz左右會回到正常的6dB增益（2x）。當這種濾波器用于采用3V電源電壓的移動設備中時就會帶來一個問題，因為器件輸出端（在負載之前）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/驅動器具有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，產生2.75V的高邊信號。

這種情形會驅動信號進入低至 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的信號失真現象。通過在SAG引腳和Vcc’之間設置一個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范圍，防止輸出信號在正常的電源電壓范圍內被夾斷。

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設計應用。

直流耦合的目的在于通過一個單端參考地的輸入信號來驅動器件。視頻/圖像DAC的標準電流模式輸出就是一個例子。

這些常見的DAC器件采用雙重端接75Ω負載（37.5Ω）作為電流型DAC的負載，產生輸出電壓。因此，這類系統中的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/驅動器件能夠很好的支持視頻DAC輸出，具有下列優勢：
● 不需要輸入耦合電容；
● 沒有隱含的箝位穩定時間；
● 沒有輸入電容放電導致的傾斜問題；
● 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路。

直流耦合輸出是將視頻信號饋入視頻媒體設備最直接的方法。這種方法不需要增加耦合電容，能夠將沒有傾斜的信號傳送給媒體設備。

這一方法也有一些缺點，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沒有反饋控制，而這一電平可能會隨著系統溫度和電源電壓的變化而發生改變。大多數媒體設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值實現正確的色彩控制。

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/驅動器的輸出端，另一次在媒體設備的輸入端。