Distribución de señales de vídeo mediante amplificadores de baja tensión

Los diseños de vídeo suelen estar presionados para funcionar con las tensiones de carril más bajas posibles, un simple resultado de la tendencia a la lógica de baja tensión y de las ventajas de compartir los potenciales de alimentación siempre que sea posible. Los diseños de vídeo se complican aún más por la necesidad de tener en cuenta la variación de desplazamiento dinámico inherente a los diseños acoplados a la CA, a medida que varía el contenido de la imagen. Los amplificadores operacionales tradicionales requieren un espacio de cabeza relativamente grande para la oscilación de la salida y, por tanto, son poco prácticos para el acoplamiento de CA, incluso a 5 V. Linear Technology ofrece una nueva familia de amplificadores operacionales de vídeo que resuelve estos problemas y ofrece la posibilidad de funcionar hasta 3,3 V en la mayoría de los casos. La familia incluye el LT6205 (simple), el LT6206 (doble), el LT6207 (cuádruple), el LT6550 (triple, ganancia fija de 2) y el LT6551 (cuádruple, ganancia fija de 2).

Para determinar la tensión mínima de alimentación del amplificador de vídeo, debemos examinar primero la naturaleza de la señal. El vídeo compuesto es la señal más utilizada en los productos de difusión. El vídeo compuesto combina la luma (o luminancia, información de intensidad), la croma (información de colorimetría) y la sincronización (sincronización vertical y horizontal de los fotogramas) en una sola señal, siendo los formatos NTSC y PAL los más habituales. Los formatos de vídeo por componentes para sistemas de entretenimiento utilizan una o más señales separadas para el luma y el croma (es decir, Y/C o YPbPr), y la sincronización suele aplicarse al canal de luma (señal Y). En algunos casos, las señales RGB nativas (información de intensidad separada para cada color primario: rojo, verde, azul) también incluyen la sincronización. Todos los tipos de señales que incluyen la sincronización son eléctricamente similares desde el punto de vista de la tensión, aunque existen diferentes relaciones de sincronización y ancho de banda en función de la norma aplicable.

Las formas de onda de vídeo típicas que incluyen la sincronización (incluido el compuesto completo) están especificadas para tener una tensión nominal de 1,0 V_P-P amplitud, como se muestra en la figura 1. Los 0,3V inferiores se reservan para los picos de sincronización que llevan información de sincronización. El nivel de negro (intensidad cero) de la forma de onda está en (o en la configuración muy ligeramente por encima) de este límite superior de la información de sincronización. El contenido de la forma de onda por encima del nivel de negro es información de intensidad, con un pico de luminosidad representado en el nivel máximo de la señal. El potencial de sincronización representa una intensidad más negra que el negro, por lo que la actividad del flyback es invisible en un CRT. En el caso del vídeo compuesto, la subportadora de color modulada se superpone a la forma de onda, pero el rango dinámico se mantiene generalmente dentro de los 1V_P-P (una excepción notable es la rampa cromática utilizada para las mediciones de ganancia diferencial y fase diferencial, que puede alcanzar 1,15 V_P-P).

La mayoría de los amplificadores de vídeo conducen cables que están terminados en serie (back-terminated) en la fuente y terminados en carga en el destino con resistencias iguales a la impedancia característica del cable, Z₀ (normalmente 75Ω). Esta configuración forma un divisor de resistencias 2:1 en el cableado que debe corregirse en el amplificador conductor entregando 2,0V_P-P en una salida efectiva 2 - Z₀ carga (por ejemplo, 150Ω). La conducción del cable puede requerir más de 13mA a medida que la salida se acerca a los límites de saturación de la salida del amplificador. La alimentación mínima absoluta es V_MIN = 2.0 + V_SATH + V_SATLdonde el V_SAT los valores SAT representan las caídas de tensión mínimas que se puede esperar que desarrolle un amplificador con respecto al raíl de alimentación correspondiente.

Por ejemplo, el LT6206 dual que funciona a 3,3V en la Figura 2, con un V_SATH ≤ 0,5V y V_SATL ≤ 0,35V, proporciona un margen de diseño de 0,45V, suficiente para cubrir las variaciones de la fuente de alimentación y la precisión del sesgo de CC para la entrada de vídeo acoplada a la CC.

Por desgracia, no siempre es posible garantizar que el vídeo fuente tenga el contenido de CC adecuado para satisfacer al amplificador en cuestión, por lo que a menudo se requieren otras soluciones de diseño. Las entradas de vídeo acopladas a la corriente alterna son intrínsecamente más difíciles de gestionar que las acopladas a la corriente continua, porque la tensión media de la señal de la forma de onda de vídeo se ve afectada por el contenido de la imagen, lo que significa que el nivel de negro del amplificador varía con el brillo de la escena. Analizando el peor caso de vagabundeo, podemos determinar la restricción de acoplamiento de CA.

La figura 3 muestra dos formas de onda acopladas de CA superpuestas, siendo el trazo elevado el campo negro y el trazo deprimido el campo blanco. La deriva se mide como 0,56V para el 1V_P-P La forma de onda NTSC mostrada, por lo que se necesita 1,12V adicionales en la alimentación del amplificador (suponiendo una ganancia de 2, por lo que V_MIN = 3.12 + V_SATH + V_SATL). La salida del amplificador (con una ganancia de 2) debe oscilar entre +1,47V y -1,65V alrededor del punto de funcionamiento de CC, por lo que el circuito de polarización debe diseñarse en consecuencia para obtener una fidelidad óptima. Por ejemplo, un LT6551 que funcione a 5,0V, con un excelente V_SATH ≤ 0,8V y V_SATL ≤ 0,2V, tiene un margen de diseño saludable de 0,88V para la señal de luminancia (con sincronización). La señal de croma es una forma de onda de subportadora de color simétrica de aproximadamente 0,7 V_P-P máximo, por lo que funciona bien con el mismo sesgo que el canal de Luminancia.

Un método popular para minimizar aún más los requisitos de potencia con el acoplamiento de CA es utilizar un sencillo esquema de sujeción, como se muestra en la figura 4. En este circuito, el LT6205 (una versión sencilla del LT6206) puede funcionar a partir de 3,3V haciendo que los picos de sincronización controlen la carga del condensador de acoplamiento, reduciendo así el vagabundeo de entrada del nivel negro a ≈ 0,07V. Un pequeño inconveniente de este circuito es la ligera compresión de la punta de sincronización (≈ 0,025V en la entrada) debido a la corriente de conducción del diodo, aunque el contenido de la imagen sigue siendo totalmente fiel. Este circuito tiene casi el mismo margen de diseño que su homólogo acoplado en CC, a 0,31V (para este circuito, V_MIN = 2.14 + V_SATH +V_SATL).

Con la V_SAT los amplificadores de vídeo de bajo voltaje, incluidos el LT6205 (simple), el LT6206 (doble), el LT6207 (cuádruple), el LT6550 (triple, ganancia fija de 2) y el LT6551 (cuádruple, ganancia fija de 2), ofrecen al diseñador de vídeo la posibilidad de compartir tensiones de alimentación reducidas con los circuitos lógicos. Esta capacidad de compartir tensiones de alimentación ahorra espacio y costes al reducir la disipación de energía y la complejidad del convertidor de potencia.