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越來越多的便攜式設備，例如數碼相機、手機和便攜式媒體播放器，都開始逐漸增加復合視頻輸出的連接功能。這類設備中，連接在視頻DAC之后的視頻濾波放大器產生視頻信號。現有的3.3V視頻濾波放大器處理視頻信號時，功耗為45mW。電池使用時間是便攜設備的關鍵，首先要考慮降低視頻系統芯片的功耗。出于這一考慮，新一代視頻濾波放大器能夠工作在1.8V電壓，功耗僅為12mW，降低了近70%。 能量消耗在哪里 簡單地說，每個電路的功耗包括自身工作的損耗和驅動負載的損耗。圖1中，電源為電路提供總電流(IT)，其中IQ是運算放大器的靜態電流，IL是負載電流。電流和電源電壓相乘得出功率。首先按照以下公式計算靜態功耗(PQ)、負載功耗(PL)以及總功耗(PT)： PQ=VDD×IQ PL=VDD×IL PT = PQ+PL=VDD×(IQ + IL) 圖1 單電源運算放大器，帶有一個對地的電阻負載 為降低實際消耗的功率，必須同時減小PQ和PL。減小VDD、IQ和IL都可以達到這一目的。通常情況下，芯片的數據資料會給出IQ或PQ參數，但很少提到典型信號和典型負載條件下的平均功耗。對于便攜式視頻濾波放大器，由于電路不是處于關斷狀態，就是完全開啟，因此，PQ幾乎是無用信息。完全開啟時，視頻濾波放大器為負載提供視頻信號驅動。沒有視頻負載時，為了節省電池能量，應關斷視頻濾波放大器;如果在沒有視頻負載時開啟視頻濾波放大器，會造成電池能量的浪費。 3.3V視頻濾波放大器的功耗 當3.3V視頻濾波放大器向負載提供視頻信號驅動時，功耗增大。平均功耗定義為視頻濾波放大器以50%平場視頻信號驅動150W對地負載時的功耗。50%平場信號作為典型的視頻信號，在電視上顯示為灰屏 (PL取決于圖像內容，黑屏時功耗最低，白屏時功耗最大)。注意，盡管元件的PQ差別很大，平均功耗卻非常接近。 將視頻信號驅動至視頻負載會造成功耗增大，這在很大程度上取決于視頻放大器的輸出方式。MAX9502的輸出視頻信號采用了正向直流偏置 (見圖2)。維持輸出信號的正向直流偏置會使總功耗增大。因此，MAX9502必須輸出大約8.7mA的電流。 圖2 MAX9502G應用電路 利用DirectDrive技術，MAX9503能夠輸出接近零直流偏置的視頻信號，無需任何交流耦合電容。由于片內反向電荷泵可產生負電壓，因此，這一技術使MAX9503能夠輸出地電平以下的信號。盡管DirectDrive增大了PQ，但由于PL降低，MAX9503的平均功耗能夠與MAX9502保持在同一水平。由于直流偏置接近地電平，MAX9503只需輸出較小的電流。 1.8V視頻濾波放大器 MAX9509是視頻濾波放大器，降低了平均功耗和PQ，如圖3所示。其電源電壓(VDD)由3.3V降到了1.8V，1.8V是手機正在逐漸使用的數字I/O電壓;靜態電源電流(IQ)也由12mA降到了3.1mA。 圖3 MAX9509 1.8V應用電路處理50%平場信號，大大降低了功耗 當視頻濾波放大器采用1.8V電源電壓工作時，必須采用DirectDrive技術。采用電壓模式輸出級的放大器必須至少提供2VP-P擺幅，才能輸出復合視頻信號。傳統的放大器采用1.8V單電源供電時，沒有足夠的余量產生2VP-P輸出信號。而采用DirectDrive后，集成反向電荷泵將產生一個嘈雜的-1.8V電壓;負電壓線性穩壓器將-1.8V電壓穩定到-1V，降低了電荷泵噪聲。因此，實際采用-1V"+1.8V的電壓供電時，MAX9509剛好有足夠的余量輸出2VP-P視頻信號。 MAX9509采用低電壓、低IQ的DirectDrive輸出級，器件平均功耗大大低于3.3V器件的功耗。更值得注意的是，MAX9509平均功耗低于3.3V視頻濾波放大器的PQ。在如此低的電壓下，電路高速工作，噪聲將大大增加，因為此時電路的工作電流要比正常情況低。MAX9509在設計過程中考慮了噪聲問題，該器件具有極佳的峰值信噪比(SNR)，達到64dB，足以滿足消費類產品的要求。為了使電視屏幕顯示清晰的圖像，峰值SNR應該在40dB左右。 將充滿噪聲的電荷泵與濾波器和放大器放置在同一芯片內是主要的設計難點。電荷泵有可能向敏感的視頻信號引入開關噪聲。把MAX9509的電荷泵與視頻信號通路隔離開可以有效解決這個問題，得到極低的電荷泵噪聲頻域特性，而且，從時域特性也幾乎觀察不到噪聲。消費者在屏幕上觀察MAX9509的輸出信號時，既不會看到寬帶噪聲，也不會看到電荷泵噪聲。 低功耗視頻濾波放大器的發展方向 雖然低功耗視頻濾波放大器的開發工作已經取得了一些進展，但芯片設計人員還有許多工作要做。例如，視頻負載檢測。如果視頻濾波放大器具有負載電子檢測功能，并為微控制器系統提供負載狀態，只在出現有效的視頻負載時開啟視頻輸出電路，即可進一步增強系統的智能化視頻功耗管理。目前，大多通過機械插孔檢測視頻負載的插入，以開啟視頻輸出電路。如果電纜另一端沒有連接電視或其他監視器，這種方法將造成電池能量的浪費。視頻負載電子檢測的另一個好處是只需要標準連接器，而不需要帶有機械插孔檢測的連接器，與標準連接器相比，這種機械連接器增加了成本，而且占用更大空間。 便攜式設備中，低功耗一直是重中之重;考慮到越來越高的能源成本和全球變暖問題，采用墻上適配器供電的設備也越來越注重功耗問題。因此，發展趨勢是在模擬芯片中集成更加智能的電源管理電路。對于視頻濾波放大器，不但功耗要低，而且還應該具備視頻負載檢測、視頻輸入檢測和控制電路，以便控制相應的工作模式。由于視頻芯片一般用于價格競爭激烈的消費類電子產品，因此，最大的難題是如何在增強智能化電源管理的同時不會過多地增加成本。 |
