一種便攜多通道單端轉(zhuǎn)差分模擬視頻測試盒的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

摘 要：隨著電子電路中高頻信號的不斷增加，同時(shí)高頻信號和低頻信號電路混合出現(xiàn)，為了減少信號間的干擾，現(xiàn)在很多時(shí)候需要將普通的RGB單端模擬視頻設(shè)計(jì)成差分信號傳輸，以獲得更好的信號質(zhì)量。而對于模塊驗(yàn)證來說，市場現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)視頻源大多是單端的接口，這使得模塊的視頻功能驗(yàn)證成了困難。本文以AD公司的AD813為例，設(shè)計(jì)一種解決這一困難的便攜轉(zhuǎn)換測試盒，結(jié)合模塊設(shè)計(jì)，介紹了芯片的基本架構(gòu)和特點(diǎn)，以及轉(zhuǎn)換盒對外連結(jié)接口。

關(guān)鍵詞：單端信號；差分信號；RGB視頻

中圖分類號：TN773

模擬信號以往大多采用單端信號傳輸方式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)就是省錢方便，但是信號抗干擾能力差，而差分信號，相對于單端信號在抗干擾能力方面有很大優(yōu)勢[1]。簡單而言，單端信號屬于不平衡信號，因?yàn)樗菃蝹?cè)信號，所以是相對地而言的，沒有與之平衡的信號對，相比平衡信號，不平衡信號一般會(huì)產(chǎn)生較高的諧波失真，而差分信號，則是平衡信號，差分對一般有著共同的共模電平和幅值相同的差模電平。衡量差分信號，人們關(guān)心的是正負(fù)輸入端信號的差值變化。這種平衡信號帶來的諧波失真就相對較小[2]。目前電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性讓設(shè)計(jì)者必須對關(guān)注電路的EMI特性并增加設(shè)計(jì)，這樣才能獲得更好的信號質(zhì)量。因此從EMI設(shè)計(jì)角度，將單端信號轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)成差分信號傳輸算是不錯(cuò)的選擇。

現(xiàn)在很多視頻接口模塊中視頻信號都是差分信號，如何既快又好的驗(yàn)證視頻部分電路的功能，就需要有合適的差分視頻源提供支持，而市場上普通的RGB視頻源都是單端模擬視信號，無法提供差分視頻源，為了解決這一困難，能夠簡單方便的將單端視頻源轉(zhuǎn)換成差分信號，我們選擇用運(yùn)放搭建方式將普通單端模擬RGB視頻轉(zhuǎn)換成可以直接使用的差分視頻源，設(shè)計(jì)一種便攜的視頻轉(zhuǎn)換測試盒，其中轉(zhuǎn)換電路的核心部分選擇的運(yùn)放為AD公司的AD813。從實(shí)際使用來看，此設(shè)計(jì)為視頻綜合驗(yàn)證工作提供了很好的解決方法，收到了預(yù)期的效果。

1 轉(zhuǎn)換盒設(shè)計(jì)與配置

1.1 芯片介紹

AD813片內(nèi)集成了三路視頻運(yùn)放，每一路電流反饋可以提供50mA的輸出電流，可以優(yōu)化驅(qū)動(dòng)后端150Ω視頻負(fù)載。頻率達(dá)到50MHz時(shí)只有0.1dB增益平坦度，差分增益誤差在0.03%，相位差誤差為0.06°。應(yīng)用常規(guī)的電流反饋結(jié)構(gòu)，再通過對設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的仔細(xì)關(guān)注，就可以發(fā)揮出它的出色性能。所以AD813是廣播和視頻電子的理想選擇[3]。

AD813具有低功耗特點(diǎn)，支持+3V單電源操作，也支持±1.2V～±18V的雙電源操作。此外AD813每一路運(yùn)放還包含一個(gè)高速禁止功能可以分別對運(yùn)放進(jìn)行下電或讓其輸出高阻。

1.2 芯片引腳介紹

根據(jù)項(xiàng)目需要，我們選用的AD813為DIP封裝，共十四個(gè)引腳，如圖1所示，1、2、3腳的DISABLE1，DISABLE2，DISABLE3分別對應(yīng)三路運(yùn)放的禁止功能引腳。4、11腳Vs+、Vs-為供電電源的正負(fù)端，第一組5（+IN1）腳、6（-IN1）腳、7腳（OUT1）；第二組12（+IN2）腳、13（-IN2）腳、14腳（OUT2）；第三組10（+IN3）腳、9（-1IN3）腳、8腳（OUT3）為三路運(yùn)放對應(yīng)引腳。

圖1 AD813引腳定義

1.3 電路設(shè)計(jì)

由于每片AD813集成了3個(gè)運(yùn)放，所以對于普通RGB視頻的PAL信號，共需要3片AD813，以一路PAL信號為例說明。如圖2所示。因?yàn)锳D813是一個(gè)電流反饋運(yùn)放，閉環(huán)帶寬是依賴于反饋電阻的阻值，同時(shí)也依賴于供電電壓。還有，當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載小于250Ω開環(huán)響應(yīng)衰減也會(huì)影響帶寬。

除非要保持更寬，更平滑的頻率響應(yīng)，否則，對于反饋電阻的選擇沒有那么關(guān)鍵。以上表1中推薦的這些電阻（金屬膜電阻）結(jié)果會(huì)在0.1dB寬度的帶寬。在渴望帶寬得到最好的控制這些應(yīng)用，1%精度的金屬膜電阻就足夠了。

對于集成運(yùn)放，為了方便分析，我們一般將其看作是理想集成運(yùn)放，理想集成運(yùn)放的理想特性主要是：

a.輸入阻抗為無窮大；b.輸出阻抗為零；c.具有無限寬的頻帶；d.差模電壓增益無無窮大；e.共模電壓增益為零。

基于這些特點(diǎn)，我們可以利用集成運(yùn)放中常用的“虛短”，“虛斷”和“虛地”的思想[4]，分析出反饋電阻。因?yàn)镻AL信號的三路R、G、B轉(zhuǎn)換電路是一樣的，為了便于分析和計(jì)算，所以僅以VRGB表示任一路的輸入電壓，VRGB+表示差分輸出正電壓，VRGB-表示差分輸出負(fù)電壓。電路圖如圖2。計(jì)算如式（1）。

由式（1）可以得出式（2）。

我們?nèi)3=330Ω，放大倍數(shù)為2，則由式得出最優(yōu)的各電阻值如下：R2=330Ω，R7=660，R1=330Ω，R5=330Ω，R6=330Ω，對于匹配電阻，一般選擇R4=75Ω，R8=75Ω，R9=75Ω。

圖2 1路單端轉(zhuǎn)差分電路

1.4 性能優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮

適當(dāng)?shù)呐月冯娫丛O(shè)計(jì)對于高速電路的性能優(yōu)化可以起到非常重要的作用。電源的自感應(yīng)可能導(dǎo)致放大器的反饋加劇產(chǎn)生電路耦合，再加上，如果負(fù)載上有很大的瞬態(tài)電流通過，這樣就需要一個(gè)大的旁路電容（大于1uF）可以減小信號失真。盡管0.1uF的電容在很多應(yīng)用中已經(jīng)足夠了，但在一些其電磁環(huán)境要求比較嚴(yán)格的情況下，更多的比較精細(xì)的旁路設(shè)計(jì)還是需要考慮的。

當(dāng)許多的旁路電容通過并聯(lián)的方式連接后，很重要的一點(diǎn)就是確保他們自身不要形成耦合電路。那么，在這些電容器中找一個(gè)電容串聯(lián)上一個(gè)小阻值的電阻器（比如5Ω），就可以減小這種可能性。同時(shí)，旁路電容必須連結(jié)到地平面上一個(gè)點(diǎn)和接近負(fù)載地參考點(diǎn)之間。這樣可以有效降低色度亮度干擾。

1.5 印制板設(shè)計(jì)考慮

對于所有寬頻放大器，印制板的寄身效應(yīng)可能影響全部的閉環(huán)性能。最重要的是控制0.1dB帶寬在輸出和轉(zhuǎn)換輸入節(jié)點(diǎn)的電容容性漂移。增加信號線和地平板空間距離可以有效減少耦合。同樣，反饋電路和增益電阻連結(jié)信號線要保持盡可能的短，它們中的關(guān)聯(lián)電感才不會(huì)導(dǎo)致高頻增益失效。

差分信號線需要并行等長走線，為了保持阻抗的連續(xù)性，控制差分線特性阻抗為75Ω，注意信號過孔引起的阻抗不連續(xù)，并通過增加接地過孔改善阻抗不連續(xù)的現(xiàn)象，提高信號完整性[5]。各類電源及地采用平板設(shè)計(jì)，以減少信號耦合干擾。

在印制板設(shè)計(jì)中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占一到兩成的耦合度，更多的還是對地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。當(dāng)?shù)仄矫娈a(chǎn)出不連續(xù)，出現(xiàn)跳躍抖動(dòng)的時(shí)候，沒有參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才回提供主要的回流通路。盡管參考平面的不連續(xù)對差分走線的影響沒有對普通的單端走線來的嚴(yán)重，但還是會(huì)降低差分信號的質(zhì)量，增加EMI，所以盡量避免，要保持PCB地線層返回路徑寬而短，不要跨島。

1.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮測試驗(yàn)證的方便性，特別是在作為環(huán)境試驗(yàn)測試設(shè)備時(shí)，往往要考慮結(jié)構(gòu)的耐用性和便攜性，需要將印制板用螺釘固定在一測試盒中，把電源線和輸入輸出信號線焊接到測試盒的面板專用連接器上。這樣方便拆卸和連接。為了保護(hù)測試盒的面板接線柱，又便于移動(dòng)攜帶，測試盒上部設(shè)計(jì)了盒蓋，并在側(cè)面做了把手。

2 結(jié)束語

本文以AD公司AD813為例的通過AD轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，把單端PAL視頻源轉(zhuǎn)換成所需的差分視頻源。此項(xiàng)目調(diào)試完成后，在沒有現(xiàn)成差分視頻源的情況下，成功的應(yīng)用在了綜合任務(wù)處理機(jī)的綜合測試驗(yàn)證環(huán)境中，為視頻疊加模塊的驗(yàn)證工作帶來了極大的方便，取得了很好的效果。此設(shè)計(jì)還兼顧了差分視頻源的通用性，還可以為其他場合提供便攜差分視頻源。

參考文獻(xiàn)：

[1]百度文庫.差分信號與單端信號[EB/OL].www.baidu.com.

[2]ADI公司.通信應(yīng)用中差分電路設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)[J].世界電子元器件，2011（01）.

[3]AD.AD813 Datebook，REV.A.

[4]史正鳳.集成運(yùn)算放大器的虛短虛斷概念及在線性運(yùn)算中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2007（06）.

[5]王紅飛，李志東，喬書曉.過孔阻抗控制及其對信號完整性的影響[J].印制電路信息.2012（04）.

作者簡介：陳國（1980-），男，江蘇宿遷人，工程師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用與開發(fā)。

作者單位：中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710065