- 電路中能量消耗在哪里
- 低功耗視頻濾波放大器的發(fā)展方向
- 利用DirectDrive技術(shù)，能夠輸出接近零直流偏置的視頻信號
能量消耗在哪里
簡單地說，每個(gè)電路的功耗包括自身工作的損耗和驅(qū)動(dòng)負(fù)載的損耗。圖1中，電源為電路提供總電流(IT)，其中IQ是運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流，IL是負(fù)載電流。電流和電源電壓相乘得出功率。首先按照以下公式計(jì)算靜態(tài)功耗(PQ)、負(fù)載功耗(PL)以及總功耗(PT)：
PQ=VDD×IQ
PL=VDD×IL
PT=PQ+PL=VDD×(IQ+IL)
圖1單電源運(yùn)算放大器，帶有一個(gè)對地的電阻負(fù)載
為降低實(shí)際消耗的功率，必須同時(shí)減小PQ和PL。減小VDD、IQ和IL都可以達(dá)到這一目的。通常情況下，芯片的數(shù)據(jù)資料會(huì)給出IQ或PQ參數(shù)，但很少提到典型信號和典型負(fù)載條件下的平均功耗。對于便攜式視頻濾波放大器，由于電路不是處于關(guān)斷狀態(tài)，就是完全開啟，因此，PQ幾乎是無用信息。完全開啟時(shí)，視頻濾波放大器為負(fù)載提供視頻信號驅(qū)動(dòng)。沒有視頻負(fù)載時(shí)，為了節(jié)省電池能量，應(yīng)關(guān)斷視頻濾波放大器;如果在沒有視頻負(fù)載時(shí)開啟視頻濾波放大器，會(huì)造成電池能量的浪費(fèi)。
3.3V視頻濾波放大器的功耗
當(dāng)3.3V視頻濾波放大器向負(fù)載提供視頻信號驅(qū)動(dòng)時(shí)，功耗增大。平均功耗定義為視頻濾波放大器以50%平場視頻信號驅(qū)動(dòng)150W對地負(fù)載時(shí)的功耗。50%平場信號作為典型的視頻信號，在電視上顯示為灰屏(PL取決于圖像內(nèi)容，黑屏?xí)r功耗最低，白屏?xí)r功耗最大)。注意，盡管元件的PQ差別很大，平均功耗卻非常接近。
將視頻信號驅(qū)動(dòng)至視頻負(fù)載會(huì)造成功耗增大，這在很大程度上取決于視頻放大器的輸出方式。MAX9502的輸出視頻信號采用了正向直流偏置(見圖2)。維持輸出信號的正向直流偏置會(huì)使總功耗增大。因此，MAX9502必須輸出大約8.7mA的電流。
圖2MAX9502G應(yīng)用電路
利用DirectDrive技術(shù)，MAX9503能夠輸出接近零直流偏置的視頻信號，無需任何交流耦合電容。由于片內(nèi)反向電荷泵可產(chǎn)生負(fù)電壓，因此，這一技術(shù)使MAX9503能夠輸出地電平以下的信號。盡管DirectDrive增大了PQ，但由于PL降低，MAX9503的平均功耗能夠與MAX9502保持在同一水平。由于直流偏置接近地電平，MAX9503只需輸出較小的電流。
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1.8V視頻濾波放大器
MAX9509是視頻濾波放大器，降低了平均功耗和PQ，如圖3所示。其電源電壓(VDD)由3.3V降到了1.8V，1.8V是手機(jī)正在逐漸使用的數(shù)字I/O電壓;靜態(tài)電源電流(IQ)也由12mA降到了3.1mA。
圖3MAX95091.8V應(yīng)用電路處理50%平場信號，大大降低了功耗
當(dāng)視頻濾波放大器采用1.8V電源電壓工作時(shí)，必須采用DirectDrive技術(shù)。采用電壓模式輸出級的放大器必須至少提供2VP-P擺幅，才能輸出復(fù)合視頻信號。傳統(tǒng)的放大器采用1.8V單電源供電時(shí)，沒有足夠的余量產(chǎn)生2VP-P輸出信號。而采用DirectDrive后，集成反向電荷泵將產(chǎn)生一個(gè)嘈雜的-1.8V電壓;負(fù)電壓線性穩(wěn)壓器將-1.8V電壓穩(wěn)定到-1V，降低了電荷泵噪聲。因此，實(shí)際采用-1V~+1.8V的電壓供電時(shí)，MAX9509剛好有足夠的余量輸出2VP-P視頻信號。
MAX9509采用低電壓、低IQ的DirectDrive輸出級，器件平均功耗大大低于3.3V器件的功耗。更值得注意的是，MAX9509平均功耗低于3.3V視頻濾波放大器的PQ。在如此低的電壓下，電路高速工作，噪聲將大大增加，因?yàn)榇藭r(shí)電路的工作電流要比正常情況低。MAX9509在設(shè)計(jì)過程中考慮了噪聲問題，該器件具有極佳的峰值信噪比(SNR)，達(dá)到64dB，足以滿足消費(fèi)類產(chǎn)品的要求。為了使電視屏幕顯示清晰的圖像，峰值SNR應(yīng)該在40dB左右。
將充滿噪聲的電荷泵與濾波器和放大器放置在同一芯片內(nèi)是主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。電荷泵有可能向敏感的視頻信號引入開關(guān)噪聲。把MAX9509的電荷泵與視頻信號通路隔離開可以有效解決這個(gè)問題，得到極低的電荷泵噪聲頻域特性，而且，從時(shí)域特性也幾乎觀察不到噪聲。消費(fèi)者在屏幕上觀察MAX9509的輸出信號時(shí)，既不會(huì)看到寬帶噪聲，也不會(huì)看到電荷泵噪聲。
低功耗視頻濾波放大器的發(fā)展方向
雖然低功耗視頻濾波放大器的開發(fā)工作已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但芯片設(shè)計(jì)人員還有許多工作要做。例如，視頻負(fù)載檢測。如果視頻濾波放大器具有負(fù)載電子檢測功能，并為微控制器系統(tǒng)提供負(fù)載狀態(tài)，只在出現(xiàn)有效的視頻負(fù)載時(shí)開啟視頻輸出電路，即可進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的智能化視頻功耗管理。目前，大多通過機(jī)械插孔檢測視頻負(fù)載的插入，以開啟視頻輸出電路。
如果電纜另一端沒有連接電視或其他監(jiān)視器，這種方法將造成電池能量的浪費(fèi)。視頻負(fù)載電子檢測的另一個(gè)好處是只需要標(biāo)準(zhǔn)連接器，而不需要帶有機(jī)械插孔檢測的連接器，與標(biāo)準(zhǔn)連接器相比，這種機(jī)械連接器增加了成本，而且占用更大空間。
便攜式設(shè)備中，低功耗一直是重中之重;考慮到越來越高的能源成本和全球變暖問題，采用墻上適配器供電的設(shè)備也越來越注重功耗問題。因此，發(fā)展趨勢是在模擬芯片中集成更加智能的電源管理電路。
對于視頻濾波放大器，不但功耗要低，而且還應(yīng)該具備視頻負(fù)載檢測、視頻輸入檢測和控制電路，以便控制相應(yīng)的工作模式。由于視頻芯片一般用于價(jià)格競爭激烈的消費(fèi)類電子產(chǎn)品，因此，最大的難題是如何在增強(qiáng)智能化電源管理的同時(shí)不會(huì)過多地增加成本。
