一种便携多通道单端转差分模拟视频测试盒的设

　中图分类号：TN773
　　模拟信号以往大多采用单端信号传输方式，这种方式的优点就是省钱方便，但是信号抗干扰能力差，而差分信号，相对于单端信号在抗干扰能力方面有很大优势[1]。简单而言，单端信号属于不平衡信号，因为它是单侧信号，所以是相对地而言的，没有与之平衡的信号对，相比平衡信号，不平衡信号一般会产生较高的谐波失真，而差分信号，则是平衡信号，差分对一般有着共同的共模电平和幅值相同的差模电平。衡量差分信号，人们关心的是正负输入端信号的差值变化。这种平衡信号带来的谐波失真就相对较小[2]。目前电路设计的复杂性让设计者必须对关注电路的EMI特性并增加设计，这样才能获得更好的信号质量。因此从EMI设计角度，将单端信号转换设计成差分信号传输算是不错的选择。
　　现在很多视频接口模块中视频信号都是差分信号，如何既快又好的验证视频部分电路的功能，就需要有合适的差分视频源提供支持，而市场上普通的RGB视频源都是单端模拟视信号，无法提供差分视频源，为了解决这一困难，能够简单方便的将单端视频源转换成差分信号，我们选择用运放搭建方式将普通单端模拟RGB视频转换成可以直接使用的差分视频源，设计一种便携的视频转换测试盒，其中转换电路的核心部分选择的运放为AD公司的AD813。从实际使用来看，此设计为视频综合验证工作提供了很好的解决方法，收到了预期的效果。
　　1 转换盒设计与配置
　　1.1 芯片介绍
　　AD813片内集成了三路视频运放，每一路电流反馈可以提供50mA的输出电流，可以优化驱动后端150Ω视频负载。频率达到50MHz时只有0.1dB增益平坦度，差分增益误差在0.03%，相位差误差为0.06°。应用常规的电流反馈结构，再通过对设计细节的仔细关注，就可以发挥出它的出色性能。所以AD813是广播和视频电子的理想选择[3]。
　　AD813具有低功耗特点，支持+3V单电源操作，也支持±1.2V～±18V的双电源操作。此外AD813每一路运放还包含一个高速禁止功能可以分别对运放进行下电或让其输出高阻。
　　1.2 芯片引脚介绍
　　根据项目需要，我们选用的AD813为DIP封装，共十四个引脚，如图1所示，1、2、3脚的DISABLE1，DISABLE2，DISABLE3分别对应三路运放的禁止功能引脚。4、11脚Vs+、Vs-为供电电源的正负端，第一组5（+IN1）脚、6（-IN1）脚、7脚（OUT1）；第二组12（+IN2）脚、13（-IN2）脚、14脚（OUT2）；第三组10（+IN3）脚、9（-1IN3）脚、8脚（OUT3）为三路运放对应引脚。
　　图1 AD813引脚定义
　　1.3 电路设计
　　由于每片AD813集成了3个运放，所以对于普通RGB视频的PAL信号，共需要3片AD813，以一路PAL信号为例说明。如图2所示。因为AD813是一个电流反馈运放，闭环带宽是依赖于反馈电阻的阻值，同时也依赖于供电电压。还有，当驱动负载小于250Ω开环响应衰减也会影响带宽。
　　除非要保持更宽，更平滑的频率响应，否则，对于反馈电阻的选择没有那么关键。以上表1中推荐的这些电阻（金属膜电阻）结果会在0.1dB宽度的带宽。在渴望带宽得到最好的控制这些应用，1%精度的金属膜电阻就足够了。
　　对于集成运放，为了方便分析，我们一般将其看作是理想集成运放，理想集成运放的理想特性主要是：
　　a.输入阻抗为无穷大；b.输出阻抗为零；c.具有无限宽的频带；d.差模电压增益无无穷大；e.共模电压增益为零。
　　基于这些特点，我们可以利用集成运放中常用的“虚短”，“虚断”和“虚地”的思想[4]，分析出反馈电阻。因为PAL信号的三路R、G、B转换电路是一样的，为了便于分析和计算，所以仅以VRGB表示任一路的输入电压，VRGB+表示差分输出正电压，VRGB-表示差分输出负电压。电路图如图2。计算如式（1）。
　　由式（1）可以得出式（2）。
　　我们取R3=330Ω，放大倍数为2，则由式得出最优的各电阻值如下：R2=330Ω，R7=660，R1=330Ω，R5=330Ω，R6=330Ω，对于匹配电阻，一般选择R4=75Ω，R8=75Ω，R9=75Ω。
　　图2 1路单端转差分电路
　　1.4 性能优化设计考虑
　　适当的旁路电源设计对于高速电路的性能优化可以起到非常重要的作用。电源的自感应可能导致放大器的反馈加剧产生电路耦合，再加上，如果负载上有很大的瞬态电流通过，这样就需要一个大的旁路电容（大于1uF）可以减小信号失真。尽管0.1uF的电容在很多应用中已经足够了，但在一些其电磁环境要求比较严格的情况下，更多的比较精细的旁路设计还是需要考虑的。
　　当许多的旁路电容通过并联的方式连接后，很重要的一点就是确保他们自身不要形成耦合电路。那么，在这些电容器中找一个电容串联上一个小阻值的电阻器（比如5Ω），就可以减小这种可能性。同时，旁路电容必须连结到地平面上一个点和接近负载地参考点之间。这样可以有效降低色度亮度干扰。
　　1.5 印制板设计考虑
　　对于所有宽频放大器，印制板的寄身效应可能影响全部的闭环性能。最重要的是控制0.1dB带宽在输出和转换输入节点的电容容性漂移。增加信号线和地平板空间距离可以有效减少耦合。同样，反馈电路和增益电阻连结信号线要保持尽可能的短，它们中的关联电感才不会导致高频增益失效。
　差分信号线需要并行等长走线，为了保持阻抗的连续性，控制差分线特性阻抗为75Ω，注意信号过孔引起的阻抗不连续，并通过增加接地过孔改善阻抗不连续的现象，提高信号完整性[5]。各类电源及地采用平板设计，以减少信号耦合干扰。
　　在印制板设计中，一般差分走线之间的耦合较小，往往只占一到两成的耦合度，更多的还是对地的耦合，所以差分走线的主要回流路径还是存在于地平面。当地平面产出不连续，出现跳跃抖动的时候，没有参考平面的区域，差分走线之间的耦合才回提供主要的回流通路。尽管参考平面的不连续对差分走线的影响没有对普通的单端走线来的严重，但还是会降低差分信号的质量，增加EMI，所以尽量避免，要保持PCB地线层返回路径宽而短，不要跨岛。
　　1.6 结构设计
　　考虑测试验证的方便性，特别是在作为环境试验测试设备时，往往要考虑结构的耐用性和便携性，需要将印制板用螺钉固定在一测试盒中，把电源线和输入输出信号线 焊接到测试盒的面板专用连接器上。这样方便拆卸和连接。为了保护测试盒的面板接线柱，又便于移动携带，测试盒上部设计了盒盖，并在侧面做了把手。
　　2 结束语
　　本文以AD公司AD813为例的通过AD转换设计，把单端PAL视频源转换成所需的差分视频源。此项目调试完成后，在没有现成差分视频源的情况下，成功的应用在了综合任务处理机的综合测试验证环境中，为视频叠加模块的验证工作带来了极大的方便，取得了很好的效果。此设计还兼顾了差分视频源的通用性，还可以为其他场合提供便携差分视频源。
　　参考文献：
　　[1]百度文库.差分信号与单端信号[EB/OL]..
　　[2]ADI公司.通信应用中差分电路设计的相关技术[J].世界电子元器件，2011（01）.
　　[3]813 Datebook，REV.A.
　　[4]史正凤.集成运算放大器的虚短虚断概念及在线性运算中的应用[J].电脑知识与技术，2007（06）.
　　[5]王红飞，李志东，乔书晓.过孔阻抗控制及其对信号完整性的影响[J].印制电路信息.2012（04）.
　　作者简介：陈国（1980-），男，江苏宿迁人，工程师，主要从事计算机应用与开发。
　　作者单位：中航工业西安航空计算技术研究所，西安 710065