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视频放大器/滤波器的模拟要求和实施 作者：Randy Stephens 德州仪器(TI) 日期：2007 年09 月01 日 文章摘自：今日电子 模拟滤波 为什么模拟视频要使用过滤技术呢？如前所述，将模拟视频信号与数字视频信号相互转换是 很常见的。对显示器和DVD 刻录机等接收设备来说，这就需要使用模数转换器(ADC) 。对 机顶盒和DVD 播放器来说，就需要使用数模转换器(DAC) 。ADC 和DAC 提供的画质都取 决于采样频率。 为了保持较好的图像质量，经数据转换的图像必须经过滤波 （见图 1）。这时我们就要在信 号路径上放置模拟滤波器。用滤波器来消除DAC 图形 （即重构滤波器）。 图1 经过滤波器的标清视频DAC 图形 消除DAC 和ADC 图形可提高画质。不过，我们应采用哪种滤波器类型呢？需要多少极点 呢？最适合视频信号的截止频率、平坦度和群延迟是什么呢？如果问10 位工程师这个问题， 我们可能会得到10 个不同的答案。 比较好的做法是，尽可能保持带通的平坦度，以及大部分衰减靠近数据转换器的采样频率。 如果只考虑这个要求，我们可以采用椭圆滤波器或契比雪夫滤波器等类型。如果只关心电平 平坦度和衰减，那么这些滤波器会比较理想，使任何系统都能满足SMPTE 滤波器的特性要 求。不过，我们不能忘记群延迟，因为SMPTE 标准还包括群延迟方面的限制，系统应努力 满足上述两种要求，而不是只满足一种要求。 因此，我们必须在电平平坦度、截止频率、衰减和群延迟差异间取得平衡，以获得合适的视 频滤波器。大家一致认为，巴特沃思滤波器对消费类电子视频来说是一种较好的平衡型滤波 器，电平响应实现了最大的平坦度，衰减率适当，群延迟也不错。它虽说不上是最理想的， 但通常对系统而言已经足够好了。 滤波器示例 THS73x3 系列是集成滤波器/放大器，采用功能改进型五阶巴特沃思滤波器结构，略微降低 了Q 或峰值因数，以最小化群延迟差异。其缺点在于，平坦度不像真巴特沃思滤波器那么 理想，但衰减性基本相同。我们选择了五个极点而不是四个或六个，这是因为奇数阶滤波器 有真正的实极点，而不是像偶数阶滤波器那样都提供复极点。有人可能认为实极点没什么关 系，不过实际经验证明，实极点对有源滤波器系统会非常有用，特别是在采用 Sallen-Key 架构时。Sallen-Key 系统中有高频路径通过，能较方便地通过放大器带宽限制以外的高频。 系统中的实极点可将高频信号通过旁路接地，不受放大器带宽限制的影响。因此，这有助于 确保滤波器保持高频。 为了显示群延迟和电平平坦度的影响，我们模拟了一个五极的0.5dB 契比雪夫滤波器，截止 频率 （在-0.5dB 以下时）为10MHz。此外，我们还模拟了五阶功能改进型巴特沃思滤波器， 截止频率 （以-3dB 以下时）为8.5MHz。从图2 中可以看出每个滤波器的电平响应。与预期 一样，契比雪夫滤波器的纹波为0.5，不过平坦度为10MHz，大大超过巴特沃思滤波器的平 坦度。此外，在27MHz 的临界点上，契比雪夫滤波器的衰减率较高，达到了 56dB 的衰减 率。在27MHz 上，巴特沃思滤波器只实现了46dB 的衰减率。事实上，这对视频系统而言 已经足够了。 图2 滤波器电平响应 使用有源滤波器时要牢记，滤波器的Q 越高，放大器的带宽就越高。如果使用贝塞尔或巴 特沃思滤波器乃至更高阶的版本，我们要把各级的Q 保持相对较低。设计支持椭圆或契比 雪夫响应的滤波器，其Q 值较高，需要较高带宽的放大器才能适当实施。否则，放大器对 滤波器就会造成影响，从而改变我们所需的响应。我们可通过修改组件值来实现上述目标， 不过放大器之间的差异会因此变得更大。 无源滤波器和有源滤波器的比较 无源滤波器因为其成本较低，所以在目前比较常见。不过，在PCB 电路板面积、占用、额 外组件数量、组装时间、带通信号损失、对电感器造成电磁干扰以及容限方面，它又存在一 些缺点。电感器和电容通常会存在¡ 10%个体差异，特别是低成本组件的差异会更大一些。 在集成有源滤波器设计中 （比如 THS73x3 所采用的单位增益 Sallen-Key 滤波器），平坦度 和峰值的差异可以得到严格的控制。我们对单位增益Sallen-Key 滤波器进行敏感度分析。可 以看出，只要电阻间和电容间与单位增益的匹配比较严格，那么只有截止频率会有所差异， Q 不会出现差异。如果Q 出现差异，那么