利用模拟开关切换视频的技术

利用模拟开关切换视频的技术 引言引言 RS 170 在过去曾是黑白图像的标准 视频被分为多个帧 而标准的帧速率是每秒 30 美国 或 25 欧洲 帧 广播电视又将每个帧分成两个隔行扫描场 就北美电视而言 每帧 1 30 秒且 采用隔行扫描 则显示图像可达到每秒 15750 线的行扫描速率 按照惯例 黑电平为极性 最负的图像信号 同步头头电平在黑电平之下 信号各部分的直流电平如图 1 所示 图 1 黑白图像信号的直流电平 视频有效部分的白电平至黑电平之间为 100 个 IRE 单位 因此白电平至同步头为 140 个 IRE 单位 如果信号被衰减 则黑白电平的比值以及白电平与同步头的比值将保持不变 不论信号是否被衰减或放大 白色电平与同步头信号的比值总是 140 个 IRE 单位 现今的复合视频基带信号 CVBS 是 RS 170 的衍生 其白电平至同步头已被设置为 1 0V 白 电平 0 714 空白 0V 同步头 0 286 它可以被看作衰减了 71 的 RS 170 信号 因为 所有的 IRE 值均保持不变 国家电视系统委员会 NTSC 制式修改了部分行幅和场幅 并非 常巧妙的将已降低带宽的色度信息添加到实质上相同的基带信号中 由于黑白视频信号已 经在过去用于广播 为了和早期的设备兼容 黑白信号仍然是任何彩色电视信号制式的 一个组成部分 该信息亦称之为 Y 或亮度信息 Y 由全部的 RGB 信号合成 1 NTSC 以及后来的 PAL 和 SECAM 均采用了类似的方法 由于 Y 信号已被用于广播 所以我 们需要 R Y 和 B Y 信号来产生 RGB 信号 只需借助如下的简单代数操作 即可将 RGB 从 分量信号中提取出来 Y R G B R Y R Y G Y G Y G Y R B 这些操作可以通过一些简单电路的和差运算来实现 对于 NTSC 和 PAL R Y U 和 B Y V 信息经过调制 从而可以轻松的从基带信号中恢复出来 例如 当观察 DVD 播放机输出的 彩色 NTSC 基带信号时 该信号看起来非常像 RS 170 信号 但是 我们可以看到 在同 步头后沿带有许多类似 循环振铃 的色同步信号 频率大约为 3 58MHz 4 43MHz PAL 信 号看起来也非常相似 只是 H 和 V 同步和色同步信号频率有些许的不同 白电平至同步头 的标称值是 1 0V 通常 视频电缆的额定阻抗是 75 RG 59 RG 6 是用于连接视频设备的标准电缆 通常配 有 RCA 复合视频接头 在欧洲 复合电视广播信号均使用 SCART 接头 该接头整合了复 合电视信号和音频信号 切换切换 CVBS 信号信号 所有制式的 CVBS 信号带宽均低于 6 5MHz 由于输入阻抗低且带宽有限 现今的大部分模 拟 CMOS 开关均可轻松胜任此任务 该信号包含负电平部分 设计师可以使用电容耦合 然后将信号箝位在黑电平 如果不够谨慎 则同步头可能会和色同步信号一同丢失 通常 1 0V 信号的变化范围在 6dB 左右 因此该信号可高达 2 0VP P 此时同步头电压约为 600mV 设计师可以选择一个 5 0V 电源的放大器对开关进行偏置 以防止出现问题 如 果该信号会被再次传送到另一个 CVBS 输入端 则设计师必须使用双极性电源供电的方式 2 如果信号停留在同一块电路板上 并用于内部显示 则可以考虑更廉价的偏置方案 应用应用 1 带有缓冲输出的 带有缓冲输出的 CVBS 假设可提供 5 和 5V 电源 则几乎总是需要视频运算放大器进行缓冲 CVBS 信号被施加 至放大器同相输入端上 运算放大器通常设置为 6dB 的增益 以使信号按 2 1 进行放大 然后串入一个 75 的电阻 以使阻抗匹配 在大部分情况下 输出均是通过一个电容进行 AC 耦合的 当输出端采用合理的低阻抗终端电阻时 CMOS 模拟开关的性能最佳 任何与 开关并联的电容均由输入电阻旁路至地 由于 CVBS 信号必须使用 75 终端电阻 故可以按 照稍高于 75 的阻抗对电路进行端接 如果使用一个 300 的电阻作为同相运算放大器的接 地端 则使用一个 95 的电阻可以使输入阻抗理想的匹配至 75 如果模拟开关的 RON 值为 35 则大约会有 1 0dB 的轻微损耗 该损耗可通过稍微调节运算放大器的增益来补偿 如 果开关的 RON 值较高或较低 则可对增益进行相应调节 由于视频运算放大器的输出几乎 为零阻抗 其输出亦可同时驱动其它电路 不宜取消该电阻或使用非常高的阻值 此举会 使视频失去终端匹配 从而产生辐射 使用 95 电阻则不会产生任何不良影响 电路可以 实现良好端接 图 2 的开关是一个带视频缓冲器的 2 1 视频开关的完整电路 该设计采用 了 V 双极性电源设计 图 2 简单的 2 1 CVBS 视频开关 更高性能的模拟视频更高性能的模拟视频 CVBS 在某些应用场合表现良好 但 DVD 及其他设备可提供的 具有较高带宽的录像引发 了对更高带宽连接的需求 S 端子 主要出现在一些 Hi 8 摄像放映机和 DVD 机上 通过传送两种 亮度和色度 信号来 产生更高带宽的图像 每种信号均通过专门的 DIN 接头传送 亮度信号是复合信号的宽带 版本 但不含有色彩信息 则色度信号则是编码后的 R Y 和 B Y 信号 由于现在亮度信号 的带宽更高 并且不需要使用专门的滤波器来分离两种信号 故可以传送更佳的视频信号 亮度和色度信号均可使用标准的视频技术进行传送 亮度信号的带宽可提高至 10MHz 左右 图 2 中的电路类型可用于双通道的 S 端子视频切换 两套开关和缓冲器 分量端子是最新的消费类视频接口 和 VGA 信号不同的是 分量视频由 Y 信号和两个色差 信号组成 而不是 RGB 信号 分量视频信号比 RGB 信号的存储效率更高 是从 DVD 格式 中获得的原始信号 Y 信号为全带宽 并包含同步信息 模拟信号 Y PrPb 需要从信号源传 送至监视器 以下应用即为使用新型开关 MAX4887 带有两个输入端和一路缓冲输出端的 监视器 应用应用 2 带缓冲输出的高带宽分量视频 带缓冲输出的高带宽分量视频 分量视频由三路模拟信号组成 Y Pr 和 Pb 其中 Y 信号为全带宽 在该应用中所选用的 新型三路视频开关 MAX4887 具备极宽的带宽和极低的插入损耗 类似于前一个应用 这 里使用 5V 单电源以及缓冲输出 但开关和视频运算放大器之间采用电容耦合 MAX4887 不仅带宽超过设计要求 而且在等效负载为 250 时 开关损耗几乎为零 为了通过低频同 步信号 必须使用一个 100 f 的电容 再并联一个 0 01 f 陶瓷电容以改善高频率响应 图 3 的电路只显示了一个通道 MAX4887 带有三路高频开关 故可利用另外两路开关完成其 他两路输入 输出电路 以组成一个完整的设计方案 使用 MAX4887 时亦可不带缓冲 图 3 高带宽分量视频设计方案 仅列出一个通道 MAX4887 的串联 RON 仅为 5 输入端的 1k 电阻可确保输入不会悬空 并提供少许回波损 耗匹配 开关和匹配电阻的总损耗为 0 6dB 如此微小的损耗通常无需考虑 和上图的情 况一样 图 4 只显示了一路开关 无论是分量视频或 RGB 视频均使用三路相同的电路 它 们均包含在 MAX4887 中 图 4 使用 MAX4887 的 VGA RGB 视频设计方案 图 4 的电路适用于 VGARGB 视频 如果视频信号具有明显的负极性峰值 则不宜选用 MAX4887 除非输入 ESD 保护电路能防止信号传导 否则负极性信号低于 0 3V 时必将出 现这种情况 如果可提供负电源 则可以在 3 3V 至 1 5V 之间对开关进行操作 由于开 关几乎不需要任何电流 其负电源轨 通常为 GND 可偏置为 1 5V 此时开关仍可以正常工 作 选择引脚除外 将一个 PNP 晶体管反相器的发射极连接至 3 3V 集电极用电阻连接 至 1 5V 即可解决控制电平问题 总结总结 由于视频信号的多样性 带来了处理多种不同视频源的