降低高性能便携式电子产品功耗的视频输出级电路

如今便携式电子产品的功能都非常丰富，例如：手表可用作电视遥控器，手机同时还是数码相机和计算器，MP3播放器还可用作收音机、存储设备和电子相册，PDA具有日历、照相机、手机和游戏机功能。当我们将越来越多的功能集成在这些设备中的同时，也给电源带来越来越大的负担。

如今的电子设备一般采用锂离子可充电电池供电。锂离子可充电电池的充电速度很快，但能提供数小时的工作时间和几周的待机时间。ADI公司已开发出新的电源管理和电池监测电路产品系列，主要用来有效管理电源以延长电池工作时间。电源管理和电池技术的进步有助于延长电池寿命，但它们仅起一部分作用，延长电池寿命的真正有效方法是提高目前半导体器件的效率，以更少的功耗支持更多的功能。如今，人们要求半导体器件的工作电压更低、带宽更高、开关速度更快、失真更小、功耗更低并支持更多字节的处理。

视频功能正在成为当今许多便携式电子产品的常见功能，例如个人媒体播放器和手机。然而，由于显示屏的尺寸和分辨率的限制，多个人一起欣赏手持设备播放的图像并不方便，所以它们要求具备视频输出功能，但这种新功能意味着要消耗更多的电池能量。这些设备的视频输出通常属于辅助功能，因此在正常工作期间视频驱动器通常处于关闭状态。因此，在评估视频放大器或视频驱动器时，工作电流和待机电流都是关键的参数。

为更透彻地分析当今设计工程师所面临的挑战，这里介绍两个设计案例。第一个例子讨论MP3播放器视频输出部分的设计要求，其主要的设计考虑是工作电流和板面积。第二个例子是低功耗缓冲器的应用，待机电流是主要关注点。

图1：具有分立重建滤波器的视频输出级。

具有视频输出的MP3播放器

这个设计在MP3播放器上增加了复合视频输出级电路。该电路必须提供2倍增益的低通滤波和最小6MHz的带宽，工作电压为3V，但静态电流小于3mA，待机电流小于15μA，并且要求占板面积最小。成本总是需要考虑的因素，但在本文的设计案例中暂不考虑。

图1为一个典型的视频输出级电路，其中视频放大器和滤波器由视频数模转换器(DAC)和编码器的输出驱动，这里使用ADV7190或ADV7191。视频放大器/滤波器利用运算放大器和分立元件构成一个双极点Sallen-Key低通滤波器。运算放大器提供2倍增益以驱动75Ω的视频负载。这种重构滤波器有助于消除视频DAC采样过程中产生的多重图像。

每种放大器都为设计工程师提供了各自不同的优势。ADA4850具有工作电流低、待机电流非常低(15nA)以及采用小型LFCSP封装的优点。如此低的待机电流对容量低的电池的应用非常有用，下一个案例将对此进行讨论。ADA4851的工作电流与ADA4850一样，但电源电压范围更宽，待机电流大小适中。ADA4853的工作电流在表中列出的所有放大器中最低，待机电流也很低。对于低工作电流的应用来说，ADA4853是一个理想选择。ADA4430是一种全集成滤波器和放大器解决方案，其工作电流和低待机电流都很低，并且无需外部元件。

支持便携式设备视频输出的放大器和滤波器，这些器件适合低功耗应用。
虽然ADA48xx系列放大器具有优异的工作性能，但它们还需要额外的元件才能满足本案例的设计要求。一种替代分立滤波器的解决方案是带有增益单元的全集成滤波器ADA4430，用ADA4430替代分立解决方案可以简化设计(图2)。

图2：具有ADA4430集成放大器和滤波器的视频输出级。
对于上述两种解决方案，工程师必须在电路性能、电流消耗和尺寸方面进行折衷。ADA4853也是适合这种应用的一个很好选择，且其功耗比ADA4430更低，但ADA4430只需较少的外部元件就可满足所有的目标规范，因此它是此应用的一个更好选择。

超低功耗缓冲器

这个应用适用于便携式娱乐设备中采用的25MHz时钟缓冲电路，其主要设计约束是待机电流。该应用采用的电源是容量仅为87毫安小时的锌空气电池，主要技术指标包括：待机电流小于0.1μA (分配给这部分电路的总待机电流仅为10μA)、占用面积小、工作电压为3V、电源电流小于3mA、总电路面积为1cm2、带宽为1MHz。

图3：传统上采用外部FET旁路晶体管来满足待机电流小于0.1μA的要求。
传统上采用一个外部场效应(FET)旁路晶体管来满足待机电流小于0.1μA的要求(图3)，但这会增加元件数量，并使板面积超过为该电路分配的板面积大小。利用ADG842这样的模拟开关代替FET及其相关电路虽然可以简化设计，但仍需要额外的板面积。

ADA4850能满足该应用的所有系统要求，它让设计工程师无需使用外部FET旁路晶体管及其外围电路，从而能简化布局并减小电路面积，以满足1 cm2的板面积要求。

为满足系统设计规范，设计工程师在选择元件和电路结构时经常要面临折衷，且必须权衡所有选择。工作电流与待机电流之间的折衷、性能与价格之间的折衷，以及尺寸和设计的简易性都是便携式电子产品设计中常要考虑的问题。

随着便携式电子产品的尺寸不断缩小，以及制造商不断在这些产品中增加更多功能，半导体公司需要不断开发出效率更高的器件，并提高每种芯片的集成度和功能性。技术的持续进步将使未来的设计工程师能够设计出电路板面积更小、速度更快、电源电压更低(电流更小)，并为终端用户带来更高价值的下一代便携式电子产品。