Un amplificateur adaptateur de ligne vidéo (video line driver)

Cet amplificateur-adaptateur pour signaux vidéo standards de 1 Vpp / 75 ohms est particulièrement indiqué pour piloter des dispositifs vidéo tels que des moniteurs ou des magnétoscopes en partant de sorties vidéo n’étant pas en mesure de fournir le niveau nécessaire. Ce montage trouvera notamment son utilisation avec des digitaliseurs et des synthétiseurs de signaux, basés sur des portes logiques, des microcontrôleurs ou des circuits intégrés spécialisés.


La diffusion massive de caméras et l’installation un peu partout de systèmes vidéo de faible coût favorisent chaque jour un peu plus l’utilisation de systèmes pour la retransmission et pour la surveillance, même là, où il y a peu de temps encore, pour des raisons économiques, d’autres solutions prévalaient.
Ces nouveaux dispositifs apportent leur lot de nouveaux problèmes de mise en oeuvre. Un des plus fréquents concerne le niveau du signal dans les liaisons entre les différents appareils composant un système vidéo.
Si ces appareils sont distants l’un de l’autre de quelques dizaines de mètres, il est impératif d’adapter toutes les liaisons pour qu’elles soient aptes à transporter le signal sans que ne survienne une dégradation trop importante.
Ce problème intervient également dans les installations où le signal sortant d’un magnétoscope doit parvenir à un moniteur éloigné. Dans ce cas, comme dans le précédent, il peut s’avérer utile d’insérer dans la ligne coaxiale, un amplificateur de niveau (ou buffer vidéo).
Que faut-il exactement ? Un circuit en mesure de fournir le niveau de signal servant à piloter plusieurs charges de 75 ohms en parallèle, en maintenant toutefois l’amplitude typique de 1 Vpp.
C’est exactement ce que fait le circuit décrit dans ces pages, un véritable amplificateur vidéo, capable de satisfaire aux exigences des utilisateurs et installateurs de systèmes de télévision en circuit fermé.
Notre système pourra, également, être utilisé pour rétablir une impédance de sortie convenable, donc, pour fournir le signal demandé par une entrée vidéo standard de 75 ohms.
Ce sera le cas avec les traditionnelles portes logiques et de nombreux circuit intégrés de synthétiseurs vidéo basés sur une logique CMOS.

Le schéma électrique
Un petit regard sur le schéma électrique du dispositif, en figure 1, permet de comprendre comment est constitué l’appareil, ainsi que son fonctionnement.
Notez que le tout gravite autour d’un amplificateur opérationnel particulier à large bande, spécialement utilisé pour les signaux vidéo, avec des entrées “rail to rail” (c’est-à-dire qu’il peut fournir en sortie, une tension allant d’un minimum de 0 volt à un maximum correspondant à sa tension d’alimentation).
Il s’agit, de plus, d’un amplificateur à très faible bruit, doté d’une fréquence de coupure d’environ 44 MHz.
Cet amplificateur opérationnel est un OPA353, un nouveau composant Burr-Brown Product de Texas Instruments.
Pour les curieux, vous trouverez toutes les informations voulues à l’adresse http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/opa353.html Le composant est enfermé dans un boîtier plastique DIP de 4+4 broches (SO-8) pour montage en surface (CMS).
Son brochage est donné en figure 5.
Dans le présent schéma, l’amplificateur est connecté suivant la classique configuration non-inverseuse, recevant le signal vidéo composite sur la patte 3 (entrée non-inverseuse).
Le réseau de contre-réaction, du type parallèle/série, connecté entre la sortie et la patte 2 (entrée inverseuse), assure un gain en tension égal à 2.
Même si cela peut paraître étrange, c’est tout à fait normal : en effet, l’amplificateur vu dans son contexte, n’amplifie pas en tension, car la résistance qu’il a effectivement sur sa sortie est de 75 ohms.
Ainsi, comme les charges (les entrées des moniteurs ou des magnétoscopes) qu’il doit normalement piloter, ont de telles impédances caractéristiques, il en découle un diviseur de tension, qui divise exactement en deux, l’amplitude de la composante produite par le circuit.
En d’autres termes, s’il est vrai que l’amplificateur opérationnel U2 double l’amplitude du signal vidéo présent sur l’entrée non-inverseuse, la résistance R8 constitue un diviseur de tension avec l’impédance d’entrée de l’appareil vidéo relié au connecteur de sortie, divisant par deux le niveau du signal et le reportant ainsi comme il était à l’origine.
Mais alors, direz-vous, qu’est-ce qui est amplifié ? C’est simple, notre amplificateur est en substance un buffer, un amplificateur de courant. En fait, quelque chose qui restitue sur sa sortie, un signal d’amplitude égale, mais qui peut donner plus de courant, que ne pourrait le faire une quelconque caméra, magnétoscope ou n’importe quelle autre source vidéo.
Voici pourquoi, il permet d’envoyer la même composante vidéo, même à deux dispositifs en parallèle, à charge de réduire de manière adéquate la valeur de la résistance de sortie.
Dans ce cas précis, avec deux entrées vidéo reliées en parallèle, la résistance R8 doit avoir une valeur de 39 ohms et pas plus. Autrement, il devient nécessaire d’intervenir sur la contre-réaction pour augmenter le gain.
Tout le circuit est alimenté avec une tension continue de 9 à 15 volts, qui passe par la diode D1 (si la tension est appliquée avec la bonne polarité…) et est filtrée par le condensateur électrolytique C1.
L’amplificateur opérationnel fonctionne avec le potentiel appliqué aux points + et – VAL par le régulateur intégré U1, qui fournit exactement 5 volts bien stabilisés.
Cette tension sert également à allumer la LED LD1 faisant office de témoin de mise sous tension.
Travaillant avec une alimentation simple, plutôt que symétrique, l’OPA353 nécessite une certaine polarisation qui porte sa sortie à un potentiel fictif.
C’est seulement à cette condition que la sortie pourra restituer un signal ayant l’amplitude convenable avec un fonctionnement correct.
Dans ce but, nous utilisons le diviseur de tension multiple, constitué de R2, R3 et R5, qui applique, à la patte 3 de U2, une tension d’environ 1,7 volt.
Comme le réseau de contre-réaction est séparé de la composante continue par C6, le gain de l’amplificateur opérationnel est unitaire en absence de signal.
Ce potentiel se retrouve à la patte 6.
Les condensateurs C7 et C8 séparent la sortie, évitant que le potentiel de repos ne soit appliqué à la charge lorsqu’il n’y a rien à amplifier.
De plus, toutes les précautions ont été prises dans le circuit, afin d’améliorer la réponse et pour supprimer les bruits et les retours de signal.
Le condensateur électrolytique C4 sert à éviter que d’éventuelles perturbations véhiculées par la ligne d’alimentation n’atteignent l’entrée non-inverseuse de l’amplificateur opérationnel par l’intermédiaire du diviseur de tension de polarisation.
Notez aussi que les condensateurs de sortie ont été doublés, cela pour une raison liée à la technologie des condensateurs électrolytiques.
Ces condensateurs ont une résistance parasite non négligeable, ce qui les porte presque paradoxalement à atténuer les fréquences les plus hautes.
Pour un composant d’une valeur de quelques centaines de microfarads, l’atténuation est sensible au-dessus de quelques centaines de kilohertz.
Par contre, pour ceux de quelques microfarads, l’effet négatif se manifeste à quelques mégahertz.
Voici pourquoi, en parallèle sur C7, a été placé un simple condensateur non polarisé, lequel, n’étant pas affublé des problèmes inhérents aux condensateurs électrolytiques, sert de dérivation pour les hautes fréquences, donc dans la partie la plus haute de la bande occupée par le signal vidéo composite, qui normalement s’étend jusqu’à 5,5 MHz.

Figure 1 : Schéma électrique de l’amplificateur vidéo.

Figure 2 : Schéma d’implantation des composants de l’amplificateur vidéo.

Figure 3 : Photo, vu de dessus de l’amplificateur vidéo, permettant de voir l’implantation des différents composants.

Figure 4 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’amplificateur vidéo.
Le circuit intégré OPA353 se monte côté cuivre.


Liste des composants
R1 = 470 Ω
R2 = 4,7 kΩ
R3 = 4,7 kΩ
R4 = 75 Ω 1 %
R5 = 4,7 kΩ
R6 = 1 kΩ
R7 = 1 kΩ
R8 = 75 Ω 1%
C1 = 100 μF 25 V électrolytique
C2 = 10 μF 63 V électrolytique
C3 = 100 nF polyester
C4 = 10 μF 63 V électrolytique
C5 = 47 μF 25 V électrolytique
C6 = 220 μF 25 V électrolytique
C7 = 1000 μF 16 V électrolytique
C8 = 100 nF polyester
LD1 = LED verte 5 mm
D1 = Diode 1N4007
U1 = Régulateur 78L05
U2 = Ampli op. OPA353 SO-8
VAL = Bornier 2 pôles
IN = Prise femelle RCA pour ci
OUT = Prise femelle RCA pour ci


Figure 5 : Le circuit intégré OPA353



Pour notre buffer vidéo, dans la chaîne d’amplification, nous avons utilisé un seul composant actif, un amplificateur opérationnel à large bande, caractérisé par une bande passante élevée (44 MHz avec un gain unitaire) et par des entrées à très faible bruit du type “rail to rail”.
Techniquement, c’est un simple amplificateur opérationnel, mais ses caractéristiques le rendent utilisable là où un traditionnel TL081 ou un LF357 pourtant plus performant, ne peuvent convenir pour le traitement des signaux vidéo, qui atteignent une fréquence de 5,5 MHz. Le “slew rate” élevé de 22 V/μs, permet d’utiliser le dispositif pour traiter également des signaux digitaux ainsi que des formes d’ondes rectangulaires avec le maximum de précision, garantissant ainsi des fronts de montée et de descente rapides et nets.
Le composant fonctionne avec une tension d’alimentation simple qui peut être comprise entre 2,5 et 5,5 volts et peut ainsi trouver une application dans des circuits alimentés sur batterie. Dans la même famille, nous trouvons le double amplificateur opérationnel OPA2353 et le quadruple amplificateur opérationnel OPA4353.

En pratique
Il faut commencer par fabriquer le circuit imprimé. Il pourra être réalisé par la méthode décrite dans l'article "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?". Pour ce faire, vous pourrez utiliser le dessin, à l’échelle 1, de la figure 4.
Le circuit gravé et percé est prêt à recevoir la totalité des composants constituant l’amplificateur vidéo.
Etant donné que parmi ceux-ci se trouve un circuit intégré CMS, il est de règle de le souder en premier, directement du côté piste.
Pour cela, appuyez le circuit imprimé sur le plan de travail, puis disposez l’amplificateur opérationnel (pour le sens, suivez le dessin d’implantation des composants de la figure 2, où il apparaît en pointillé) de manière à ce que ses pattes soient centrées sur les pastilles.
Après cela, soudez une patte de l’une des extrémités du circuit (1, 4, 5 ou 8) afin de le fixer, puis, passez aux suivantes, l’une après l’autre.
Afin de ne pas surchauffer et endommager l’OPA353, il faut utiliser un fer à souder muni d’une pointe très fine, d’une puissance maximale de 25 watts. Utilisez également, pour cette opération, de la soudure à l’étain très fine, n’excédant pas 0,75 mm, le mieux étant 0,35 mm.
Le circuit intégré U1 étant en place, il faut passer aux autres composants, en faisant attention aux polarités des condensateurs électrolytiques, de la diode au silicium et de la LED LD1, ainsi qu’au sens de placement du régulateur 78L05 (en boîtier TO-92).
Pour les connexions de l’alimentation, prévoyez un bornier double à vis au pas de 5 mm, à insérer aux emplacements marqués + et – VAL.
Pour ce qui concerne l’entrée et la sortie vidéo, le circuit imprimé a été dessiné pour accueillir des prises RCA coudées à 90°.

Figure 6 : Cette photo du montage terminé, permet de voir les prises RCA d’entrée et de sortie du signal vidéo ainsi que le sens de positionnement de la diode D1.

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