針對(duì)音視頻應(yīng)用的新型模擬器件及其應(yīng)用綜述

越來越強(qiáng)調(diào)“用戶體驗(yàn)”的各種數(shù)字音視頻應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)了模擬技術(shù)的創(chuàng)新，它們不僅增加了對(duì)高性能ADC、DAC、前置放大器、運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)、模擬多路復(fù)用器、電壓參考、運(yùn)算放大器、PLL、比較器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等傳統(tǒng)模擬器件需求，還推動(dòng)了新型模擬器件的開發(fā)。例如，具有出色的聲音質(zhì)量的MP3音樂播放器和數(shù)字收音機(jī)離不開高品質(zhì)的音頻放大器；帶LED/OLED顯示屏、可長(zhǎng)時(shí)間播放高質(zhì)量視頻畫面的多媒體播放器和多媒體手機(jī)要求高質(zhì)量的視頻放大器、視頻濾波器、視頻緩沖器、LED/OLED驅(qū)動(dòng)器；而為了方便快捷地傳輸無壓縮高清晰節(jié)目?jī)?nèi)容、高質(zhì)量音視頻信號(hào)，HDMI接口器件正逐漸在更多的HDTV、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相機(jī)等視頻設(shè)備中采用。

本文將挑選一些專門針對(duì)音視頻應(yīng)用的具有代表的最新模擬器件，討論它們領(lǐng)導(dǎo)市場(chǎng)的獨(dú)特技術(shù)，以及應(yīng)用時(shí)的特別注意事項(xiàng)和技巧。

音頻放大器

消費(fèi)者希望手機(jī)具有更豐富的音頻功能，如和弦鈴聲、MP3音樂、帶音頻的視頻流及3D環(huán)繞立體聲效果。美國國家半導(dǎo)體公司(NSC)的Boomer音頻子系統(tǒng)除了內(nèi)置2.2W的立體聲D類音頻放大器外，還具有可編程 3D 音效增強(qiáng)功能、自動(dòng)耳機(jī)檢測(cè)以及155mW無輸出電容器立體聲耳機(jī)放大器。它的立體聲耳機(jī)放大器可選擇采用電容器耦合模式或無需輸出電容器模式，以滿足不同設(shè)計(jì)的要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師若選用無輸出電容器的結(jié)構(gòu)，便無需像傳統(tǒng)的耳機(jī)放大器一樣，要另外增加體積大但價(jià)錢昂貴的輸出耦合電容器。

“手機(jī)和PMP播放器的正在朝小尺寸的方向發(fā)展。這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)的一個(gè)限制因素是傳統(tǒng)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器能有效工作所必須的最小尺寸。陶瓷揚(yáng)聲器(或者壓電式揚(yáng)聲器)允許更小的外形尺寸，但它們要求對(duì)更復(fù)雜的負(fù)載阻抗提供更高的驅(qū)動(dòng)電壓。”Maxim公司多媒體事業(yè)部執(zhí)行總監(jiān)Tony Doy表示。

MAX9788是一個(gè)集成了負(fù)充電泵電源的單芯片G類功率放大器，專門設(shè)計(jì)用來驅(qū)動(dòng)陶瓷揚(yáng)聲器的。這個(gè)電荷泵電源可以在直流5.5V電壓下提供高達(dá)700mA的峰值電流，輸出電壓峰峰值為14V。MAX9788的高效率能最大化電池使用壽命。

ADI的音頻放大器AD1994能夠提供達(dá)到高保真音響級(jí)的聲音質(zhì)量。AD1994的電源紋波抑制比(PSRR)達(dá)到65dB，它可提供同級(jí)別產(chǎn)品中最好的PSRR，以及允許客戶使用更便宜的單端電源。ADI高速信號(hào)處理部營銷經(jīng)理Steve Hinderliter強(qiáng)調(diào)：在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)特別注意二點(diǎn)，一是必須確保為該器件提供一個(gè)正確的上電順序，二是必須為它提供一個(gè)低抖動(dòng)的時(shí)鐘。

德州儀器(TI)的固定增益D類音頻功率放大器TPA203xD1集成了外部輸入電阻并與其高度匹配，從而可將整體電路板尺寸縮小了近一半。與便攜式消費(fèi)類電子為降低成本而常用的外部電阻器匹配相比，新器件還使PSRR提高了20dB，使共模抑制比(CMRR)提高了12dB，這樣在實(shí)現(xiàn)更出色的音頻體驗(yàn)同時(shí)還能節(jié)省板級(jí)空間。

音頻放大器在手機(jī)PCB設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是PCB面積小，二是存在射頻(RF)電路。在這種情況下，好的布局必須防止射頻能量與電話中的基頻部分或音頻電路的音頻信號(hào)產(chǎn)生串?dāng)_。從布局方面考慮，應(yīng)避免將功率放大器放在天線附近，因?yàn)樵谟须娫挀苋牖驌艹鰰r(shí)，天線的輻射會(huì)與高功率輸出產(chǎn)生串?dāng)_。此外，所有的信號(hào)路徑必須通過接地層進(jìn)行屏蔽/隔離。使用接地層、磁珠和微帶設(shè)計(jì)技巧對(duì)防止干擾非常有用。

視頻放大器

視頻輸出功能正在成為當(dāng)今許多便攜式電子產(chǎn)品的常見功能。由于這種功能通常屬于輔助功能，在正常工作期間視頻驅(qū)動(dòng)器一般處于關(guān)閉狀態(tài)，所以在評(píng)估視頻放大器或視頻驅(qū)動(dòng)器時(shí)，工作電流和待機(jī)電流是關(guān)鍵的參數(shù)。

TI的視頻放大器THS7327集成了三個(gè)模擬視頻通道與兩個(gè)用于 HV 同步的數(shù)字通道，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)并減少了組件數(shù)量?？删幊虨V波器與輸入偏置模式不但能滿足SDTV、EDTV、HDTV 以及UXGA/QXGA RGB 所有信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)所需的通用模擬信號(hào)調(diào)節(jié)要求，而且還可節(jié)省20多個(gè)外部組件。

凌力爾特公司用于單電源應(yīng)用的3路視頻放大器LT6557具有0.8V電源軌的寬輸出擺幅，是一款能在采用5V單電源工作時(shí)提供全視頻擺幅的寬帶RGB放大器。LT6557的500MHz 3dB帶寬、2200V/us轉(zhuǎn)換速率和4ns的建立時(shí)間提高了該放大器的直流性能，可產(chǎn)生更清晰的視頻圖像。

Intersil公司針對(duì)高速視頻和監(jiān)控應(yīng)用的三路放大器EL5367采用專有的定制結(jié)構(gòu)來隔離其三個(gè)放大器，打破了1GHz的速率極限。EL5367的總供電電流僅25mA，可在5V至12V的單供電電壓范圍內(nèi)工作，能夠驅(qū)動(dòng)高于QXGA(2048×1536象素)的分辨率應(yīng)用。

典型的視頻驅(qū)動(dòng)架構(gòu)采用交流耦合或直流耦合方案。通過采用輸入輸出電容，交流耦合可消除傳輸線上的直流電壓，并隔離發(fā)送和接收系統(tǒng)的接地點(diǎn)，從而簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。但是，這些電容會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量，為將對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響減到最小，輸出電容必須在數(shù)百微法的數(shù)量級(jí)。直流耦合無需輸出電容，這對(duì)價(jià)格敏感的大批量產(chǎn)品特別有吸引力，但在輸入信號(hào)存在正負(fù)擺動(dòng)時(shí)，需要額外的負(fù)電源來提供能容納信號(hào)正負(fù)擺動(dòng)的公共輸入電壓范圍。

視頻濾波器/緩沖器

手機(jī)或者PMP中的視頻內(nèi)容越來越多，這些設(shè)備中要求具有復(fù)合視頻輸出和/或S視頻輸出。用在這些設(shè)備中的視頻緩沖器可從模擬標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻濾波器MAX9508得到好處。MAX9508采用了Maxim專利的信號(hào)有效/負(fù)載檢測(cè)技術(shù)，在沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，它能自動(dòng)使視頻輸出無效。SmartSleep技術(shù)能盡量延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，并提供高頻率的EMI濾波(圖1)。Maxim的MAX7481/MAX7482雙向視頻濾波器/緩沖器，可為復(fù)合視頻(CVBS)以及S端子的回放模式提供重建濾波器和線路驅(qū)動(dòng)緩沖器，同時(shí)還為錄像模式提供抗混疊濾波器。

圖1：Maxim的視頻濾波器MAX9508采用SmartSleep技術(shù)，可降低待機(jī)功耗。

Tony Doy指出：在有關(guān)視頻和應(yīng)用應(yīng)用的設(shè)計(jì)中 ，設(shè)計(jì)工程師必須注意整個(gè)產(chǎn)品解決方案的成本，而不僅是芯片的成本。MAX9508和MAX9788能給設(shè)計(jì)工程師帶來如下好處：1)以很低的整體解決方案成本提高高集成度，2)節(jié)能電能，從而增加電池使用時(shí)間。3)僅需很小的外圍無源器件。

飛兆半導(dǎo)體(Fairchild)的超便攜式視頻濾波驅(qū)動(dòng)器FMS6151可把手機(jī)視頻圖像驅(qū)動(dòng)到電視、計(jì)算機(jī)顯示器上。對(duì)于性能要求更高的應(yīng)用，該器件的5階8MHz SD濾波器可以改善圖像質(zhì)量，而低至3.8mA的電源電流(關(guān)斷時(shí)僅為25nA)可延長(zhǎng)電池壽命。

Wolfson的WM883X的關(guān)鍵特性是利用6階濾波器生成高質(zhì)量的圖像。它們支持多種視頻標(biāo)準(zhǔn)，包括RGB、S視頻和SCART。該系列產(chǎn)品的一個(gè)獨(dú)特性能是，盡管它們采用兩種封裝類型，但它們的引腳完全。這意味著如果一個(gè)客戶正在為美國市場(chǎng)設(shè)計(jì)帶S視頻輸出的DVD-RW，他也可以采用一個(gè)引腳兼容的器件和相同的PCB板為歐洲市場(chǎng)提供帶SCART輸出的DVD-RW。

中國圣邦微電子公司的視頻緩沖器SGM9110的Icc為2.3mA，同時(shí)還集成了同步頭箝位功能，能大大節(jié)省帶TV輸出功能的手機(jī)的耗電。該器件可以采用直接耦合輸出，可以省掉SAG補(bǔ)償?shù)膬蓚€(gè)47uF和22uF電容，從而降低成本并減少PCB面積。

LED/OLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片

大多數(shù)小尺寸彩色LCD顯示器都采用白光LED作為背光。這些LED驅(qū)動(dòng)電路由輸出電壓隨時(shí)間變化的電池供電，因此最佳LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，要求考慮電池類型、LCD特性、系統(tǒng)功耗要求和效率、LED驅(qū)動(dòng)器IC及其外部器件、PCB布局、LED驅(qū)動(dòng)器可能產(chǎn)生的噪聲，以及手機(jī)應(yīng)用中的RF抑制等問題。

安森美的NCP5612和NCP5608是業(yè)內(nèi)最小的用于驅(qū)動(dòng)LCD顯示器背光照明的雙路輸出電荷泵，每個(gè)器件最高達(dá)到87%效率。該產(chǎn)品系列具備數(shù)字信號(hào)特性，可控制模擬電源輸出，進(jìn)行亮度調(diào)控。為了在不增加額外元件的情況下保證安全運(yùn)行，NCP5602和NCP5612還具有短路保護(hù)和過壓保護(hù)功能。

安森美半導(dǎo)體公司汽車及電源管理產(chǎn)品部全球銷售及市場(chǎng)總監(jiān)鄭兆雄認(rèn)為：系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)要考量技術(shù)性能，以選擇最佳的元件；要看整體解決方案的成本，而不是IC元器件的成本。另外，質(zhì)量至關(guān)重要，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還要根據(jù)客戶的需要為最終產(chǎn)品提供可靠的解決方案。

如今的許多蜂窩電話、PDA和數(shù)碼相機(jī)除了具備一個(gè)高分辨率的TFT-LCD顯示屏，有的還配備一個(gè)額外的OLED副顯示屏。與同等規(guī)格的LCD相比，OLED顯示屏的亮度更亮、厚度更薄、響應(yīng)速度更快，因而正迅速成為副顯示屏的首選。凌力爾特的LT3466-1是一款專為滿足小顯示屏的電源要求(包括LCD偏置、白光LED背光和OLED顯示屏)而設(shè)計(jì)的雙通道開關(guān)穩(wěn)壓器。LT3466-1集成了一個(gè)全功能白光LED驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)升壓型轉(zhuǎn)換器、44V電源開關(guān)和肖特基二極管，從而能節(jié)省電路板空間、減少元件數(shù)量。這個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器可配置成通過單節(jié)鋰離子電池驅(qū)動(dòng)多達(dá)10個(gè)串聯(lián)白光LED。

SSD1339是晶門科技針對(duì)OLED面板的單片驅(qū)動(dòng)器/控制器，它支持的面板分辨率高達(dá)132RGB×132。該驅(qū)動(dòng)器通過提供262K真彩色可顯示真正的圖像顏色。為了實(shí)現(xiàn)這么高的彩色分辨率，MCU通信數(shù)據(jù)寬度被提高到18位，以確保快速和平滑的視頻顯示性能。

現(xiàn)在市場(chǎng)上的LED閃光燈驅(qū)動(dòng)控制器都集成了控制電路和Boost開關(guān)管，但是電感和用于續(xù)流的肖特基二極管還是必需外接，從而增加了電路的復(fù)雜性，成本和PCB板的面積。此外，由于閃光燈驅(qū)動(dòng)電路和LED燈、顯示屏、手機(jī)天線一般位于手機(jī)上端，與手機(jī)的射頻電路靠得很近，因此有效防止驅(qū)動(dòng)電路電感的EMI干擾也很重要。

Sipex基于電荷泵工作模式推出了一系列閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片，SP6686、SP6685、SP7685的閃光電流分別為400mA、700mA和1.2A。由于開關(guān)頻率達(dá)到2.4MHz，所以輸入輸出電容和電荷泵的電容都可以選擇比業(yè)內(nèi)其他產(chǎn)品較小的容值。Sipex閃光燈驅(qū)動(dòng)系列的外圍電路非常簡(jiǎn)單，僅僅需要三個(gè)電容和兩個(gè)電阻。

HDMI接口芯片

大多數(shù)LCD電視、HDTV都支持雙端甚至多端輸入，包括來自PC的RGB信號(hào)及來自DVD播放器等外部設(shè)備的逐行YPbPr輸入。高清晰多媒體接口(HDMI)確立了一種標(biāo)準(zhǔn)方法，可通過高速串行數(shù)字接口信令，連接各種高清信號(hào)源，諸如DVD、機(jī)頂盒(STB)、數(shù)字視頻照相機(jī)(DVC)，并把未經(jīng)壓縮的數(shù)字視頻和音頻傳輸?shù)綌?shù)字電視、投影儀等接收器。

ADI公司的AD8196和AD8197支持由HDMI v1.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1080p“深色”技術(shù)。深色技術(shù)使HDMI接口的數(shù)據(jù)速率提高到2.25Gbps，從而允許傳輸和顯示十億多種顏色。產(chǎn)生的調(diào)色板可提供支持下一代消費(fèi)類電子產(chǎn)品(例如最新的游戲操縱桿)細(xì)膩而豐富的色彩。這種新的多路復(fù)用器包含的專利技術(shù)還允許它均衡20多米長(zhǎng)符合HDMI v1.3標(biāo)準(zhǔn)的電纜，從而允許消費(fèi)者靈活地放置其電視機(jī)和家庭娛樂設(shè)備，而不損失視頻信號(hào)。

HDMI接口是一種易受瞬間破壞的外接端口，HDMI插頭的內(nèi)部ESD保護(hù)不足以使圖像芯片免受破壞。為了確保該端口的性能，所有的HDMI端口都強(qiáng)烈建議采用ESD保護(hù)器件。

恩智浦半導(dǎo)體(NXP)的IP4776CZ38芯片在接觸模式下，對(duì)4個(gè)HDMI傳輸通道、I2C總線、消費(fèi)類電子控制和熱插拔檢測(cè)(HPD)線路提供高達(dá)8 kV的ESD保護(hù)。IP4776CZ38配備有逆向驅(qū)動(dòng)保護(hù)及針對(duì)I2C、CEC和HPD信號(hào)的四個(gè)雙向3.3V至5V電平轉(zhuǎn)換器。線路電容總共只有 0.7pF，TMDS對(duì)的電容低于0.05 pF，電容匹配極佳。

當(dāng)設(shè)計(jì)HDMI接口電路時(shí)，還要注意高速信號(hào)引起的EMI問題，因?yàn)镠DMI最高傳輸速率高達(dá)3.95Gbps，一小段引線就可能構(gòu)成天線導(dǎo)致EMI問題。因此HDMI布線時(shí)必須考慮高速布線問題，必須考慮線長(zhǎng)、線寬設(shè)置和布局問題。建議HDMI信號(hào)線的長(zhǎng)度不要超過2英寸，且盡量將芯片靠近板邊，以防止其它器件對(duì)它的干擾， 以及它對(duì)其它器件的干擾。

多媒體開關(guān)

多媒體開關(guān)器件是專用器件的一個(gè)新種類，它可以在音頻信號(hào)、USB數(shù)據(jù)以及視頻信號(hào)之間進(jìn)行切換。例如，隨著市場(chǎng)上HDMI產(chǎn)品越來越多，消費(fèi)者要求能在HDTV上簡(jiǎn)單連接多個(gè)源設(shè)備，如游戲控制機(jī)、機(jī)頂盒和藍(lán)光DVD或HD DVD播放機(jī)。HDMI開關(guān)能讓設(shè)計(jì)人員輕松地在現(xiàn)有的顯示器應(yīng)用電路中增加第二個(gè)HDMI輸入端口。

“對(duì)視頻技術(shù)而言，HDM 正逐漸成為高清顯示器中不可或缺的功能。HDMI開關(guān)為消費(fèi)產(chǎn)品制造商提供更快的上市時(shí)間優(yōu)勢(shì)，并能降低材料清單的成本。”飛兆半導(dǎo)體的XXX表示。飛兆半導(dǎo)體的1.65Gbps HDMI 開關(guān)FSHDMI04器件可用于 HDTV，它的優(yōu)點(diǎn)包括：支持每信道高達(dá)1.65Gbps的數(shù)據(jù)率、HDMI可達(dá)1080p分辨率、數(shù)字可視接口(DVI)連接可達(dá)UXGA分辨率、可傳送高頻數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的高帶寬等。FSHDMI04系列產(chǎn)品包括FSAV430/433/450視頻開關(guān)。

飛兆半導(dǎo)體公司的多媒體雙刀雙擲(DPDT)開關(guān)FSA201和FSA221集成了USB和負(fù)向擺動(dòng)音頻開關(guān)功能，使得音頻信號(hào)和USB輸出能夠共享一個(gè)Mini-AB的USB插座。這些器件能夠自動(dòng)識(shí)別外接配件從而自動(dòng)在USB和音頻狀態(tài)間進(jìn)行切換。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字和模擬音頻多路復(fù)用，Intersil公司開發(fā)了ISL54400、ISL54401和ISL54402雙2:1音頻/數(shù)據(jù)多路復(fù)用開關(guān)。這些芯片整合了針對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的高帶寬低電容開關(guān)和針對(duì)音頻信號(hào)的超低失真低電容開關(guān)，這使得它們可以通過同一個(gè)插孔用于USB全速數(shù)據(jù)下載或每通道20mW MP3編碼的立體聲音頻回放(圖2)。

圖2： Intersil的ISL54440整合了針對(duì)數(shù)據(jù)型號(hào)的高寬帶低電容開關(guān)，和針對(duì)音頻信號(hào)的超低失真低電容的開關(guān)，可用于USB全速數(shù)據(jù)下載或者立體聲音頻回放