利用模拟开关切换视频

利用模拟开关切换视频

然数字视频渐呈流行之势，但模拟视频仍在众多的应用中使用。本文讨论了标准的模拟视频格式以及在模拟视频源之间进行切换的方法。

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75Ω。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，CVBS均使用SCART接头，该接头整合了CVBS和音频信号。

切换CVBS

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2.0V_P-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1：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75Ω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75Ω终端电阻，故可以按照稍高于75Ω的阻抗对电路进行端接。如果使用一个300Ω的电阻作为同相运算放大器的接地端，则使用一个95Ω的电阻可以使输入阻抗理想的匹配至75Ω。如果模拟开关的R_ON值为35Ω，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R_ON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95Ω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

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 Pr Pb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2：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250Ω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100µf的电容，再并联一个0.01µf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R_ON仅为5Ω。输入端的1kΩ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VGA RGB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

由于视频信号的多样性，带来了处理多种不同视频源的需求。由于视频信号的这种特点，采用双极性电源或电容耦合的设计都有必要。Maxim提供了大量的模拟开关和视频运算放大器来简单经济地配合这两种解决方案。

注：
¹严格来说，RGB应有比例因数(也就是说，白色 = (.30 x R) + (.59 x G + (.11 x B))
²在大多数情况下，CVBS信号被接收后即进行缓冲输出(如，TV或VCR上的视频输入/视频输出)。