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标题: 针对音视频应用的新型模拟器件及其应用综述 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 15:46
标题: 针对音视频应用的新型模拟器件及其应用综述
越来越强调“用户体验”的各种数字音视频应用进一步推动了模拟技术的创新，它们不仅增加了对高性能ADC、DAC、前置放大器、运算放大器、模拟开关、模拟多路复用器、电压参考、运算放大器、PLL、比较器、DC/DC转换器等传统模拟器件需求，还推动了新型模拟器件的开发。例如，具有出色的声音质量的MP3音乐播放器和数字收音机离不开高品质的音频放大器；带LED/OLED显示屏、可长时间播放高质量视频画面的多媒体播放器和多媒体手机要求高质量的视频放大器、视频滤波器、视频缓冲器、LED/OLED驱动器；而为了方便快捷地传输无压缩高清晰节目内容、高质量音视频信号，HDMI接口器件正逐渐在更多的HDTV、数字摄像机、数字相机等视频设备中采用。

本文将挑选一些专门针对音视频应用的具有代表的最新模拟器件，讨论它们领导市场的独特技术，以及应用时的特别注意事项和技巧。

音频放大器

消费者希望手机具有更丰富的音频功能，如和弦铃声、MP3音乐、带音频的视频流及3D环绕立体声效果。美国国家半导体公司(NSC)的Boomer音频子系统除了内置2.2W的立体声D类音频放大器外，还具有可编程 3D 音效增强功能、自动耳机检测以及155mW无输出电容器立体声耳机放大器。它的立体声耳机放大器可选择采用电容器耦合模式或无需输出电容器模式，以满足不同设计的要求。系统设计工程师若选用无输出电容器的结构，便无需像传统的耳机放大器一样，要另外增加体积大但价钱昂贵的输出耦合电容器。

“手机和PMP播放器的正在朝小尺寸的方向发展。这个发展趋势的一个限制因素是传统动圈式扬声器能有效工作所必须的最小尺寸。陶瓷扬声器(或者压电式扬声器)允许更小的外形尺寸，但它们要求对更复杂的负载阻抗提供更高的驱动电压。”Maxim公司多媒体事业部执行总监Tony Doy表示。

MAX9788是一个集成了负充电泵电源的单芯片G类功率放大器，专门设计用来驱动陶瓷扬声器的。这个电荷泵电源可以在直流5.5V电压下提供高达700mA的峰值电流，输出电压峰峰值为14V。MAX9788的高效率能最大化电池使用寿命。

ADI的音频放大器AD1994能够提供达到高保真音响级的声音质量。AD1994的电源纹波抑制比(PSRR)达到65dB，它可提供同级别产品中最好的PSRR，以及允许客户使用更便宜的单端电源。ADI高速信号处理部营销经理Steve Hinderliter强调：在实际应用时应特别注意二点，一是必须确保为该器件提供一个正确的上电顺序，二是必须为它提供一个低抖动的时钟。

德州仪器(TI)的固定增益D类音频功率放大器TPA203xD1集成了外部输入电阻并与其高度匹配，从而可将整体电路板尺寸缩小了近一半。与便携式消费类电子为降低成本而常用的外部电阻器匹配相比，新器件还使PSRR提高了20dB，使共模抑制比(CMRR)提高了12dB，这样在实现更出色的音频体验同时还能节省板级空间。

音频放大器在手机PCB设计上的挑战体现在两个方面：一是PCB面积小，二是存在射频(RF)电路。在这种情况下，好的布局必须防止射频能量与电话中的基频部分或音频电路的音频信号产生串扰。从布局方面考虑，应避免将功率放大器放在天线附近，因为在有电话拨入或拨出时，天线的辐射会与高功率输出产生串扰。此外，所有的信号路径必须通过接地层进行屏蔽/隔离。使用接地层、磁珠和微带设计技巧对防止干扰非常有用。

视频放大器

视频输出功能正在成为当今许多便携式电子产品的常见功能。由于这种功能通常属于辅助功能，在正常工作期间视频驱动器一般处于关闭状态，所以在评估视频放大器或视频驱动器时，工作电流和待机电流是关键的参数。

TI的视频放大器THS7327集成了三个模拟视频通道与两个用于 HV 同步的数字通道，大大简化了系统设计并减少了组件数量。可编程滤波器与输入偏置模式不但能满足SDTV、EDTV、HDTV 以及UXGA/QXGA RGB 所有信号标准所需的通用模拟信号调节要求，而且还可节省20多个外部组件。

凌力尔特公司用于单电源应用的3路视频放大器LT6557具有0.8V电源轨的宽输出摆幅，是一款能在采用5V单电源工作时提供全视频摆幅的宽带RGB放大器。LT6557的500MHz 3dB带宽、2200V/us转换速率和4ns的建立时间提高了该放大器的直流性能，可产生更清晰的视频图像。

Intersil公司针对高速视频和监控应用的三路放大器EL5367采用专有的定制结构来隔离其三个放大器，打破了1GHz的速率极限。EL5367的总供电电流仅25mA，可在5V至12V的单供电电压范围内工作，能够驱动高于QXGA(2048×1536象素)的分辨率应用。

典型的视频驱动架构采用交流耦合或直流耦合方案。通过采用输入输出电容，交流耦合可消除传输线上的直流电压，并隔离发送和接收系统的接地点，从而简化电路设计。但是，这些电容会降低信号质量，为将对信号质量的影响减到最小，输出电容必须在数百微法的数量级。直流耦合无需输出电容，这对价格敏感的大批量产品特别有吸引力，但在输入信号存在正负摆动时，需要额外的负电源来提供能容纳信号正负摆动的公共输入电压范围。

视频滤波器/缓冲器

手机或者PMP中的视频内容越来越多，这些设备中要求具有复合视频输出和/或S视频输出。用在这些设备中的视频缓冲器可从模拟标准清晰度视频滤波器MAX9508得到好处。MAX9508采用了Maxim专利的信号有效/负载检测技术，在没有驱动信号时，它能自动使视频输出无效。SmartSleep技术能尽量延长电池的使用时间，并提供高频率的EMI滤波(图1)。Maxim的MAX7481/MAX7482双向视频滤波器/缓冲器，可为复合视频(CVBS)以及S端子的回放模式提供重建滤波器和线路驱动缓冲器，同时还为录像模式提供抗混叠滤波器。

图1：Maxim的视频滤波器MAX9508采用SmartSleep技术，可降低待机功耗。

Tony Doy指出：在有关视频和应用应用的设计中，设计工程师必须注意整个产品解决方案的成本，而不仅是芯片的成本。MAX9508和MAX9788能给设计工程师带来如下好处：1)以很低的整体解决方案成本提高高集成度，2)节能电能，从而增加电池使用时间。3)仅需很小的外围无源器件。

飞兆半导体(Fairchild)的超便携式视频滤波驱动器FMS6151可把手机视频图像驱动到电视、计算机显示器上。对于性能要求更高的应用，该器件的5阶8MHz SD滤波器可以改善图像质量，而低至3.8mA的电源电流(关断时仅为25nA)可延长电池寿命。

Wolfson的WM883X的关键特性是利用6阶滤波器生成高质量的图像。它们支持多种视频标准，包括RGB、S视频和SCART。该系列产品的一个独特性能是，尽管它们采用两种封装类型，但它们的引脚完全。这意味着如果一个客户正在为美国市场设计带S视频输出的DVD-RW，他也可以采用一个引脚兼容的器件和相同的PCB板为欧洲市场提供带SCART输出的DVD-RW。

中国圣邦微电子公司的视频缓冲器SGM9110的Icc为2.3mA，同时还集成了同步头箝位功能，能大大节省带TV输出功能的手机的耗电。该器件可以采用直接耦合输出，可以省掉SAG补偿的两个47uF和22uF电容，从而降低成本并减少PCB面积。

LED/OLED显示驱动芯片

大多数小尺寸彩色LCD显示器都采用白光LED作为背光。这些LED驱动电路由输出电压随时间变化的电池供电，因此最佳LED驱动电路设计要求系统的设计方法，要求考虑电池类型、LCD特性、系统功耗要求和效率、LED驱动器IC及其外部器件、PCB布局、LED驱动器可能产生的噪声，以及手机应用中的RF抑制等问题。

安森美的NCP5612和NCP5608是业内最小的用于驱动LCD显示器背光照明的双路输出电荷泵，每个器件最高达到87%效率。该产品系列具备数字信号特性，可控制模拟电源输出，进行亮度调控。为了在不增加额外元件的情况下保证安全运行，NCP5602和NCP5612还具有短路保护和过压保护功能。

安森美半导体公司汽车及电源管理产品部全球销售及市场总监郑兆雄认为：系统设计人员在设计时要考量技术性能，以选择最佳的元件；要看整体解决方案的成本，而不是IC元器件的成本。另外，质量至关重要，系统设计人员还要根据客户的需要为最终产品提供可靠的解决方案。

如今的许多蜂窝电话、PDA和数码相机除了具备一个高分辨率的TFT-LCD显示屏，有的还配备一个额外的OLED副显示屏。与同等规格的LCD相比，OLED显示屏的亮度更亮、厚度更薄、响应速度更快，因而正迅速成为副显示屏的首选。凌力尔特的LT3466-1是一款专为满足小显示屏的电源要求(包括LCD偏置、白光LED背光和OLED显示屏)而设计的双通道开关稳压器。LT3466-1集成了一个全功能白光LED驱动器和一个升压型转换器、44V电源开关和肖特基二极管，从而能节省电路板空间、减少元件数量。这个LED驱动器可配置成通过单节锂离子电池驱动多达10个串联白光LED。

SSD1339是晶门科技针对OLED面板的单片驱动器/控制器，它支持的面板分辨率高达132RGB×132。该驱动器通过提供262K真彩色可显示真正的图像颜色。为了实现这么高的彩色分辨率，MCU通信数据宽度被提高到18位，以确保快速和平滑的视频显示性能。

现在市场上的LED闪光灯驱动控制器都集成了控制电路和Boost开关管，但是电感和用于续流的肖特基二极管还是必需外接，从而增加了电路的复杂性，成本和PCB板的面积。此外，由于闪光灯驱动电路和LED灯、显示屏、手机天线一般位于手机上端，与手机的射频电路靠得很近，因此有效防止驱动电路电感的EMI干扰也很重要。

Sipex基于电荷泵工作模式推出了一系列闪光灯驱动芯片，SP6686、SP6685、SP7685的闪光电流分别为400mA、700mA和1.2A。由于开关频率达到2.4MHz，所以输入输出电容和电荷泵的电容都可以选择比业内其他产品较小的容值。Sipex闪光灯驱动系列的外围电路非常简单，仅仅需要三个电容和两个电阻。

HDMI接口芯片

大多数LCD电视、HDTV都支持双端甚至多端输入，包括来自PC的RGB信号及来自DVD播放器等外部设备的逐行YPbPr输入。高清晰多媒体接口(HDMI)确立了一种标准方法，可通过高速串行数字接口信令，连接各种高清信号源，诸如DVD、机顶盒(STB)、数字视频照相机(DVC)，并把未经压缩的数字视频和音频传输到数字电视、投影仪等接收器。

ADI公司的AD8196和AD8197支持由HDMI v1.3标准规定的1080p“深色”技术。深色技术使HDMI接口的数据速率提高到2.25Gbps，从而允许传输和显示十亿多种颜色。产生的调色板可提供支持下一代消费类电子产品(例如最新的游戏操纵杆)细腻而丰富的色彩。这种新的多路复用器包含的专利技术还允许它均衡20多米长符合HDMI v1.3标准的电缆，从而允许消费者灵活地放置其电视机和家庭娱乐设备，而不损失视频信号。

HDMI接口是一种易受瞬间破坏的外接端口，HDMI插头的内部ESD保护不足以使图像芯片免受破坏。为了确保该端口的性能，所有的HDMI端口都强烈建议采用ESD保护器件。

恩智浦半导体(NXP)的IP4776CZ38芯片在接触模式下，对4个HDMI传输通道、I2C总线、消费类电子控制和热插拔检测(HPD)线路提供高达8 kV的ESD保护。IP4776CZ38配备有逆向驱动保护及针对I2C、CEC和HPD信号的四个双向3.3V至5V电平转换器。线路电容总共只有 0.7pF，TMDS对的电容低于0.05 pF，电容匹配极佳。

当设计HDMI接口电路时，还要注意高速信号引起的EMI问题，因为HDMI最高传输速率高达3.95Gbps，一小段引线就可能构成天线导致EMI问题。因此HDMI布线时必须考虑高速布线问题，必须考虑线长、线宽设置和布局问题。建议HDMI信号线的长度不要超过2英寸，且尽量将芯片靠近板边，以防止其它器件对它的干扰，以及它对其它器件的干扰。

多媒体开关

多媒体开关器件是专用器件的一个新种类，它可以在音频信号、USB数据以及视频信号之间进行切换。例如，随着市场上HDMI产品越来越多，消费者要求能在HDTV上简单连接多个源设备，如游戏控制机、机顶盒和蓝光DVD或HD DVD播放机。HDMI开关能让设计人员轻松地在现有的显示器应用电路中增加第二个HDMI输入端口。

“对视频技术而言，HDM 正逐渐成为高清显示器中不可或缺的功能。HDMI开关为消费产品制造商提供更快的上市时间优势，并能降低材料清单的成本。”飞兆半导体的XXX表示。飞兆半导体的1.65Gbps HDMI 开关FSHDMI04器件可用于 HDTV，它的优点包括：支持每信道高达1.65Gbps的数据率、HDMI可达1080p分辨率、数字可视接口(DVI)连接可达UXGA分辨率、可传送高频数字数据的高带宽等。FSHDMI04系列产品包括FSAV430/433/450视频开关。

飞兆半导体公司的多媒体双刀双掷(DPDT)开关FSA201和FSA221集成了USB和负向摆动音频开关功能，使得音频信号和USB输出能够共享一个Mini-AB的USB插座。这些器件能够自动识别外接配件从而自动在USB和音频状态间进行切换。

为实现数字和模拟音频多路复用，Intersil公司开发了ISL54400、ISL54401和ISL54402双2:1音频/数据多路复用开关。这些芯片整合了针对数据信号的高带宽低电容开关和针对音频信号的超低失真低电容开关，这使得它们可以通过同一个插孔用于USB全速数据下载或每通道20mW MP3编码的立体声音频回放(图2)。

图2： Intersil的ISL54440整合了针对数据型号的高宽带低电容开关，和针对音频信号的超低失真低电容的开关，可用于USB全速数据下载或者立体声音频回放

NSC针对投影仪和监视器应用推出了LMH6582(增益=1)和LMH6583(增益=2)16×8模拟交叉点开关，它们的-3dB带宽达到500MHz，0.1dB增益平坦区延伸到100 MHz，斜率最高达3000 V/?s。在100MHz处，通道间串扰为-50dBc。每个缓存的输出能够驱动两个后端匹配的75Ω视频负载。

开关的导通电容和导通阻抗是开关选择中最重要的规格判断。过大的开关电容会导致信号弧形边缘，造成较慢的上升和下降速度，导通阻抗则往往会引起插入损耗和信号衰减。HDMI/DVI开关的导通电容一般很小，当面对导通电容/导通阻抗的折衷问题时，应当选择较低的导通电容，因为导通电容对系统性能的影响相对较大。

此外，带宽也是选择多媒体开关的一个重要考虑因素。当传输最高视频分辨率信号时，如果开关的带宽不够，将使数据流严重衰减。最后，必须考虑阻抗匹配以及在高速数据线路上增加开关对于信号反射产生的影响。就信号反射而言，最好选择较低的导通电容和较高的导通阻抗，这会使开关输入端的电压驻波比(VSWR)具有较大的幅值，有助于补偿稍高的导通阻抗导致的任何损耗。

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