단일-공급 시스템에서 싱글엔드 비디오를 차동 비디오로 변환

2011-12-13
편집부

비디오 신호는 일반적으로 싱글엔드(single-ended)로서 인코딩, 디코딩, 처리되지만, 케이블을 통한 송신을 위해 때론 신호를 차동으로 변환할 필요가 있다. 카메라가 여러 위치에 배치되는 보안 시스템이 하나의 좋은 예이며, 보안 시스템은 비디오 피드(feed)가 관찰 및 저장을 위해 중앙 위치로 다시 라우팅 된다.
차동 송신은 노이즈에 대한 고유 저항으로 인해 오랫동안 전화선과 전문가용 오디오에서 사용돼 왔다. 노이즈가 차동 송신 라인(들) 내에 동일하게 유입된다고 가정하면, 이것은 수신기에서 거부되는 공통-모드 신호로 나타난다.
최근 들어 단일-공급 디바이스가 더욱 더 일반화됨에 따라, 라인-구동 회로 또한 단일-공급으로 설계하도록 권장하고 있다. 단일-공급 시스템에서, 신호 레벨은 공급 전압 내에서 맞춰지도록 시프트 하며, 바이어스 레벨이 출력에서 원치 않는 오프셋을 초래하지 않도록 고려할 필요가 있다. 이들 작업에서 이득 설정, 라인 종단 타입 선택 및 충분한 대역폭 및 슬루율(slew rate) 허용과 같은 정상 작업은 제외한다.
싱글엔드-출력 연산 증폭기나 완전 차동 증폭기(FDA)는 싱글엔드 비디오 신호를 차동 신호로 변환하는 데 사용할 수 있다. 이 글의 목적은 싱글엔드 비디오 신호를 차동으로 변환하여 단일-공급 시스템에서 이중 종단된 Cat 5 케이블을 구동하기 위해 FDA를 사용하는 방법을 설명하는 것이다. 독자들이 FDA 개념 및 사용에 친숙하다고 전제한다. FDA 기초에 대한 추가적인 정보는 참고문헌 1을 참고하도록 한다.

전형적인 비디오 파라미터
그림 1은 종종 SD급 비디오와 사용되는 그레이스케일을 보여주는 CVBS(Composite Video Baseband Signal)를 나타낸다. SD 비디오의 특징은 전형적으로 NTSC 또는 PAL 텔레비전 방송 시스템용으로 구축된 아날로그-신호 표준을 따른다. 총 피크 간 출력 전압은 140 IRE=1 VPP인 것으로 규정되고 동기(sync) 및 휘도(Y') 만을 가지며 동기 펄스는 음이다. 색차 정보가 추가되어 완전히 변조된 복합 비디오 신호는 대략 1.23 VPP이다. 음의 펄스를 지원하기 위해 분할-공급(±Vs) 연산 증폭기가 사용될 수 있거나, DC 레벨이 수신기에서 복구되는 AC 커플링이 사용될 수 있다. 분할 공급이나 AC 커플링을 사용하려면, 더 많은 소자가 필요하기 때문에 더 많은 비용이 든다. DC 커플링이 가격을 낮출 수 있지만, 단일 공급을 지원하는 DC-결합형 신호로의 시프트는 신호의 레벨 시프트를 필요로 한다. 예컨대, TI TMS320DM368 비디오 프로세서의 데이터 시트는 75-Ω 부하에서, 0.35 V ~ 1.35 V 범위의 비디오-버퍼 출력 전압을 규정한다. 이러한 방식으로 1-VPP 비디오 신호는 바이어스 레벨의 시프트로 지원될 수 있어 가전 비디오에서 허용된다.
ED 및 HD와 같은 다른 고선명도 비디오 포맷은 SD처럼 많은 서로 다른 정보를 하나의 라인으로 인코딩하지 않는다. 이들 포맷은 비디오 콘텐츠와 규격에 따라 가변 지속 기간과 전환 속도의 신호를 갖는 복수의 라인을 사용한다.
따라서 비디오 신호는 속성 상 펄스-지향(pulse-orient)적이며, 증폭기와 송신 미디어가 이들을 적절히 재현하기 위해 뛰어난 펄스 특징을 가져야 한다. 이로 인해, 이중 종단 송신 라인을 사용하는 것이 표준 방식이다. 이중 종단에서, 라인을 구동하는 증폭기는 특성 라인 임피던스(characteristic line impedance)와 동일한 출력 임피던스를 갖도록 설계되며, 수신기는 특성 라인 임피던스와 동일한 입력 임피던스를 갖도록 설계된다. 이러한 구성을 통해 펄스 에지(edge)로부터의 반사는 최소화되고 최상의 신호 무결성이 유지된다. 연산 증폭기는 이상적으로 전압 소스이므로 이들의 출력은 매우 낮은 임피던스(거의 0 Ω)를 가지며, 출력 임피던스 정합은 직렬 출력 저항을 추가하여 쉽게 행해진다. 이러한 출력 저항은 수신기의 입력 임피던스와 연계하여 이중 종단에서 고유한 6 dB 손실을 야기한다. 이러한 손실을 보상하기 위해 비디오 버퍼가 2 V/V의 이득(6 dB)을 갖도록 설계되어, 비디오 소스로부터 부하로의 전체 이득이 1 V/V(0 dB)인 것이 일반적인 방식이다.
카테고리 5(Cat 5) 케이블 연결은 매우 일반적이며, 컴퓨터 근거리 통신(LAN)에서 널리 사용되지만, 이것은 또한 전화, 비디오 및 오디오와 같은 기타 신호를 전달하는데 사용된다. 대부분의 Cat 5 케이블은 저가이고 차폐되지 않으며 노이즈 거부를 위해 차동 신호화를 갖는 트위스트페어(twisted-pair) 설계를 사용한다. Cat 5 케이블의 공칭 특성 임피던스는 100 Ω이다.

회로 분석

제안된 회로 #1
차동 라인을 구동하기 위해 TMS320DM368과 같은 단일-공급 비디오 소스로부터의 싱글엔드 비디오 신호를 변환하기 위한 첫 번째 제안된 회로는 그림 2에 나타낸 것과 같을 수 있다. 여러 소자의 기능은 다음과 같다:
VS+는 증폭기로의 전원 공급이며 음의 전원 공급 입력, VS-는 접지된다.
VIN은 0.35 V ~ 1.35 V 범위의 TMS320DM368 비디오 소스로부터의 입력이다.
RG 및 RF는 증폭기에 대한 주요 이득-설정 저항이다. 2 V/V의 이득인 경우, RF = 2RG.
VOUT+ 및 VOUT-는 FDA로부터의 차동 출력 신호이다. 이들 전력은 180° 위상차가 나고, 공통-모드 출력 전압, VOCM으로 레벨 시프트된다.
두 개의 RO 저항이 특성 라인 임피던스, ZO를 정합시키기 위해 선택된다. ZO=100 Ω인 경우, RO=50 Ω. RL은 ZO를 정합시키도록 선택된 저항이다. ZO=100 Ω인 경우, RL=100 Ω.
처음 보면, 그림 2의 회로는 허용 가능한 것처럼 보일 수 있지만 더 자세히 보면, 이 회로는 몇 가지 작업을 필요로 함을 알 수 있다. 이 회로는 TMS320DM368 비디오 버퍼에 75 Ω 부하를 제공하지 못해 버퍼 출력 전압은 정정되지 않을 것이다. 0.35 V ~ 1.35 V의 비디오-버퍼 출력 범위를 갖는 TMS320DM368과 같은 비디오 소스로부터 구동될 때, 이 회로로부터의 출력 신호는 비디오 신호의 공통-모드 전압 × 이득과 같은 차동 오프셋을 가질 것이며, VOCM으로 레벨 시프트 될 것이다. 계산을 통해 그림 2의 회로 출력이 1.7-V 차동 오프셋을 가질 것임을 알 수 있다. 오프셋을 정정하기 위해 FDA의 비구동 측 RG는 FDA의 구동 측 RG의 테브닌 등가치(Thevenin equivalent)를 갖도록 분할되고 바이어스 되어야 한다. 테브닌-등가 입력 전압은 비디오 소스로부터의 공통-모드 전압과 같다. 즉, VTH=VIN_CM.

제안된 회로 #2
차동 라인을 구동하기 위해 TMS320DM368과 같은 단일-공급 비디오 소스로부터의 싱글엔드 비디오 신호를 변환하기 위한 두 번째 제안된 회로는 그림 3에 나타낸 것과 같을 수 있다. 이 버전에서, 회로는 75 Ω 입력 종단에 대해 RT를 추가하고 FDA의 비구동 측 상의 RG를 변화시켜 구동 측의 테브닌 등가가 되도록 함으로써 회로 #1에서 오프셋을 정정하도록 개선되며, 이때 VTH=VIN_CM이다. 소자들의 기능은 이전과 동일하고, 이 때 비구동 측의 RG는 RG2a 및 RG2b로 교체된다. 회로 #2의 분석 및 시뮬레이션은 다음과 같다.

회로 #2 분석
그림 3에서 회로 #2의 분석을 위해 FDA는 무한 이득을 갖고 오프셋 되지 않는 이상적인 증폭기라고 가정한다. 이 설계의 목적은 FDA의 비구동 측을 구동 측의 테브닌 등가가 되도록 하는 것이다. 이것은 이 이론을 사용하기 위해 정상적인 방식으로부터의 역방향 진행이며, 구동 측의 더 간단한 형태를 비구동 측의 더 복잡한 회로로 변환한다.
첫 번째 단계는 병렬 합, RG2a∥RG2b=RTH를 설정하는 것이며, 여기서 RTH=RG1+RS∥RT이다. 이것은 다음과 같은 방정식으로 기록할 수 있다

RS는 75 Ω과 같고, TMS320DM368 비디오 버퍼의 출력 임피던스이다. RT는 82.5 Ω과 같고 증폭기 회로의 입력 임피던스를 75 Ω과 같게 하는 데 필요한 저항이다. 적절한 종단 및 이득을 위한 RT 및 RG1을 선택하는 방법에 관한 보다 상세한 정보는 참고문헌 2를 참고하도록 한다.

두 번째 단계는 VTH=VIN_CM을 설정하는 것이며, 여기서

이다.
필요한 VTH는 그림 4를 이용하여 쉽게 분석되며, 다음과 같이 계산된다.

진행 전 완료를 위해 디바이스가 전술한 바와 같이 설정된다고 가정하면, 싱글엔드 입력으로부터 차동 출력으로의 이득은 다음과 같이 설정된다.

각 싱글엔드 출력은 차동 출력의 절반이며, VOCM으로 레벨 시프트 된다:

이 설계를 만족할 RG2a 및 RG2b의 고유 값을 찾기 위해 방정식 1과 3은 재배치되고 동시에 해결되어야 한다. 한 가지 접근법으로 다음을 얻는다.

이 값은 다음을 찾는 데 사용할 수 있다.

회로 #2에 대한 계산 예
회로 #2를 사용하는 방법의 예에 대해 입력 신호는 0.35 V ~ 1.35 V의 신호 출력 범위의 TMS320DM368로부터 온 것이라고 가정한다. Cat 5 케이블이 사용되어, 이중 종단에 대해 RO=50 Ω이고, RL=100 Ω이다. TI THS4521, 즉 단일+5 V를 갖는 FDA가 이 예를 위해 선택됐다.
THS4521 데이터 시트는 RF가 1 kΩ과 같아야 한다고 권고한다. 2 V/V의 G( 6dB)에 대한 값과 75 Ω 입력 종단을 제공하기 위해 참고문헌 2에 따라 RG1은 487 Ω에서 설정될 수 있고, RT는 82.5 Ω에서 설정될 수 있다. 이들 값은 다음의 방정식들에서 사용되어 나머지 저항 값을 계산할 수 있다.

방정식 1을 사용하면:

방정식 6을 사용하면:

가장 가까운 표준 1% 값, 3.09 kΩ 및 634 Ω은 다음의 시뮬레이션에서 사용된다.

TINA-TI™ 소프트웨어를 통한 시뮬레이션
에러를 잡고 어떤 가정이 유효한 지를 검증하기 위해, 제안된 회로를 시뮬레이션하는 것이 좋다. 그림 5와 6은 TINA-TI™ 소프트웨어로 실행되는 트랜션트(transient) 및 주파수 분석 결과를 보여준다. 시뮬레이션은 VOCM=2.5 V로 레벨 시프트된 출력을 통해 과도 응답의 어떠한 원치 않는 오프셋도 나타내지 않으며, AC 주파수 응답은 부하에 대한 이득이 원하는 바와 같이 1 V/V(0 dB)임을 보여준다.
이 회로의 TINA-TI 시뮬레이션을 보기 위해, www.ti.com/lit/zip/slyt427을 방문해 WinZip 디렉토리 온라인을 보기 위해 열기를 클릭하면 된다. (또는 오프라인 사용을 위해 WinZip 파일을 다운로드하기 위해 저장을 클릭). TINA-TI 소프트웨어를 설치하면, 파일 THS4521
_SE_to_DIFF_for_Cat5_video_drive를 열 수 있다. TSC를 열어 예제를 볼 수 있다. 무료 TINA_TI 소프트웨어를 다운로드하여 설치하기 위해, www.ti.com
/tina_ti를 방문하여 다운로드 버튼을 클릭하면 된다.