개요: 이 기사에서는 AC 또는 DC 커플링 비디오 출력 선택에 대한 역사적, 기술적, 경제적 이유에 대해 설명한다. 그리고 AC 커플링 연결 특성과 DC 커플링 연결의 편리함을 두루 갖춘 Maxim의 DirectDrive™ 비디오 기술을 소개한다. 이 정보를 이용하여 설계 엔지니어는 추후 프로젝트에 어떤 유형의 비디오 출력을 사용할 것인지 보다 현명하게 결정할 수 있을 것이다.
아날로그 비디오 회로에 대한 AC 커플링 출력 설계 여부를 결정하는 것은 기술 및 비용과 같은 회사 정책과 업계 표준에 따라 크게 달라진다. AC 커플링 출력에는 직렬 커패시터(그림 1a)가 내장되어 있지만 DC 커플링 출력(그림 1b)은 그렇지 않다. 비디오 출력 회로를 처음 설계하는 사람은 이 같은 선택에 갈피를 못 잡을 수도 있는데, 이는 출력 경로에 커패시터를 추가할 경우 비용이 증가하고 공간이 필요할 뿐만 아니라 비디오 신호가 왜곡되기 때문이다. 그러나 역사적, 기술적 또는 경제적인 이유를 감안할 때 무얼 선택할지는 이미 확정된 것일지도 모른다.
그림 1a. AC 커플링 출력 연결
그림 1b. DC 커플링 출력 연결
AC 커플링과 DC 커플링 출력의 비교
그림 1a¹에는 AC 커플링 출력에 대한 입력 및 출력 파형이 표시되어 있다. 출력 파형이 입력 파형에 따라 어떻게 상하로 "기울어지는지" 살펴본다. 그러므로, 이러한 유형의 필드 시간 왜곡을 "필드 틸트(field tilt)"라고 한다. 그림 1b² 의 오실로스코프 그래프에는 DC 커플링 출력이 표시되어 있다. 이 경우, 필드 틸트가 없다는 점에 유념한다. 사용되는 NTSC 비디오 테스트 신호는 "레귤레이트"라고 한다. 그림 2a에는 테스트 신호의 흰색 부분이 비디오 모니터에 어떻게 나타나는지 표시되어 있다. 그림 2b에는 테스트 신호의 검정색 부분이 비디오 모니터에 어떻게 나타나는지 표시되어 있다. 레귤레이트 비디오 테스트 신호는 흰색 및 검정색 부분이 진행되는 동안 화면 가장자리에 흰색 경계선을 생성한다.
그림 2a. 레귤레이트 비디오 테스트 신호의 흰색 화면
그림 2b. 레귤레이트 비디오 테스트 신호의 검정색 화면
AC 커플링의 기존 사용 방식
AC 커플링의 단점들을 생각해볼 때, 왜 이전에 사용되었을까? 라는 질문을 갖게 된다. 간단히 말하면 보호 성능이다. 그림 3에는 통합 회로가 널리 사용되기 전 생성될 수도 있었던 단순한 비디오 출력 회로가 표시되어 있다. 커패시터는 출력 커넥터가 접지 또는 전원 단락될 때 NPN 트랜지스터의 자체적인 손상을 방지한다.
그림 3. 비디오 출력을 구동하는 NPN 이미터 폴로워
요즘 통합 비디오 앰프에는 단락이 발생해도 손상되지 않도록 견실한 단락 보호 회로가 내장되어 있다. 그럼에도 불구하고, 일부 업체, 특히 오랫동안 비디오 장비를 제조해 온 업체에서 커패시터가 확고하게 사용되어 왔다. 이에 따라, 설계 엔지니어는 업체 정책 준수를 위해 커패시터를 추가해야 한다는 권고를 받을 수도 있다.
또한 업계 표준을 통해서도 설계 엔지니어는 커패시터 사용을 무조건적으로 강요받을 수도 있다. JEITA(Japan Electronics Industry Trade Association)의 스펙을 보면 비활성 비디오 출력 커넥터에 전압 크기를 100mV 미만으로 요구하고 있다(그림 3). NPN 이미터에서 정상 DC 바이어스가 4V이면 커패시터 및 블리드 저항이 없는 경우 출력 커넥터 역시 약 4V가 된다. 그러므로 JEITA 스펙을 만족하는 가장 쉬운 방법은 접지에 커패시터 및 블리드 저항을 추가하는 것이다.
기술적인 문제
AC 커플링의 문제 중 하나는 커패시터(220µF 이상의 커패시터)의 크기가 대형이라는 점이다. 그 이유는 커패시터 및 150Ω 부하(백 터미네이션 저항 및 입력 터미네이션 저항의 총 저항)를 통해 형성된 극의 주파수가 25Hz 또는 30Hz의 프레임 비율보다 훨씬 적어야 하기 때문이다. 220µF 커패시터의 경우, 5Hz에서 극을 형성하는 데 전혀 적절하지 않다. 방송 장비에는 일반적으로 2200µF 범위의 커패시터가 내장되어 있다. 그림 4에는 220µF 커패시터가 내장된 AC 커플링 출력 연결부의 고역 응답이 표시되어 있다.
그림 4. 220µF 커패시터가 내장된 AC 커플링 비디오 연결부의 주파수 응답
비디오 출력이 내장된 소형의 휴대용 장치가 등장함에 따라 대형의 AC 커플링 커패시터의 사용이 제한되었는데, 이에 대한 주된 요인은 공간과 비용 문제였다. SAG 보상(그림 5)은 AC 커플링을 유지하면서 공간과 비용을 줄여준다. 표준 연결부의 대형 커패시터 1개 대신 소형 커패시터 2개가 사용된다. 단일한 AC 커플링 커패시터의 문제는 극 주파수 (주: 커패시터가 작을수록 극 주파수가 커짐) 이하의 주파수에서 신호가 감쇠된다는 것이다. SAG 보상은 저주파 응답을 증가시켜 저주파 감쇠 현상을 보상한다(그림 5). 주파수가 낮을 때, 커패시터는 단선(open)으로 취급되며, 저주파 이득은 약 6이다. 반면, 주파수가 높을 땐 본질적으로 커패시터가 단락(short)이며 고주파 이득은 2이다.
그림 5. SAG 보상 기능이 내장된 비디오 드라이버
소비자 가전업계의 경우, 비용 절감 압력이 엄청나며 소형 장치의 소형화 압력도 상당한 수준이다. 오랫동안 비디오 장비를 설계해 온 일부 업체마저도 DC 커플링 비디오 연결부(그림 1b)를 선택하고 있는 추세이다. DC 커플링 출력과 관련하여 인지해야 할 주요 차이점은 대부분 시스템에 음극 전원이 사용되지 않기 때문에 신호에 양극 DC 바이어스가 있다는 점이다. 앰프를 선형 모드로 유지하려면 출력 신호가 접지와 양극 전원 사이에서 바이어싱되어야 한다.
AC 커플링 출력에서 DC 커플링 출력으로 변경하려는 설계 엔지니어는 호환성을 염려한다. 대부분의 대부분의 장비는 두 방식 모두와 호환성이 있다. 그러나 AC 커플링 출력과 호환되지 않는 경우가 적게나마 여전히 존재하고 DC 커플링 출력의 경우에도 사소하게나마 존재한다. 그림 6a에는 최신 TV의 입력 단이 표시되어 있다. 비디오 신호는 DC 복원 회로로 AC 커플링된다. 그러므로, 입력 비디오 신호에 DC 바이어스가 존재할 수 있다. 이 입력 회로는 AC 및 DC 커플링 비디오 소스에 모두 호환성이 있다. 그림 6b에는 극성을 가진 커패시터(polarized capacitor)를 사용하는 입력 단이 표시되어 있다. 입력되는 비디오 신호의 DC 바이어스가 너무 크면 극성을 가진 커패시터가 손상될 수 있다. 그림 6b에 표시된 입력 단의 경우, DC 커플링 소스에서 전송된 신호와 관련하여 문제가 있을 수도 있다. 그림 6c에는 PNP 이미터 폴로워(emitter-follower)를 사용하는 입력 단이 표시되어 있다. 입력 신호가 너무 음극(-)을 띠는 경우, PNP 이미터 폴로워가 포화될 수 있다. 그러므로, 특히 소스의 국부 접지가 수신기의 국부 접지보다 낮은 경우, DC 커플링 비디오 소스가 PNP 이미터 폴로워를 포화시킬 수 있다.
그림 6. a) 최신 TV 입력 단, b) 편극 커패시터, c) PNP 이미터 폴로워
TV 문제는 일반적으로 통용된 입력 단 설계 방법이 전혀 없었다는 점이다. 이전만 해도, 수 많은 TV 모델에는 AC 또는 DC 커플링 소스 관련 문제가 발생할 수 있는 여유 입력 단(marginal input stage)이 있다. 매우 다양한 종류의 수신 장치가 있으면 보편적인 호환성을 유지할 수 없다. 그러므로, 상당량의 전송 장치를 의미하는 대부분의 로우 엔드 비디오 소스(low-end video source)는 비용 문제로 인해 DC 커플링 출력을 사용한다.
DirectDrive 솔루션
AC 커플링 비디오 출력을 내장하려는 설계 엔지니어를 위해, Maxim은 DirectDrive 기술을 제공하고 있다. 이 기술을 사용하면 출력에 대형 커플링 커패시터가 필요하지 않다. MAX9503은 비디오 신호를 위한 DirectDrive 기술이 내장된 Maxim의 첫 제품이다(그림 7).
그림 7. MAX9503 블록 다이어그램 및 입/출력 파형의 대표적인 예
MAX9503은 표준 해상도의 비디오 신호를 필터링하고 증폭시킨다. MAX9503의 입력은 비디오 디지털-아날로그 컨버터(DAC)의 출력에 직접 연결 가능하다. 내부 재구성 필터는 스텝을 고르게 해주고, DAC에서 전송된 비디오 신호의 스파이크를 감소시켜 준다. MAX9503 레벨은 블랭크 레벨이 출력에서 근사하게 접지되도록 비디오 신호를 더 낮은 전압으로 바꾼다. DirectDrive의 경우, 내장 차지 펌프와 선형 레귤레이터가 있어야 완전한 음극 전원을 생성하여 접지 아래의 동기 펄스를 구동할 수 있다. 차지 펌프는 영상에 전혀 결함이 없어 보이는 비디오 출력으로 아주 약한 잡음을 주입한다.
그림 8에는 MAX9503에 인가된 레귤레이트 비디오 테스트 신호가 표시되어 있다. 출력 파형의 블랭크 레벨이 접지 주위에서 유지되는 방식 및 필드 시간 왜곡이 없다는 점에 주의한다. 이 같은 내용들은 그림 1a에 표시된 일반 AC 커플링 파형과 대조된다. MAX9503 출력의 레귤레이트 테스트 신호는 AC 커플링 연결부에서보다 훨씬 알맞게 규정된 출력 전압 범위를 유지한다.
그림 8. MAX9503에 인가된 레귤레이트 비디오 테스트 신호 — 입력 파형(위), 출력 파형(아래)
AC 커플링 비디오 출력을 사용하는 한 가지 이유는 접지 및 전원 단락에 대한 보호 성능 때문이다. MAX9503은 일반적으로 3.3V 전원으로 동작한다. MAX9503 애플리케이션 회로에는 외부 단락이 비디오 출력에 가해질 때 단락 전류를 제한하는 75Ω 백 터미네이션 저항이 내장되어 있다. 또한 MAX9503은 시제품 제작 시나 앰프 출력이 직접 단락될 수 있는 애플리케이션에서 장치 손상을 방지해주는 출력 단락 보호 기능이 내장되어 있다. 그러므로 MAX9503은 가장 일반적인 오류 조건 측면에서 견고한 제품이다.
DirectDrive의 주요 이점은 단지 2개의 소형 1µF 커패시터를 충전 펌프에 회로에 추가하기만 하면 설계 엔지니어가 표준 AC 커플링 비디오 출력에 하나의 대형 출력 커플링 커패시터나 SAT 네트워크에 중간 크기의 출력 커플링 커패시터 2개를 사용하지 않아도 된다는 점이다. 필드 시간 왜곡도 제거되므로 출력 비디오 품질이 향상된다.
주석
¹75Ω 입력 터미네이션 저항을 통해 접지에 연결된 0.1µF 커패시터는 비디오 파형으로 보다 높은 주파수를 필터링하여 비디오 테스트 신호의 검정색 부분에 발생하는 앨리어싱을 제거한다. 오실로스코프 화면의 400ms 시간 척도는 수평선 시간(~64µs)에 비해 매우 긴 편이다. 0.1µF 커패시터가 없는 경우, 비디오 테스트 신호의 검정색 부분에 발생하는 앨리어싱으로 인해 입력 신호의 검정색 부분을 흰색 부분과 거의 구분할 수 없게 된다. 또한 출력 신호의 검정색 부분이 흰색 부분과 같이 채워지게 된다.
²그림 1a에서와 같이 동일한 이유로 인해 75Ω 입력 터미네이션 저항을 통해 0.1µF 커패시터가 접지에 연결되어 있다. 0.1µF 커패시터가 없는 경우, 비디오 테스트 신호의 검정색 부분에 발생하는 앨리어싱으로 인해 검정색 부분이 흰색 부분과 똑같이 보이게 된다.
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