[科普中国]-视频放大器

视频放大器(Video Amplifier)是放大视频信号，用以增强视频的亮度、色度、同步信号。当视频传输距离比较远时，最好采用线径较粗的视频线，同时可以在线路内增加视频放大器增强信号强度达到远距离传输目的。视频放大器可以增强视频的亮度、色度和同步信号，但线路内干扰信号也会被放大，另外，回路中不能串接太多视频放大器，否则会出现饱和现象，导致图像失真。

匹配的重要设备视频分配器经过视频矩阵切换器输出的视频信号，可能要送往监视器、录像机、传输装置、硬拷贝成像等终端设备，完成成像的显示与记录功能，在此，经常会遇到同一个视频信号需要同时送往几个不同之处的要求，在个数为二时，利用转接插头或者某些终端装置上配有的二路输出器来完成；但在个数较多时，因为并联视频信号衰减较大，送给多个输出设备后由于阻抗不匹配等原因，图像会严重失真，线路也不稳定。则需要使用视频分配器，实现一路视频输入、多路视频输出的功能，使之可在无扭曲或无清晰度损失情况下观察视频输出。通常视频分配器除提供多路独立视频输出外，兼具视频信号放大功能，故也成为视频分配放大器。

视频分配放大器以独立和隔离的互补晶体管或由独立的视频放大器集成电路提供4～6路独立的75Ω负载能力，包括具备彩色兼容性和一个较宽的频率响应范围（10Hz ～7MHz ），视频输入和输出均为BNC端子。

视频监视器监视器是监控系统的标准输出，有了监视器我们才能观看前端送过来的图像。监视器分彩色、黑白，尺寸有9 、10 、12 、14 、15 、17 、21 、29 英寸等，常用的是14 英寸。监视器也有分辨率，同摄像机一样用线数表示，实际使用时一般要求监视器线数要与摄像机匹配。另外，有些监视器还有音频输入、S-video 输入、RGB 分量输入等，除了音频输入监控系统用到外，其余功能大部分用于图像处理工作，在此不作介绍。清晰度：彩色监视器一般在 300-500 线黑白监视器一般在700-1000 线，专业监视器与普通电视机的差别在于：其一是电视清晰度较高；其二是防磁性能好，以便并排安装时不会互干扰，而普通电视机则不具备防磁功能；其三是可靠性好，监视器可以接受长时间不间断工作，而普通的电视机则不能。在最小系统中可以仅有单台监视器，而在大系统中则可能是由数十台监视器组成的电视墙；监视器可以是黑白的，但更多的是彩色监视器；既可以是6英寸、9英寸的小屏幕监视器，也可以是40英寸左右的大型监视器、等离子体平板显示器或上百英寸的投影；在实际应用中，既可用专业级的纯监视器，也可用价格便宜的彩电取而代之；在图像显示质量方面，有用标准分辨率的监视器，也有追求高图像质量而采用的高分辨率监视器。从使用角度而言，实用性是对其作出选择的前提，特别体现在下列各点上：

（1）监视器类型的选择应与前端摄像机类型基本匹配，黑白摄像机一般具有分辨率较高的特点，且价格较为低廉，在以黑白摄像机为主构成的系统中，宜采用黑白监视器。

（2）对于不仅要求看得清楚而且具有彩色要求的场合，随着大量使用彩色CCD摄像机，此时视频图像的显示必然用彩色监视器，但此时对彩色监视器分辨率的选择要适中，350～400线是较理想的标准。

（3）600～800线分辨率的高档CRT彩色监视器，其刷新率一般为每秒75～80帧，只宜用在图像质量要求极高的场合。

（4）除分辨率指标外，目前时兴的是监视器具有易于控制和调节的功能。

（5）监视器有不同的扫描制式，选用时应注意。

（6）对于闭路电视监控系统而言，特别是在经费不太富裕的条件下，选用价格相对便宜的彩电是可行的折衷方案之一，但必须具有视频输入端子。

（7）监视器屏幕大小的选择，应以与视频图像相匹配为原则，用于显示多画面分割器输出图像的监视器，由于一屏上有多个摄像机输出图像，因此宜采用大屏幕的监视器。

长时间录像机所谓长时间录像机指的是一盘180分钟录像带可记录8小时以上的监控图像，有24小时型和长时间型之分，大多以时间分割方式断续地记录图像，最长的记录时间可长达960小时，这称之为时滞式（ time lapse ）长时间录像机。此外，还有以连续方式记录24小时画面的实时（ real time ）长时间录像机。

长时间录像机是将摄像机信号于磁带上的一种磁记录备，其特点是通过普通的180 分钟的磁带记录长达24 小时甚至于960 小时的摄像机信号，从而极大地节省了磁带，便于管理。长时间录像机的磁头是走停相间，也就是说通过损失一定的画面时间来换取长延时效果，故其回放的图像将会有明显的效果。

关键参数

电视水平清晰度：一般VHS 模式的录像机可达250 线左右，SVHS 模式的录像机可达400 线左右。

长时间录像机的分类：

1）按时间分：24 小时录像机，480 小时录像机，960 小时录像机。

2）按制式分：VHS 模式，S-VHS 模式。

与家用录像机不同，延时录像机可以长时间工作，可以录制24 小时（用普通VHS 录像带）甚至上百小时的图像，可以联接报警器材，收到报警信号自动启动录像，可以叠加时间日期，可以编制录像机自动录像程序，选择录像速度，录像带到头后是自动停止还是倒带重录。

延时录像机的性能虽然出众，但价格不菲，而且目前分辨率不是很高，在延时录像时图像也会丢失一部分，回放的图像是一顿一顿跳跃的。

数字化图像记录装置作为以数字化硬盘存储录象的全功能主机，具备视频压缩、数字化硬盘存储及视频解压功能，可以完全记录下摄像机的高清晰度画面，解决闭路电视监控系统后端环节的低清晰度损失，使录象回放能达到极高的清晰度。

视频图像打印输出装置彩色视频输出设备除了彩色喷墨打印机、彩色激光打印机外，还有彩色视频印像机。彩色视频印像机是一种图像输出设备，大多采用热敏染料转移成像方法，分辨率较高，色彩还原性好。彩色视频印像机是智能化装置，只要连接显示器后即可进行功能菜单操作。

如何耦合视频放大器视频高速放大器中交流耦合与直流耦合有何区别？

通过采用输入输出电容1，交流耦合消除了传输线上的直流电压，并将发射和接收系统的接地点隔离起来，从而简化了电路设计，但是，这些电容也危及到信号质量，某些系统可以允许这种影响，而另外一些系统则不能容忍这种损害。

为将这种对信号质量的损害减小到最小，输出电容就必须在数百微法的数量级，由于直流耦合可以取消输出电容，因此在对价格敏感的大批量产品中就特别有吸引力，但在输入信号存在正负摆动(想象一下负视频同步脉冲的情形)的情况，就无吸引力可言，这是因为，这种复杂局面就需要一个额外的负电源来保证一个能够容纳信号正负摆动的公共输入电压范围。

如何确定输出电容大小？

由于放大器必须驱动一个相对低阻抗的传输线，所以输出电容COUT就不能象CIN那么小。通过50或60Hz的信号就需要一个大于100μF的大输出电容，100μF是一个物理尺寸和成本之间的平衡点。在图1中，传输线是后端匹配的，这样输出电容在输入端的有效电阻是150Ω而不是5 kΩ。虽然这与反馈网络是并联的，但由于反馈电阻相对大，其影响可以忽略不计，通过60Hz垂直同步信号就需要220μF(f0 = 9.6Hz)或更高一些的低阻抗输出电容。

必须根据通过信号低频成分的要求来计算输入/输出电容值。

对下陷进行进一步的频率补偿具有以增加元件的代价减小所要求输出电容尺寸的好处。而采用直流耦合则可以完全消除输出电容。

下陷(sag)是什么？消除下陷也会同时缩小输出电容的尺寸吗？

当电荷积累在输出耦合电容两端时，就会发生下陷。在场测试信号或条形图测试信号中，下陷表现为扫描期间视频波形中的一个斜移，在TV监视器上，下陷就表现为从图像一边到另一边或从上到下的亮度变化。对低端产品而言，其影响可以被忽略，但在专业设备和广播设备是肯定是不可接受的。要消除下陷，可以采用更小尺寸的输出电容，但需要付出增加电路元件的代价。下陷的纠正建立在对由后端匹配传输线和输出电容形成的高通滤波器进行低频补偿的基础上。中给出了补偿电路。产品数据表一般都会提供最佳的元件取值，在典型情况下，RFB可以取10 kΩ，RIN和RSAG可以取1 kΩ，COUT 47μF，CSAG取22μF。

如使用可处理公共输入电压的放大器，它会对直流耦合产生什么影响？

许多不带或带有内部增益调节电阻的输出驱动器，可以控制正负摆动的信号，其缺点是需要一个±5-V电源。在专业的高端设备中可以接受额外增加的复杂性，但对于面临成本和电路板空间约束的设计而言就没有吸引力。幸好最新的放大器具有一个内部电荷泵，可以产生达-1.6 V的VEE，这样使用单个3.3-V的电源就可以获得4.9-V的公共输入电压。

市面上有哪些直流耦合视频放大器产品？

到现在为止，直流耦合视频放大器还处于小范围应用。2005年年中，两家芯片供应商推出了基于集成电荷泵的直流耦合视频放大器。其中一家的产品封装了一个放大器，而另一家则封装了三个放大器，两种产品的每通道增益均为6db，芯片上集成了一个6极巴特沃斯滤波器，以在视频输入端对来自数模转换器的信号进行重建滤波。两家供应商在处理电荷泵噪声的方式上略微有所区别，但都取得了出色的结果。单放大器芯片采用了一个电荷泵和线性调压器，而三放大器芯片则采用一个多级电荷泵。

发展与挑战更低功耗、更小封装以及良好的匹配性的要求近几年随着手机和LCD电视等市场的不断扩大，用户对于视频放大器2的要求发生变化，更低功耗、更小封装以及良好的匹配性能都变得十分重要。一些公司如英特矽尔、凌特、德州仪器和飞兆半导体等纷纷推出了新型放大器来满足视频应用领域对于驱动器和缓冲器的需求。

凌特公司针对高性能视频领域推出的型号为LT6553的放大器，分辨率超过了1600x1200像素，LT6553适用于SXGA和UXGA LCD投影仪及监视器、数字显示器(presenters)、扫描仪，以及车载导航和车内视频系统等汽车显示器系统、数码相机及CCD影像系统。对于简单的多路复用和信号路由，LT6553具有关/闭功能，能够在50ns内启动，适合扩频和便携式应用。

英特矽尔公司为了满足高分辨率显示器接口的要求推出了EL536x系列新型运算放大器，EL536x系列三电反馈放大器满足高带宽和低噪声方面的要求，最重要的是，脉冲响应受到控制。这些新器件的功耗低于将三个单独的放大器组合到一起，单片架构也可获得更加出色的增益匹配。德州仪器(TI)的OPA693视频驱动器解决方案提供良好的脉冲响应，面向新兴的高分辨率RGB应用。OPA693是目前市场上最快的+/-5V固定增益放大器，DC和AC精度显著提高，它的优势在于高达700MHz的带宽和2500 V/us转换和谐提供的高像素条件下的脉冲保真度，且价格低于同类产品。

飞兆半导体推出的FMS6418A是一款高度集成的三输出视频驱动器，可用于高清(HD)或者标准分辨率(SD)信号过滤，在对信号进行数字化(抗锯齿处理)之前消除高频噪声，或者用于消除在编码器(重建过滤)D/A转换过程引起的artifact。该产品面向HDTV显示器、有线和卫星机顶盒、DVD、PVR、视频点播、音频/视频接收机等领先的视频应用领域，具有更高的性能及灵活性，减少了元件数量。FMS6418A具有三个6代顺序滤波器，频率可以是30 MHz (HD)或8 MHz (SD)。FMS6418A在每个滤波器通道上结合了一个2：1多路复用器，三个通道全部具有过滤和输出放大功能。与分立式解决方案相比，在成本和设计方面具有优势。

不同应用领域需求各异尽管制造商推出了种类如此繁多的产品，但是不同的终端产品，所需要放大器产品的性能也都不尽相同。要求最苛刻的应用领域是液晶投影机领域，该领域产品尺寸小、易碎、具有明亮的高分辨率显示，同时还要有良好的价格。这就要求视频放大器具有更高的带宽和转换速率、低功率、封装尺寸小及良好的通道分隔性能。Soule还指出另一个挑战是让视频通过很长的电缆线，例如老式的CAT5电缆。凌特公司的新款LT6552是一种差分视频放大器，解决了这个问题，能在1000英尺长的双绞线上传输视频。

在设计任何应用的视频系统时，视频放大器的性能都非常关键。其中一种应用是宽带视频路由器和交换机，带宽为100~500MHz。为了支持这样高的带宽，终端产品需要带宽极高的内部运算放大器，甚至10倍于所需要的带宽。制造商广告中所说的带宽数字是可以造假的，要关注的重要带宽数字是大信号带宽(LSBW)规格，通常被认为是1 volt peak-to-peak (Vpp)甚至更高。许多制造商广告中所说的是小信号带宽(SSBW)，但是，总体来说视频信号使用的是大信号(2Vpp)。客户可能被小信号规格所诱惑，但是LSBW数值较高的产品更有价值。

意识到了市场对LSBW的需求，国家半导体最近推出了一种三宽带、750 MHz的运算放大器LMH6738和三宽带、750 MHz的可编程增益缓冲器(PGB)LMH6739，具有400 MHz LSBW、3300 V/us转换速率和200 MHz 的0.1dB增益平度，在驱动高分辨率RGB视频信号方面的性能优于同类产品。视频放大器的一个重要特点是0.1dB增益平度。通常增益平度越高，支持的视频分辨率越高。例如，HDTV系统需要30~50 MHz 的0.1dB增益平度。另一方面，当面对高分辨率视频信号(如电脑图像)时，需要的增益平度接近100~200MHz 0.1dB。

同时在使用视频放大器进行设计时也需要注意一些问题，如信号的失真等等。为使视频放大器带给视频信号的失真降至最小，这点非常重要。使用专业级设备的多数客户，将会考虑第二和第三级谐波失真，-80至-90 dBc @ 5MHz是其系统的最低要求。当面对复合视频信号时，差分增益/差分相位(DG/DP)数值非常重要，一般要求其为0.02%/0.02，或者更低。在复合视频中，颜色信息在亮度信息的上面，因此最低的DF/DP数值将生成最清晰的和失真最小的图像质量。

对于数码相机和可播放电视的手机等便携式视频设备来说，最重要的是高集成度、低功率关机、小尺寸封装和容易连接到DSP芯片上的嵌入式视频D/A转换器。良好的视频显示是重要的，但消费类产品的视频要求不象广播和专业级视频领域那样苛刻，对于这种应用来说电压反馈是极其重要的配置。这类放大器的重要特点包括：集成式过滤器帮助重建DAC信号、低功率关机（最好低于5uA）、低电压（最好利用2.8-5V的单电源运行）、SAG校正、能够进行DC耦合输出同时不会影响同步脉冲、采用SC70、QFN或CSP封装等。

未来市场的需求趋势视频领域存在许多趋势，其中比较重要的一个趋势是分辨率越来越高。随着便携产品的视频分辨率由VGA提高至SXGA和更高水平，运算放大器的速度也将随之提高，运算放大器也要改善其带宽和失真性能，以满足高分辨率视频的要求。市场的总体需求趋势大体相同：比如便携式产品对更低电压的要求意味着视频放大器的电压也更低，同时需要更多的轨到轨放大器；采用更小的封装，同时集成更多的片上功能，如增益电阻，在更高的带宽上采用片上反馈路径改善信号完整性和降低串扰低功耗；更快的速度以满足更高的屏幕分辨率，如SXGA、UXGA和HDTV格式等；最后是更低的功耗，比如凌特的LT6210/1电流反馈放大器的特点是一个‘Rset’电阻，它允许系统设计人员调整带宽，实际上是速度-功率旋钮。这意味着系统设计人员可以设定放大器，使之在给定的信号带宽上永远不会耗用过多的功率。

本词条内容贡献者为:

方正 - 副教授 - 江南大学