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5V供電的高解析視訊影像用高速放大器 |
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期日: |
2006年12月8日 |
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如同經常與它們為伍的工程師們一樣，視訊運算放大器經常被要求在有限資源下提供更多功能。為了達到較高的視訊解析度，較寬的類比影像訊號 |
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頻寬在所難免，也衍生對更快速放大器產品的需求；同時，設計人員正尋找以較低電壓，甚至是單一供應軌的方法來滿足這些較高解析度應用。很幸運地，新一代 |
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的訊號處理產品即可達成這些目的。 |
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有些放大器可以低供電電壓實現標準畫質視訊影像和SVGA (800 x 600畫素)。以Linear的LT6550和LT6551為例，這些元件可實現110MHz頻寬和 |
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400V/us的旋轉率，而且在供電電壓低至3.3V的情況下也能工作。然而直到最近，高解析視訊影像如UXGA(1,600
x 1,200畫素)要求放大器工作於6V或更高的供電電 |
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壓，如此寬的供電範圍是為了避免裁減訊號，因為最快速的運算放大器通常需要額外的動態餘裕。 |
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視訊訊號特性 |
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為了更清楚暸解視訊放大器與日俱增的效能要求，密切地觀察其中相關的視訊影像訊號是相當重要的。NTSC電視的數位影像設備所使用的畫素率 |
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約為每秒1,400萬。相對地，一般XGA電腦格式(1,024
x 768)的畫素率約為每秒8,000萬畫素。最近，高畫質消費者格式推出相當於7,500萬畫素的串流媒體，而日益普 |
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及的UXGA專業影像格式(1,600 x
1,200)則採用一個非比尋常的每秒200萬畫素率。 |
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因此，如何準確地重現這些新格式的影像，對視訊放大器的頻率響應形成了極嚴苛的要求，特別是針對基頻視訊等具有脈衝-振幅波形的訊號，一般需要重現 |
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基頻元素五次諧波以上的高頻成分，而這已是視訊影像像素率的2.5倍。對於要求UXGA解析度等級的應用而言，高達甚至超過500MHz的頻率響應是必需的。目前 |
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市場上已經有能夠滿足這些需求的產品，如Linear的LT6553，該元件具備650MHz頻寬、1,700V/us電壓擺動率，以及6ns的穩定時間，因此可達到UXGA的速度與解析 |
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度，但因視訊訊號振幅設定的緣故，一般需要超過一個以上的5V供電來達成這些功能。 |
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對於NTSC和PAL視訊系統，視訊訊號的最大電壓與全黑屏電壓之間的差距約為700mV。另外，全黑屏電壓以下的300mV則做為同步標籤，攜帶校時 |
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資訊，因此典型的視訊應用不得不採用1VP-P的振幅。大部分的視訊放大器所驅動的電纜，其一端串接至訊號源(背向終端)，負載終端則連接相等於電纜特徵阻抗 |
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，Z0(一般為75Ω)的電阻。這種架構在接線上形成一個2:1的電阻分壓器，必須被驅動放大器藉由傳送2VP-P輸出到一個等效的2•Z0負載(亦即150Ω)所校正。 |
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驅動連接電纜需要超過13mA的電流，儘管此時輸出正逼近放大器輸出的飽和極限。在AC耦合系統中，情況則因視訊波形的平均訊號電壓受視訊內 |
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容影響，亦即放大器會在黑屏與亮屏間擺盪工作而變得更複雜，對於1VP-P
NTSC的視訊訊號，這種擺盪幅度可高達0.56V，假設增益為2，則放大器必須驅動的最低 |
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電壓擺幅為3.12V。除了訊號的擺幅外，供電電壓還必須提供放大器的動態餘量(即最高、最低輸出擺幅與供電範圍間的差異，定為VOH和VOL)，以避免裁減訊號。 |
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因此我們可以得到： |
VSmin=3.12V+VOH+VOL |
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圖1：5V UXGA
AC-耦合三重訊頻驅動器 |
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5V驅動的視訊放大器 |
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以Linear最近推出的LT6557 RGB放大器為例，該元件實現了以單一5V供電驅動高畫質視訊的目標，且無須外部或內部充電幫浦電路。其藉由 |
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500MHz的頻寬、2200V/μs的電壓擺動率以及7ns的穩定時間來完成此一表現，同時提供可擴展至供應軌的0.8V之寬廣輸出擺幅。對一個5V單一供電而言，LT6557可 |
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達到3.4V的動態範圍，適合標準視訊使用。此外，LT6557具有延伸至120MHz的0.1dB增益平坦度，有利於大範圍視訊訊號的使用。 |
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LT6557也透過獨特內部架構的運用，簡化在一供電應用中高速視訊訊號的建置。一個內部偏壓電流允許使用者以單一電阻將全部三個放大器的輸入 |
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設定到一個想要的DC偏壓位準，如此可使外部搭配的零件數達到最低，並且提供AC耦合應用一個簡單易用的設計，然而對於DC耦合應用而言，該功能又可被關 |
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閉。 |
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此外，內部固定為2的增益可去除驅動雙頭終端電纜所需的六個外部增益設定電阻。固定增益為1的版本，LT6558可用於增益不需為2的應用－例如 |
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驅動ADC時。當工作於單一5V供電時，LT6557/8能提供全範圍視訊振幅，目前有16接腳SSOP及佈線面積極小的3mm
x 5mm DFN封裝，三個放大器的每一組都有一 |
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個獨立的電源和接地接腳，以使串音降到最低，簡化供電旁路設計。當頻率在10MHz，輸入為2VP-P時，串音效能為-80dB。 |
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對於成本敏感性高的應用如消費性影像播放設備和kvms(鍵盤、視訊、滑鼠切換器)，LT6559也提供了極小QFN-16 (3mm × 3mm)封裝。作為一種具有 |
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各自通道啟用功能的三組電流回授運算放大器(CFA)，LT6559對於以低成本組構各種多工器、電纜驅動器和ADC驅動器等功能元件提供極大彈性，即使LT6559並不 |
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是真正的軌對軌輸出裝置，由於高效能輸出裝置設計，使得+5V的供電也能維持約3VP-P的輸出振幅。由於本身是一個通用型CFA，回授電阻值(301Ω)可最佳化頻率 |
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響應，此電路適合用來作為下列被動重構濾波器的輸出緩衝器/驅動器，如日漸普及的1,080p
HD格式(即60MHz Low-Pass)。 |
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另一款用在單一5V視訊應用的元件是LT6556。高效能多媒體視訊播放系統經常包含多重輸入功能，以提供在VESA-相容D-型PC連接埠和使用RCA- |
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端子消費性視訊影像間的選擇切換。輸入視訊訊號的電壓最多為1VP-P(Y-頻道，AC耦合情況，最差條件為1.5VP-P)，類比-數位轉換單元(ADC)或簡單訊號定徑所需 |
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的數位轉換增益為1。當採用Linear可工作於5V的LT6556時，此輸入選擇功能便已建置。LT6556憑藉其750MHz的頻寬和6.5ns的穩定時間支援所有視訊解析度，包含 |
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UXGA。對於AC-耦合應用，輸出振幅可達到供電電壓中值的±0.7V左右，視影像內容與特殊訊號而定。LT6556已供貨SSOP-24及QFN-24封裝，包含友善佈局的接腳 |
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輸出安排。 |
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本文小結 |
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當系統設計者繼續減少其產品所使用的供電電壓數目，在可取得的+5V邏輯供 |
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電下要求最大化類比效能所造成的壓力，已衍生出對於可用低電壓高效能視訊解決 |
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方案的需求。對於高解析度應用，Linear提供了LT6556
MUX、LT6557/LT6558 AC-耦 |
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合放大器和經濟的LT6559三重CFA，而其全數皆適合工作於5V環境。 |
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作者：Brian Black |
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產品市場經理 |
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訊號處理產品事業群 |
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Linear Technology |
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採用記憶體的雙攝影鏡頭式運動型攝影機 |
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CMOS 影像感測器朝「視覺系統」進化 |
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圖2：LT6557快速的大訊號響應時間 |
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