視頻濾波器FMS的工作原理及其應(yīng)用

1、視頻濾波器FMS6403的工作原理及其應(yīng)用作者：西安科宇電器設(shè)備有限公司 樊新玲FMS6403是飛兆半導(dǎo)體公司針對電視、機(jī)頂盒和DVD播放機(jī)對擴(kuò)展濾波器的需要而設(shè)計的新一代濾波器，具有逐行掃描能力。它由三個截止頻率分別為30MHz、15MHz和8MHz的6階濾波器構(gòu)成。這些濾波器可旁路，這樣帶寬只受輸出放大器的限制。 在每個濾波器通道都有一個2:1多路器。這三個濾波器都用于YPbPr和RGB信號。根據(jù)RGB_SEL控制輸入設(shè)置直流箝位電平。當(dāng)RGB同步脈沖頂部都箝位到250mV時，YPbPr同步脈沖頂部分別被箝位到250mV、1.125V和1.125V。同步箝位時序來自Y/G輸入或外部SYNC

2、_IN引腳。8MHz和15MHz濾波器設(shè)置支持雙電平同步，而30MHz濾波器設(shè)置和旁路模式支持三電平同步。所有通道都接受交流耦合1Vpp信號。增益可選0dB或6dB，這樣在1Vpp輸入時，輸出信號在負(fù)載為交流或直流耦合時，可達(dá)到1Vpp或2Vpp。輸入信號最大為1.5Vpp，輸出信號最大為2.5Vpp。 FMS6403具有以下特征：三組視頻反鋸齒或重構(gòu)濾波器；針對YPbPr和RGB信號輸入的2:1混合輸入；支持D1、D2、D3和D4視頻D型連接器(EIAJ CP-4120)；可選8MHz/15MHz/30MHz6階濾波器以及旁路模式；與SD(480i)、PS(480p)及HD(1080i/72

3、0p)兼容；包括DC恢復(fù)/偏置電路的交流耦合輸入；所有輸出都能驅(qū)動交流或直流75負(fù)載，增益為0dB或6dB；微分增益為0.40%，微分相位為0.25；無鉛TSSOP-20封裝。FMS6403主要用于逐行掃描(PS)、線纜機(jī)頂盒、家庭影院、衛(wèi)星機(jī)頂盒、DVD播放機(jī)、高清晰度電視(HDTV)、個人錄像機(jī)(PVR)和視頻點播(VOD)等視頻應(yīng)用領(lǐng)域。 FMS6403的功能及工作原理 FMS6403可進(jìn)行全面的濾波，其三個通道均可選擇濾波，截止頻率都可在30MHz、15MHz和8MHz之間選擇。另外，濾波器還可以旁路，應(yīng)用在寬帶場合。FMS6403可使消費類設(shè)備在使用同一硬件情況下支持多種分辨率。其功

4、能原理如圖1所示。 圖1：FMS6403功能框圖各通道的多路器輸入都由IN2_SEL引腳控制。用RGB_SEL引腳設(shè)置YPbPr或RGB用的同步脈沖頂部的箝位電壓。三個通道都被設(shè)置成250mV同步脈沖以減少RGB輸入的直流耦合功耗。低輸出偏壓對PbPr輸出不合適，所以對于YPbPr輸入，這些信號被箝位在1.125V，而Y仍箝位在250mV。通過在同步期間施加所需要的直流偏壓來設(shè)置同步脈沖箝位電壓。對Y/G端沒有同步脈沖的系統(tǒng)，提供外部同步輸入。 如果一個輸入Y/G信號有同步信號，而另一個Y/G輸入沒有，可將PCB上的IN2_SEL引腳和EXT_SYNC引腳控制輸入接在一起，用輸入源控制同步源。

5、依FSEL1:0端輸入的不同，Y/G輸入和SYNC_IN分別支持標(biāo)準(zhǔn)清晰度(雙電平)和高清晰度(三電平)同步輸入。 在同步脈沖期間，可以施加信號，使標(biāo)準(zhǔn)清晰度(480i)和逐行(480p)信號箝位在所需要的電壓。對于帶有同步脈沖的信號，同步脈沖頂部被強(qiáng)制在箝位電壓(典型值為250mV)。對高清晰度同步脈沖(三電平同步)，因同步脈沖頂部持續(xù)時間太短，不能用這種方法。為了精確箝位HD信號，同步脈沖啟動定時器，隨即將其箝位在同步脈沖后的消隱電平。如果同步脈沖的幅度是300mV，該脈沖頂部一般仍被設(shè)置為250mV。 三個輸出都由帶有0dB或+6dB的可選擇增益放大器驅(qū)動。用0dB_SEL引腳設(shè)置增益，

6、當(dāng)增益設(shè)置為6dB時，對于1Vpp的輸入，這些放大器能將兩個終端視頻負(fù)載(75)驅(qū)動到2Vpp。輸入范圍限制在1.5Vpp，輸出范圍限制在2.5Vpp。此外，必須將所有的控制輸入驅(qū)動必須為高電平或低電平，不能懸空。 FMS6403能完全從包含同步信號的視頻信號中恢復(fù)同步時序。如果Y輸入視頻信號不包含同步信號，F(xiàn)MS6403可用在外部同步模式下。當(dāng)FMS6403用于外部同步模式(此時，EXT_SYNC引腳為高電平)，SYNC_IN引腳必須輸入脈沖信號。如果沒有視頻信號，也就沒有同步信號，但SYNC_IN引腳仍然必須要有輸入。當(dāng)在視頻輸入端沒有視頻信號時，SYNC_IN可作為每60s一個的同步脈沖

7、，來模擬正常視頻信號中最緩慢的同步信號。 SD和PS視頻同步處理 由于視頻平均直流電平隨圖像容量而變化，所以FMS6403必須控制交流耦合輸入信號的直流補(bǔ)償。如果輸入補(bǔ)償漂移，則會超出放大器共模輸入范圍，導(dǎo)致失真。直流補(bǔ)償調(diào)整也叫箝位，有時也稱偏壓，必須在每一視頻行期間的正確時刻進(jìn)行，最佳時刻是在同步脈沖期間，因為此時輸入電壓最低。同步脈沖頂部的持續(xù)時間很長，足夠逐行補(bǔ)償直流偏差，所以這種方法對于480i和480p信號非常合適。圖2是同步脈沖期間給輸入端加電流，調(diào)整同步脈沖頂部直流補(bǔ)償?shù)睦樱渲型矫}沖頂部被箝位在近250mV。有些有對稱電壓范圍(350mV)的信號，如Pb和Pr，箝位在近1

8、.125V。 圖2：雙電平同步脈沖箝位和偏置在某些情況下，同步電壓可被壓縮到低于300mV正常值。FMS6403能成功得到高于100mV(壓縮到正常值的33%)的SD和PS同步信號。 FMS6403能從含有同步信號的亮度和綠信號中恢復(fù)同步時序。如果視頻信號都不包含同步信號，可將EXT_SYNC控制輸入設(shè)置為高電平，同時必須在SYNC_IN引腳輸入外同步信號，詳細(xì)說明請參考“外部信號”部分。 HD和旁路模式視頻同步 當(dāng)輸入是高清晰度信號時，三電平同步脈沖太短，無法進(jìn)行正確箝位。這時，不要在同步脈沖期間箝位，可以定位同步脈沖，將信號箝位在消隱電平。這一過程可通過下列方式進(jìn)行：對于同步脈沖頂部幅度為

9、300mV的信號，仍將同步脈沖頂部設(shè)置為大約250mV。EXT_SYNC控制輸入選擇同步分離輸出或用箝位電路的SYNC_IN引腳。 對于HD信號，箝位有效時，SYNC_IN信號為高電平。這一過程緊接在同步脈沖之后，此時信號處于消隱電平，其工作過程如圖3所示。 圖3：三電平消隱箝位同步時序 一般地，F(xiàn)MS6403響應(yīng)雙電平同步，如圖4(a)，在B時間段箝位同步脈沖頂部。當(dāng)濾波器轉(zhuǎn)換到高清晰度(30MHz)或旁路模式時，同步處理響應(yīng)三電平同步，如圖4(b)中的C時間段所示，箝位到消隱電平。 圖4：同步時序。(a)雙電平(b)三電平對三電平同步脈沖定位，使在垂直間隔中的幀同步脈沖不觸發(fā)箝位。為了提高

10、系統(tǒng)上電時的穩(wěn)定性，將幀同步脈沖箝位到略高于地電平。一旦幀同步脈沖(以及三電平同步脈沖)高于地電平，正常的箝位過程開始，并箝位到消隱電平，如圖5(b)中C段示。 FMS6403的應(yīng)用實例 圖5是FMS6403用于視頻信號處理的典型濾波電路，圖中列出了FMS6403外圍元件參數(shù)選取值。下面從輸入電路、輸出驅(qū)動等方面做一簡單介紹。 圖5：典型應(yīng)用電路輸入電路 正常工作情況下，F(xiàn)MS6403中的直流恢復(fù)電路要求源阻抗Eq1不大于150。高阻抗源(如負(fù)載為330的DAC)驅(qū)動FMS6403不是最佳選擇。 輸出驅(qū)動 按設(shè)計要求，F(xiàn)MS6403在輸出電流典型值小于60mA下工作，足夠滿足雙(75)視頻負(fù)載

11、。內(nèi)部放大器電流限制到大約100mA，應(yīng)能承受短暫的電路短路，不過，生產(chǎn)商對此能力不予保證。 各輸入均能維持1.5Vpp的最大限定輸入電壓。當(dāng)輸入被箝位在1.125V時，輸出信號沒有意義。對于6dB的增益，輸出應(yīng)該是1.125V1.5V，因為輸出不能驅(qū)動低于地電平的電壓，所以這種情況是不可能發(fā)生的。這種情況雖不會損壞零件，但輸出將被限幅。對箝位在250mV的信號，則不會發(fā)生這種情況。在SYNC(Pb和Pr)期間，對處于其中間幅度的信號，必須箝位在1.125V，而對處于最低的信號，必須箝位在250mV才能正常工作。 典型應(yīng)用電路圖中，150終端負(fù)載與220F電容器構(gòu)成高通濾波器，阻止直流通過而使

12、視頻頻率通過，且避免傾斜。低于220F的電容值都會產(chǎn)生如視頻傾斜等問題。提高電容值，如470F1000F是最佳的輸出耦合電容值。耦合后，平均直流電平為0，所以，所有通道的輸出電壓將以0為中心擺動。 同步恢復(fù) 一般地，F(xiàn)MS6403可得到幅度大于100mV(相對于正常的300mV幅度，壓縮33%)的雙電平同步。FMS6403尋找最低的信號電壓，在輸出端將其箝位到大約250mV。 正常工作情況下，三電平同步壓縮比不能大于5%(15mV)。通過找邊沿及運行定時器定位三電平同步脈沖，來實現(xiàn)在消隱脈沖后肩持續(xù)時間期間箝位。對雙電平同步恢復(fù)，選擇8MHz或15MHz濾波器。對三電平同步恢復(fù)，選擇30MHz

13、濾波器或旁路模式。雙電平和雙電平同步恢復(fù)不可互換。 關(guān)于功耗 計算總功耗時，必須考慮FMS6403的輸出驅(qū)動配置。注意不能超過管芯結(jié)溫最大值。下面舉例說明FMS6403的功耗和內(nèi)部溫升的計算方法。 式(1)中，Eq3 (2) 這里，Eq4，Eq5，Eq6，Vin是輸入信號的均方根值Icc = 90mA，Vs = 5V，RL是通道負(fù)載阻抗。 電路板的布局也會影響熱特性，詳情參看“電路布局注意事項”部分。FMS6403的輸出工作電流一般應(yīng)小于60mA，對于單視頻負(fù)載(150)，該值足以滿足要求。內(nèi)部放大器最大電流限制在100mA，應(yīng)能承受短時間的電路短路，不過生產(chǎn)商不保證此能力。 電路布局注意事項

14、 總體布局和電源旁路對高頻性能和熱特性影響很大。FMS6403DEMO是飛兆半導(dǎo)體公司提供的演示板，在電路布局、器件測試和特性分析時可參考。FMS6403DEMO電路板有4層，含有所有電源和接地板。對高頻布局，最好按照下列原則設(shè)計。 包括10F和0.1F陶瓷旁路電容器；10F電容器距電源引腳應(yīng)小于0.75英寸；0.1F電容器距電源引腳應(yīng)小于0.1英寸；所有外部地引腳盡可能緊密連在一起，最好是在外殼下用一塊大的地線板；設(shè)計通道連接，減少相互間的跡線感應(yīng)；盡可能減小跡線長度，從而減少串聯(lián)感應(yīng)。如果跡線穿過板，應(yīng)選擇器件位置，使使較長的跡線在輸入端，而不在輸出端。如果用多個低阻抗直流耦合輸出，則需特殊設(shè)計以利于散熱。 對于雙層電路板，直接在設(shè)備的下方及電路板的底部放一塊0.51英寸(1.27cm2.54cm)的正方形地線板。用多孔連接地線板。對于多