复合视频信号

    20世纪40年代，美国国家电视系统委员会(NTSC)推出黑白复合视频标准，该标准可对定时（水平与垂直同步）和光度（亮度）信息进行编码，并将编码后的信息输入一个通道。10年之后，该委员会重新开发出“NTSC”彩色电视标准。这种全新的彩色标准采用了相同的视频信号和带宽，兼容以往的黑白电视机。为此，彩色（色度）副载波和基准脉冲(如基准彩色副载波群)都被嵌入原始的黑白视频信号。首先，色度和亮度频率实现交叉存取，以便色彩与亮度信息能够占用同等的可用带宽。这种交叉频谱主要集中于3.58MHz(色度副载波频率)左右。为了降低副载波的可视性，色度副载波频率专门选择为水平同步速率一半（15.75kHz/2）的奇数倍。其次，由副载波信号9个周期构成的基准彩色副载波群被置于水平消隐信号期的后沿。该脉冲可以使电视机的3.58MHz彩色震荡器或接收器实现同步。与NTSC相对的欧洲视频标准是相位交替线式扫描（PAL）视频标准。这两种标准的主要区别是：PAL的副载波频率为4.43MHz，并且其视频振幅比的同步性略有不同。
    色度信息可分为两部分：色彩饱和度" title="饱和度">饱和度与色调。饱和度由载波的振幅决定，而色调则由彩色基准同步信号的载波的相位决定。饱和度代表色彩的强度，而色调则代表基色的精确度。例如，如果振幅较低的红色载波采用基准彩色副载波群的相位，则呈现粉色，属于低饱和度红色。另一方面，如果载波与基准彩色副载波群超过241°，达到283°，则绿色会变成青绿色。
    NTSC复合视频的色条电平、振幅和相位如表1所示。值得注意的是，视频信号以IRE为单位描述电平和振幅，而不采用直流电压。基于-286mV(同步脉冲顶部)到+714mV (峰值视频)之间的标准1VPP NTSC复合视频信号，确定140IRE峰峰常规。1个NTSC IRE单位为7.14mV，据此推算，-40IRE等于286mV，+100IRE等于+714mV，0IRE等于0V。在这方面，PAL 视频信号与NTSC视频信号稍有不同，它介于-300mV～+700mV之间。这样1个PAL IRE 单元为7mV，据此推算，在同步脉冲顶部条件下，-43IRE等于-300mV，而在峰值视频电平条件下，+100IRE等于+700mV。在下文的论述过程中，将主要采用IRE单位，而不采用V或mV为单位。

差分增益（DG）与差分相位（DP）

    色度副载波的平均值或中值代表亮度电平。该副载波可以看成是正弦曲线信号的振幅，该亮度可以看成是该信号的直流偏置电平。亮度电平变化导致色度副载波的振幅变化，产生差分增益误差。因此，当画面光度发生变化时，差分增益误差就是色彩副载波的振幅变化。如果直流偏置电平变化，则由视频放大器产生的正弦曲线振幅就会随之变化。因此在白天呈现红色的汽车，在夜幕降临时会呈现粉色。亮度电平变化还会导致色度副载波的相位发生变化，从而产生差分相位误差。当画面亮度发生变化时，差分相位误差就是色彩副载波的相位变化。如果直流偏置电平变化，则由视频放大器产生的正弦曲线相位就会随之变化。这使在室内为蓝色的衬衫，到室外就变成了紫色。比较理想的情况是，无论亮度或直流偏置电平如何变化，颜色饱和度（振幅）和色调（相位）都应保持不变。红色的汽车无论在什么样的照明条件下，都应呈现红色，蓝色的衬衫无论是在室内还是室外，都应为蓝色。
    通常情况下，如果DG与DP误差分别达到1%和1°，人的肉眼是无法感知的。因此，可以将这些数值作为整个视频信号链的总误差值。在误差能为人眼所感知之前，可以存在多个误差块。一个典型的通道可包括摄像机、记录装置、发射器、接收器和监视器。根据要求，信号链内的所有处理器或放大器的DG/DP需远低于1%/1°，至于低出多少，需由信号链内的装置数量决定。例如，在设计视频传输系统时，需要在输入端和输出端之间安装5个运算放大器。假设每个运算放大器的DG和DP分别为0.01%和0.01°，其误差总和就分别为0.05%和0.05°。如果设计者希望视频传输电路板的整体系统规格为0.05% DG和0.05°DP，则这5个运算放大器就可满足其需要。由于演播室广播信号链连续安装多个装置，因此演播室级的IC和放大器与消费者使用的IC与放大器相比，需要更低的DG/DP。其中一些视频系统" title="视频系统">视频系统甚至要求所有的运算放大器的DG/DP值低于0.01%/0.01°。
DG/DP测量基础
    测量DG和DP的关键是在直流偏置电平发生变化时，测量正弦曲线信号的振幅和相位误差。因此，该测试信号通常为直流偏移量在0 IRE～100IRE之间的3.58MHz(NTSC)或 4.43MHz（PAL）正弦波。产生这种信号的一种方法是采用视频测试模式产生器，由它产生“色条”波形。DG误差可表示为最低阶副载波的峰峰振幅测量值与最高阶相应测量值的百分比变量。DP 可采用类似于副载波相位的方法进行测量和计算。不过，这种端点测量方法也可能会导致错误结果，原因在于DG和DP始终不可能随着亮度或直流电平的变化而变化。此外，要想仅仅测量两个端点，可采用更为简便的方法，即手动改变带直流电压的正弦波偏移量。因此，最佳的方法是测量所有阶梯上的所有副载波的振幅，然后确定振幅之间的最大增量。采用色条或经过调制的具备多个梯级的阶梯波形，能够增大测量点数量，提供更高的分辨率，帮助确定最大的DG/DP误差。因此，经过调制的锯齿形波形可能比受较少梯级所限的梯形波形更为理想。
    在整个亮度范围内，对多个增益和相位误差点进行手动测量是非常枯燥的工作。另一种可选的方法是，采用专用的视频测试设备" title="测试设备">测试设备（如矢量显示器和波形监视器）测量DG/DP。这些仪器具备内置的DG/DP测试功能，能够在整个持续亮度范围内，报告最大的峰峰增量。不过，这些设备不能单独测量从0.01%/0.01°到0.001%/0.001°范围内运算放大器的DG/DP，实际上它们更适合测量整个视频系统。因此，目前测量DG/DP的最有效的方法之一是采用网络分析器。

采用网络分析器测量DG/DP

    在直流偏压范围内, 网络分析器可同时测量增益和相位误差，并且具备很高的分辨率，能够解析低于0.01%/0.01°的DG/DP误差。图1为采用HP4195网络分析器测试DG/DP的设置。

    HP4195拥有0.001dB/division和 0.01°/division的分辨率，并且还具备内置的直流电源，用于提供直流偏移量或亮度电平。该电源经过编程，在亮度范围内，可以每梯级10mV的增量提高直流电平。它采用了500kHz的低通滤波器，滤除可能会影响测量结果的噪声。此外，还采用了HP4195震荡器输出装置（输出频率为3.58MHz或4.43MHz）。这是通过采用增量配置电路，维持线路阻抗，防止任何其他的DG或DP进入测试信息。在测试设备的输出端，将8dB衰减器与输出电阻器并联。该衰减器可确保信号振幅低至可防止网络分析器的前端出现过载或失真现象。该分析器接口与测试设置组件的阻抗为50Ω，包括分离器、合成器和衰减器。
    正确设定振荡器振幅和直流扫描范围，并通过安装在测试设备输入端的示波器测量。该振荡器经过调整，可以产生286mVPP（40IRE）的信号，这是NTSC标准的测试信号振幅。该网络分析器经过校准和设置，可完成“S21”测量。要想获得所需的分辨率，需要对多次测试扫描结果取平均值。如果测量超低DG/DP设备，则需对50次或更多次测量结果取平均值。图2显示由网络分析器提供的运算放大器的典型增益误差和相图。一般增益误差是以dB为单位，采用以下的等式计算并以百分数的形式表示：
    %误差=[10(|增益误差(dB)|/ 20)-1]×100%

    这只是利用网络分析器进行测量的一种方法。当然也可以采用其他不同型号的网络分析器和略微不同的方法测量DG/DP。一些网络分析器也许不具备内置的直流电源，可能需要采用外部直流扫描电源。其他分析器可能安装了直流偏压输入端，在这种情况下，由信号发生器产生的锯齿形波形将进入该输入端。这就无需在测试设备的输入端安装组合电路。

数据表中的DG/DP测量条件

    就DG/DP测量而言，数据表介绍了一些有关测量方法和测试条件的注意事项。尽管DG/DP几乎已经成为数据表中的标准指标，但其测量方法仍无需实现标准化。因此，一些DG/DP指标也许不能完全代表运算放大器在实际应用中的运行情况。以下的测试方法和条件是十分重要的。
    端点测试方法的测试效果并不理想。因为只获得最低和最高直流电平之间的增益增量，除非DG/DP误差与直流偏移量完全成线性关系。然而，DG/DP曲线有时呈现平方甚至立方的关系。在这种情况下，只测量端点值与对整个扫描范围进行测量相比，获得的数据更好。
    该数据表公布的DG/DP也必须是基于采用正确的色度和亮度参数进行的测试。该色度或正弦曲线测试信号必须具备286mVPP(40IRE)的振幅，这是NTSC标准的标准化测试信号振幅（就PAL标准而言，该振幅为43IRE）。该信号的频率也应为3.58MHz或4.43MHz。就PAL标准而言，频率为4.43MHz通常是最坏情况。应当在这两种频率条件下，或者至少在最坏的情况下，对DG/DP进行测试并公布结果。降低色度振幅或频率进行测试，可获得更出色的结果，但却不能正确体现NTSC/PAL规范介绍的本部分的特色。因此，基于1MHz和100mVPP正弦波进行的测试得出的DG/DP值也许能给人以深刻的印象，但却很少有视频设计者采用这种方法。亮度或直流扫描范围也非常重要。在上文的论述中，根据NTSC亮度规范的规定将此范围设定为0IRE～+100IRE。因此NTSC信号具备高于0V的正向视频和低于0V的负向同步脉冲。假设该运算放大器始终接收到正向视频，则直流扫描范围在0～+100IRE之间时为佳。然而，现在的视频系统设计者已懂得如何在为实现各种目的（例如伽玛处理）封闭系统的中间期，转化视频信号。这些设计者也许需要知道适用于转化亮度范围的运算放大器的DG/DP。换言之，-100IRE～+100IRE就是DG/DP测试所需的更完整直流扫描范围。图3举例说明正向与负向视频范围内的最大DG/DP误差。

    测试运算放大器的负载条件是需要考虑的另一问题。尽管视频系统安装的连续级一般可实现交流耦合，但仍应根据直流负载具体说明视频运算放大器的负载条件。它应该是标准的视频终端，双端接75Ω 或 150Ω负载。需要注意，在图1中，50Ω衰减器与100Ω系列输出电阻器在测试设备上形成150Ω直流负载，同时保持50Ω的整体测试环境。基于任何高于150Ω负载的DG/DP值都会起到误导作用，这是因为差分增益与差分相位都易受到放大器负载的影响。与150Ω的输出端负载相比，运算放大器在输出端的负载为1kΩ时，具备更加出色的DG/DP。另一方面，低于150Ω负载的DG/DP更为实用，原因是运算放大器也许需要驱动多个视频线路。面向2、3和4个视频负载的等效负载总电阻分别为75Ω、50Ω和37.5Ω。不过，有些数据表将不提供多个视频负载的DG/DP误差值。图4显示了美国国家半导体运算放大器数据表中的DG/DP与视频负载数量的对比情况。