中心議題：

• 介紹模擬濾波及無源濾波器和有源濾波器的比較
• 分析視頻放大器/濾波器的電源電壓
  
  
  、功耗、信號耦合等方麵的模擬要求和實施方法

解決方案：

• 經數據轉換的圖像須經過濾波，保持較好的圖像質量
• 采用巴特沃思濾波器
  ，平衡電平平坦度、截止頻率、衰減和群延遲間的差異
• 采用單電源數據轉換器，係統使用會比較簡單
• 采用THS7303或THS7313 6dB增益放大器、參考接地的DAC或編碼器驅動
  ，DC輸入模式會很理想
• 線路驅動器放大器采用AC耦合，消除任何可能的DC偏置電流

模擬濾波
為什麼模擬視頻要使用過濾技術呢？如前所述，將模擬視頻信號與數字視頻信號相互轉換是很常見的。對顯示器和DVD刻錄機等接收設備來說，這就需要使用模數轉換器(ADC)。對機頂盒和DVD播放器來說，就需要使用數模轉換器(DAC)。ADC和DAC提供的畫質都取決於采樣頻率。
　　
為了保持較好的圖像質量，經數據轉換的圖像必須經過濾波（見圖1）。這時我們就要在信號路徑上放置模擬濾波器。用濾波器來消除DAC圖形（即重構濾波器）。
 

圖1  經過濾波器的標清視頻DAC圖形
消除DAC和ADC圖形可提高畫質。不過
，我們應采用哪種濾波器類型呢？需要多少極點呢？最適合視頻信號的截止頻率、平坦度和群延遲是什麼呢？如果問10位工程師這個問題
，我們可能會得到10個不同的答案。
　　
bijiaohaodezuofashi，jinkenengbaochidaitongdepingtandu，yijidabufenshuaijiankaojinshujuzhuanhuanqidecaiyangpinlv。ruguozhikaolvzhegeyaoqiu，womenkeyicaiyongtuoyuanlvboqihuoqibixuefulvboqidengleixing。ruguozhiguanxindianpingpingtanduheshuaijian，namezhexielvboqihuibijiaolixiang，shirenhexitongdounengmanzuSMPTE濾波器的特性要求。不過，我們不能忘記群延遲，因為SMPTE標準還包括群延遲方麵的限製，係統應努力滿足上述兩種要求
，而不是隻滿足一種要求。
　　
因此，我們必須在電平平坦度
、截止頻率、shuaijianhequnyanchichayijianqudepingheng
，yihuodeheshideshipinlvboqi。dajiayizhirenwei，batewosilvboqiduixiaofeileidianzishipinlaishuoshiyizhongjiaohaodepinghengxinglvboqi，dianpingxiangyingshixianlezuidadepingtandu
，shuaijianlvshidang，qunyanchiyebucuo。tasuishuobushangshizuilixiangde，dantongchangduixitongeryanyijingzugouhaole。
　　
濾波器示例
THS73x3係列是集成濾波器/放大器


，采用功能改進型五階巴特沃思濾波器結構
，略微降低了Q 或峰值因數，以最小化群延遲差異。其缺點在於，平坦度不像真巴特沃思濾波器那麼理想，但衰減性基本相同。

womenxuanzelewugejidianerbushisigehuoliuge，zheshiyinweiqishujielvboqiyouzhenzhengdeshijidian，erbushixiangoushujielvboqinayangdoutigongfujidian。yourenkenengrenweishijidianmeishenmeguanxi，buguoshijijingyanzhengming
，shijidianduiyouyuanlvboqixitonghuifeichangyouyong，tebieshizaicaiyong Sallen-Key架構時。Sallen-Key係(xi)統(tong)中(zhong)有(you)高(gao)頻(pin)路(lu)徑(jing)通(tong)過(guo)，能(neng)較(jiao)方(fang)便(bian)地(di)通(tong)過(guo)放(fang)大(da)器(qi)帶(dai)寬(kuan)限(xian)製(zhi)以(yi)外(wai)的(de)高(gao)頻(pin)。係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)實(shi)極(ji)點(dian)可(ke)將(jiang)高(gao)頻(pin)信(xin)號(hao)通(tong)過(guo)旁(pang)路(lu)接(jie)地(di)，不(bu)受(shou)放(fang)大(da)器(qi)帶(dai)寬(kuan)限(xian)製(zhi)的(de)影(ying)響(xiang)。因(yin)此(ci)，這(zhe)有(you)助(zhu)於(yu)確(que)保(bao)濾(lv)波(bo)器(qi)保(bao)持(chi)高(gao)頻(pin)。
　　
為了顯示群延遲和電平平坦度的影響，我們模擬了一個五極的0.5dB契比雪夫濾波器，截止頻率（在-0.5dB以下時）為10MHz。此外，我們還模擬了五階功能改進型巴特沃思濾波器


，截止頻率（以-3dB以下時）為8.5MHz。從圖2中可以看出每個濾波器的電平響應。與預期一樣
，契比雪夫濾波器的紋波為0.5
，不過平坦度為10MHz，大大超過巴特沃思濾波器的平坦度。此外，在27MHz的臨界點上
，契比雪夫濾波器的衰減率較高，達到了56dB的衰減率。在27MHz上
，巴特沃思濾波器隻實現了46dB的衰減率。事實上

，這對視頻係統而言已經足夠了。
 

圖2  濾波器電平響應
使用有源濾波器時要牢記，濾波器的Q越高，放大器的帶寬就越高。如果使用貝塞爾或巴特沃思濾波器乃至更高階的版本，我們要把各級的Q保持相對較低。設計支持橢圓或契比雪夫響應的濾波器，其Q值(zhi)較(jiao)高(gao)
，需(xu)要(yao)較(jiao)高(gao)帶(dai)寬(kuan)的(de)放(fang)大(da)器(qi)才(cai)能(neng)適(shi)當(dang)實(shi)施(shi)。否(fou)則(ze)，放(fang)大(da)器(qi)對(dui)濾(lv)波(bo)器(qi)就(jiu)會(hui)造(zao)成(cheng)影(ying)響(xiang)
，從(cong)而(er)改(gai)變(bian)我(wo)們(men)所(suo)需(xu)的(de)響(xiang)應(ying)。我(wo)們(men)可(ke)通(tong)過(guo)修(xiu)改(gai)組(zu)件(jian)值(zhi)來(lai)實(shi)現(xian)上(shang)述(shu)目(mu)標(biao)，不(bu)過(guo)放(fang)大(da)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)異(yi)會(hui)因(yin)此(ci)變(bian)得(de)更(geng)大(da)。
　　
無源濾波器和有源濾波器的比較
無源濾波器因為其成本較低，所以在目前比較常見。不過，在PCB電路板麵積
、占用、額外組件數量、組裝時間
、帶通信號損失、對電感器造成電磁幹擾以及容限方麵，它又存在一些缺點。電感器和電容通常會存在±10%個體差異
，特別是低成本組件的差異會更大一些。
　　
在集成有源濾波器設計中（比如 THS73x3 所采用的單位增益Sallen-Key濾波器），平坦度和峰值的差異可以得到嚴格的控製。我們對單位增益Sallen-Key濾波器進行敏感度分析。可以看出
，隻要電阻間和電容間與單位增益的匹配比較嚴格，那麼隻有截止頻率會有所差異，Q不會出現差異。如果Qchuxianchayi，namejiuhuidaozhijiaodadequnyanchichayi，zheshiwomensuobuyuankandaode。zhiyaocaiyonggaozhiliangdianronghedianzu
，zaijiadingfangdaqidezirandaikuandadagaoyulvboqidejiezhipinlvqingkuangxia，youyuanlvboqidekekongtexingjiubijiangdadayouyuwuyuanlvboqi。ciwai
，youyuanlvboqizhanyongde PCB 電路板麵積也要小很多，隻需采購一個組件，這樣就大大減少了組件數量。
　　
多duo極ji無wu源yuan濾lv波bo器qi還hai有you一yi個ge重zhong要yao特te點dian，就jiu是shi其qi截jie止zhi頻pin率lv不bu能neng輕qing易yi地di被bei修xiu改gai
，若ruo想xiang修xiu改gai就jiu要yao花hua費fei大da量liang工gong作zuo，成cheng本ben也ye很hen高gao。設she計ji支zhi持chi可ke選xuan濾lv波bo器qi的de有you源yuan濾lv波bo器qi就jiu非fei常chang容rong易yi實shi施shi。對dui於yu不bu必bi改gai變bian濾lv波bo器qi頻pin率lv的deCVBS和S-Video係統來說，這一特性並不怎麼吸引人，不過，對分量視頻係統或G’B’R’係統來說，改變濾波器的頻率就非常有用了，這樣就能設置為 SD、ED或HD(720p/1080i)乃至1080p HD等不同標準。

上述情況對接受 Y’P’BP’R或G’B’R’分量視頻信號的接收機係統來說尤為重要。舉例來說，如果我們用固定的35MHz無源濾波器為顯示器提供所有分量信號，那麼在輸入端采用480i或576i SD分量信號怎麼辦呢？一般的 DAC 對這種信號的采樣頻率為27MHz。如果DAC不帶重構濾波器的話，那麼27MHz基本頻率兩側出現的圖像將直接通過顯示器的無源35MHz濾波器，造成圖像未經衰減，因此顯示器上顯示的畫質通常非常差。
　　
ED 480p/576p信號也可能出現這種情況。此類信號通常采樣頻率為54MHz
，視頻帶寬為 12MHz。因此，第二Nyquist區圖像會在42MHz時出現。如果無源濾波器為35MHz或更高，那麼圖像的衰減也會很小，同樣也會導致畫質非常差。
　　
這就說明了，可選濾波器對使用THS7303的DAC側和使用THS7353的ADC側的重要性。這種集成的濾波器/放大器采用可選的五階功能改進型巴特沃思濾波器結構，可設為9MHz
，滿足 SD信號的需要，也可設為16MHz，滿足ED信號需要，還可針對HD 720p/1080i信號設為35MHz
，針對1080p等極快的信號設為大於150MHz的旁路模式。圖3顯示了有關情況。
 

圖3  固定濾波器與可選濾波器的比較
為了提高靈活性，THS73x3的每個通道必須能實現獨立控製。利用這一特性
，我們就能選擇35MHz以支持Luma通

道
，又可選擇16MHzyizhichisechatongdao，genjumonixinhaodaikuanyaoqiu
，zhedoushikexingde。buguozheyeyouyigequedian，jiushibutonglvboqideyanchizaixiangtongpinlvbilixiahuiyouchayi，ruguobutongguoshuzichulijiayijiejuedehua，jiukenengdaozhijishiwenti。
　　
高端係統而言（其相位偏移和群延遲為非常重要的參數）也能受益於上述特性。這時，我們可用16MHz濾波器支持SD信號，確保整個SD頻帶內都能實現平穩的平坦響應，時域脈衝響應幾乎不會出現過衝。這對支持ED信號的35MHz濾波器以及支持HD信號的旁路模式同樣適用。
　　
最後
，無源過濾在不同頻率上會造成較大阻抗差異
，這會導致DAC和ADC的交互問題。此外，如果源電阻或端接電阻超出了75Ω的要求，也會導致振鈴問題。THS73x3有源濾波器/放大器緩解了這一問題，其輸入阻抗可大於1MΩ，而其輸出阻抗在10MHz時則小於1Ω
，從而有助於消除ADC的反衝問題或解碼器輸入鉗位問題。
　　
電源電壓和功耗
大多數視頻係統都采用單電源數據轉換器
，供電電壓為3.3V。如果該電源可用於視頻濾波器/放大器
，那麼係統使用會比較簡單，也有助於減少一到兩個電源數量，從而降低成本。THS73x3器件利用這一特點，采用2.7～5V的單電源工作。BiCom-3工藝根據設計

，可以工作在上述電壓上
，在整個工作範圍內都不會產生性能下降的問題。
　　
圖4顯示了THS7303放大器作為DAC緩衝、接受外部輸入的典型配置。它同時還使用3.3V電源
，支持輸出端的SAG校正。
 

圖4  THS7303采用3.3V單電源的典型係統配置
功耗是另一個要考慮的因素。類似於THS73x3產品的5V單電源器件有很多，但大多功耗都達到500mW以上，有的甚至高達1.2W，這就會導致芯片溫度非常高，很容易影響長期可靠性。THS73x3的工作電壓為3.3V，功耗僅為55mW

，這幾乎消除了散熱和可靠性方麵的問題。
　　
信號耦合
如果係統設計中已經采用了THS7303或THS7313 6dB增益放大器
，並采用了參考接地的DAC或編碼器驅動
，那麼DC輸入模式會很理想。問題在於
，DAC生成的電壓有多低？如果同步信號（通常這是視頻信號中電壓最低的）電壓低於50mV
，那麼6dB放大器的輸出就應生成低於100mV的電壓
，由於CMOS和雙極放大器都存在晶體管飽和方麵的限製
，因此這對任何放大器來說都是很難做到的。
　　
為了消除這一限製，所有THS73x3產品都支持DC+Shift模式，其可以為視頻輸入信號增加內部DC電壓偏移。這種偏移隻是內置的，不會影響應用信號
，這種偏移還將確保即便THS73x3的輸入為0V
，輸出也不會飽和，不會出現視頻剪切。
　　
如果DAC輸出電壓僅為100mV
，那麼DC輸入模式就是非常理想的。這種模式不會給係統增加偏移，因為係統根本不需要偏移。要牢記
，任何放大器都存在偏移，對THS73x3也一樣。
　　
如果DAC的參考電壓為3.3V或1.8V或者是外部輸入，那麼采用AC耦合就是最佳模式。AC耦合使THS73x3能忽略DC偏置點的來源，並能重新建立自己的DC偏置點。AC耦合選項包括AC偏置和AC同步端鉗位。
　　
AC偏置非常簡單。THS73x3有兩個電阻，其可在電源和接地間創建分壓器。該模式的輸入阻抗為20kΩ，因此所用的電容應足夠大，以盡可能減小傾斜或下垂問題。該模式最適用於Chroma或色差信號，也可用於Luma信號、G’B’R’信號或計算機的R’G’B’信號。由於信號為AC耦合，且DC偏置點與平均信號電平有差異，因此對於帶5V電源同步信息的信號而言
，我們最好用AC偏置模式
，以確保沒有剪切問題發生。
　　
正在申請專利的AC同步端鉗位 (STC) 模式（見圖5）最適合視頻信號最低點同步的信號，這就是說，Luma (Y’)、帶同步功能的G’B’R’或帶同步信號的計算機R’G’B’最好都采用AC-STC 模式。THS73x3中的同步端鉗位係統具有內部電流彙集(current-sink) gongnengyijiangouhedianrongfangdian，yonglvboqilaizuixiaohuakenengcunzaidegaopinganraoxinhaojiaohu
，yongfangdaqilaijiankongshurudianyahecankaodianyadechabie，bingzaixinhaodiyucankaodianyashiyongjingtiguanweidianrongchongdian。yinci
，zheshiyizhongdongtaidexitong，genbenbuyikaojishijishu。zhezhongleixingdexitongtongchangyechengzuoDC恢複係統，而不是二極管鉗位係統。二極管鉗位係統的問題在於：任何高頻信號或過衝都會對其造成影響，從而導致過大DC偏置點偏移

，並造成信號剪切。
 

圖5  AC-STC基本係統
輸出功能
線路驅動器放大器的最常見輸出配置就是采用AC耦合，以消除任何可能的DC偏置電流，使係統更具有通用性。放大器輸出通常采用220～1000μF的電容，以降低線路傾斜。
　　
在某些係統中，DC偏置電流不是主要問題。相反，成本和PCB電路板的尺寸反而更加重要。THS73x3支持DC耦合，不會因為軌至軌輸出放大器級而造成問題。輸出擺幅在電源和接地的100mV範圍之內，可驅動高達80mA的電流。
　　
其他係統可能需要AC耦合，但PCB電路板的尺寸非常重要。THS7303和THS7313具有靈活性可支持SAG校正，這是實現上述目標的一種辦法。SAG校正需要兩個電容，但電容的體積要較小，額定值僅為47μF和33μF，其可能實現與330μF電容相同的傾斜性能。如果分別將其提高到68μF和  47μF
，那麼將能實現相當於470μF電容的性能。
　　
SAG功能能在頻率降低時提高增益，從而實現上述性能。放大器增益抵消了47μF電容的下降
，從而擴大了可實現的帶通。選擇33μF電容時，可獲得較小的峰值或Q增強，這會使視頻係統實現適當的線路傾斜或低垂
，特別是能夠支持場方波信號。
　　
圖6顯示了SAG在THS7303和THS7313中的基本配置情況。其他廠商也使用了SAG校正技術，但其通常要求較大的電容或電壓更高的電源
，這樣才能滿足係統出現較大DC增益的要求。
 

圖6  THS7303係統級示意圖