小型低成本手机视频放大器OPA360的应用

引言

    在电视屏幕上显示照片上当今照相手机中一项越来越重要的功能，因为它能让您比以往更令人满意地与朋友及家人一起观看您拍摄的照片，电视输出功能能以相对较少的成本增加至照相手机中，并为手机厂商提供重要的增收机会。

    照相手机对技术的要求远比典型的视频应用技术更具挑战性，并且需要性能、功耗、印制电路板空间与成本之间进行折衷。照相手机与电视机机顶盒中对技术的要求就可形成鲜明对比。首先，机顶盒与交流电源相连，故功耗并不是大问题，其次，视频信号电路板安装在一个空间相对较大的盒子中，因此封装尺寸与所需外部器件数通常也不那么重要，第三，机顶盒电源电压一般为5V（或更高的）单电源，因此给视频信号留有较大的余地。但在照相手机中以上每个方面都有特定的设计约束，要想成功地将电视输出功能设计至照相手机中，就必须仔细考虑这些设计约束以及其他技术与商业要求。

照相手机设计所面临的挑战

◇ 视频信号选择

    复合视频（CVBS）输出是便携式应用中最常用的信号，几乎所有新型电视机都有复合视频输入插口。尽管稍微有些性能优势，但带S或分量视频输入后的电视机毕竟较少，另外，S视频所带来的少许图像质量改善，不也并不足以抵消照相手机应用中的功耗，电路板空间与成本的增加。

◇ 频率响应
 
    尽管NTSC/PAL制式的频率范围只有5MHz，但仍要求使用宽带放大器才能在此频率范围内达到平坦的频率响应。通常需要用低通或多极滤波器来减少视频编码器的“采样产物”。例如，嵌入在德州仪器公司（TI）数字多媒体处理器中的数模转换器，其速度已被提高至27MHz，因此可在视频信号频谱中看到27MHz采样频率所产生的“镜频”。如果不进行任何滤波，则这些采样产物将被所连接视频设备（例如电视机）中的视频处理折叠到视频信号中，并在电视屏幕上产生不希望的图像失真。而像OPA360等视频放大器，则带有一个内部低通或多极放大器，除使信号通过且不产生任何图像失真外，还能有效地衰减采样产物。

    像集成OPA360放大器中的两极滤波器，就像体现了对采样产物进行最佳可能的衰减与减少芯片尺寸和解决方案成本之间的良好平衡，这种解决方案一般能在27MHz频率上提供21dB的衰减，同时能够有效地减少采样产物。

◇ 关键模式下的功耗

    当照相手机以电视输出模式工作时，一个典型的视频放大器将消耗5-9mA的电源电流加上用于视频行驱动的电流。因此，挑选一种用于便携式视频设备的视频放大器时，工作模式功耗虽是必须考虑的一项重要因素，但更重要的是视频功能不启用时的功耗，当希望在电视屏幕上比较满意地观看照片时，照相手机一般只与电视机或投影仪连接。

    因此，适合照相手机应用的视频放大器必须具有关机（或休眠）模式。以延长电池工作时间及充电间隔时间，关机模式的源电流在整个行业内有很大的不同，必须在产品选择阶段仔细挑选，以确保在关机模式下具有很小的静态电流。例如OPA 360，其静态（或关机模式） 电流即小于5A。而很多其他视频放大器则具有50A或更大静态电流。

集成视频放大器解决方案

    由于照相手机中的印制电路板（PCB）空间极为有限，因此任何视频功能块的尺寸都必须尽可能地小，带视频放大器及必要分立元件的解决方案或许能行，但在照相手机中却行不通，因此最好采用更为集成的解决方案。

    现代集成解决方案可节省印制板空间并减少器件数，图1是一种采用标准视频运放及必要分立元件（包括一个大而高的220μF耦合电容）的传统电视输出功能电路原理图，该电路中的电容体积很大，不能满足大多数照相手机设计的尺寸与成本要求，虽然在机顶盒等电路板空间足够大的应用中，这不是一个问题，但在照相手机中，由于“空间”极为紧张，因此必须考虑可减少总体解决方案尺寸的方法。


    OPA360是一种增益为2，并带有集成两极滤波器与输入电平转换电路的全集成视频放大器解决方案，它不需要任何输出电容，就能支持直流耦合输出，能进一步将该解决方案的尺寸减小至5.5mm2。所需的唯一外部器件是一只极小的100nF电源去耦电容，图2是采用OPA360以及带有中沉校正的交流耦合输出解决方案。实际上，如果采用直列耦合输出，还可取消其中的两个交流耦合电容，图3所示是采用直流耦合输出的OPA360放大电路。


    现地手机设计中一般不采用5V单电源，最大电源电压通常为3.3V，有时还会更低，这种低电源电压对放大器及其输出高质量视频信号的能力提出了特殊的要求，而视频放大器输出上2Vp-p的信号摆幅，也要采用更低的电源电压。并必须增加正向饱和限制来适应输出中的场倾斜，故中沉校正交流耦合解决方案中的最小实际源电压设计限制大约为3.3V，由于直流耦合输出没有场倾斜。因此，它能安全地在2.8-3.0源电压上工作。

    嵌入在数字媒体处理器中的很多常用视频DAC（例如TI公司的数字媒体处理器与新型OMAP处理器等）都可在低、单电源电压下工作，一般来讲，视频DAC同步脉冲输出的最低与0V相对应。但不幸的是，典型单电源高速运放的输出却不能向下摆动至0V，因此如果以0V输入来驱动，则放大器输出级将饱和并会使同步脉冲底部限幅，从而降低视频信号的完整性，而IT公司的OPA360则在输入级拥有一个60mV的电平转换器，且可在带有150视频负载的输出上拥有25mV的到地摆幅，这种组合使放大器能连续地在线性区域工作，并提供完整的视频信号。电平转换器使OPA360很容易直流耦合至输出上，而不会降低视频性能，图4所示是采用内部电平转换后的波形图。


输出耦合的选择

◇ 带中沉校正的交流耦合输出

    自从有电视以来，交流耦合就是一种用来连接视频信号的经典方法，如果设计工程师选择用一个传统视频放大器来交流耦合输出，则需要用一个220μF或470μF的大电容，这些电容不仅体积庞大而且价格昂贵，一般只在机顶盒（例如）等空间较大的设备中使用，而在现代便携式视频应用中，通常利用一种称为“中沉校正”的技术，并通过两个小输出耦合电容来取代传统大输出电容，来减少整个解决方案的尺寸，传统220μF电路会在5Hz处产生一个低频极点（3dB频率）。如果此电容做得很小，则在关键50-100Hz范围内的过渡相移会产生场倾斜，而这种场倾斜又会干扰电视接收机中同步信号的正常恢复，象照相手机这种低、单电源电压应用中的过渡场倾斜，可能会导致输出限幅并严重降低视频性能，例如OPA360中所采用的中沉电路，即可在20Hz区域产生幅度响应峰值。这种通常只有十分之几dB的小幅度尖峰，可对关键50-100Hz范围内的相位响应进行补偿，从而极大的减少场倾斜，应当说明的是，此时只需要使用两只体积与成本小得多的电容，因此很容易安装到照相手机中。为获得良好的视频性能，可采用一只22μF的中沉电容与一只47μF的耦合电容，图5是带220μF耦合电容的标准视频电路与带中沉校正电路的放大器性能比较。事实上，两种信号基本相同。


◇　直流耦合输出

    实际上，直流耦合输出才是一种较好的方式，尽管用中沉校正交流耦合法可节省一定的空间，但采用直流耦合输出却能获得最佳的视频性能与最小的整体解决方案，直流耦合视频输出并不是一个新概念，可在其他许多大批量应用中找到，例如PC图形卡、笔记本电脑图形卡以及数码相机等，直流耦合可用前面介绍的OPA360中的电平转换器来实现。

    内部电平转换通过将输入信号转换至输出线性工作范围内，而能防止由输出级饱和所引起的视频同步信号限幅，直流耦合输出在电路板空间有限的便携式视频应用中显得尤为重要。若采用SC70封装的OPA360，则总解决方案尺寸可小于5.5mm2。

    直流耦合输出配置还能提供最佳视频性能，如图6所示，其中没有行或场倾斜，因而允许采用最低电源电压。在此模式中，OPA360可在低至2.8V的源电压上提供出色的视频保真度，且没有信号限幅。直流耦合输出的缺点是其工作模式下的电源电流要稍高一些，但关机（休眠）模式下的静态电流一样。


结束语

    要想成功地将一种高性能视频系统设计到便携式应用中，必须仔细考虑各种细节，在低电源电压与封装尺寸有限的情况下集成解决方案明显优于分立解决方案。功耗，尤其是关机状模块下的功耗的对于延长电池工作时间极为关键，最后，可用直列耦合输出来实现最低成本、最高性能及最小整体尺寸决定方案，而集成特性与最佳设计的强有力组合，使得TI公司的OPA360放大器特别适合于照相手机的电视输出功能的设计。