CN100380989C - 带伽玛校正的显象管驱动器装置 - Google Patents

Abstract

视频输入信号通过线性显象管驱动放大器(30)而放大，并加到显象管(20)的阴极(K1)上，放大器有足够高的输出阻抗以对显象管(20)显示的图象作伽玛校正但将减小加到阴极(K1)上的放大视频信号的带宽。在驱动器(30)中包括一个电容器(60)以恢复放大视频信号的带宽。为了稳定显示图象的高频响应(细节)，电容器(60)的容量作为显示图象的亮度的函数而改变。

Description

带伽玛校正的显象管驱动器装置

技术领域

本发明一般地涉及电视系统，具体地则涉及能提供伽玛校正措施的显象管阴极驱动器装置。

背景技术

在理想的电视系统中由显象管产生的光输出应该和加到摄象管上的光成线性关系。在实际系统中，摄象管和显象管都不是线性器件。换句话说，由摄象管产生的信号电压和所检测到的光不是成线性关系的，而显象管所产生的光也和加在它上面的阴极驱动电压不成线性关系。摄象管的光输入和信号输出之间的关系以及显象管的信号输入和光输出之间的关系都同样用一个术语“伽玛”来表示，简单地说，这个伽玛就是输入函数(X)为了得到输出函数(Y)所要乘上的幂或“方次”。例如，如果一个输入函数X乘以一次方(伽玛＝1)以产生一个输出函数，则这两个函数被称为是线性相关的。如果输出随输入函数的平方而变化，则其幂值(伽玛)等于“2”。如果输出随输入函数的平方根而变化，则“伽玛”或幂等于0.5。换句话说，伽玛就是对转移函数的曲率的量度。

图1表示视频信号传输系统的各种情况下的伽玛，其中曲线100表示发送侧的转移特性，曲线102表示图象管(显象管或“C R T”)的转移特性，曲线104表示总体转移特性。N T S C、P A L和S E C A M电视标准所发送的视频信号所具有的伽玛约为0.45到0.5。而彩色电视接收机的图象管(显象管)的伽玛值约为2.8到3.1。其结果是，总体转移曲线(进入镜头的光比图象管输出的光)不是线性的，其总体的伽玛值在实际上不是一(1.0)而是约1.35。这意味着图象管的指数转移特性没有得到完全的补偿，导致显示的黑暗图象部分被压缩。这种压缩使得近于黑色的图象细节受到损失，而使彩色部分褪色而近乎成为黑色。同时，相对于黑色部分而言白色被过分地放大而经常达到图象管饱和和产生光晕的程度。

线性的总体转移特性避免了黑压缩问题，这种特性可以通过在电视接收机中各红、绿和蓝(R、G和B)的信号处理电路附加约为0.8的伽玛校正而得到。不过，图象管的光输出仅有较小的动态范围，这种范围不可能不被扩大而致使图象管达到饱和以引起光晕。因此，为了对黑暗图象区域增加放大量的伽玛校正会使白色的高信号受到信号压缩。这可从图2A看出，图中表示了一个有部分伽玛校正的斜坡信号，其中的接近黑色电平的信号增益得到了提升。不过，人们希望峰值白色仍保持在由虚线所表示的未经校正的同样电平以避免图象管的光晕。为了达到这一点，斜坡信号的偏上部分的斜率可以减小成如图2B所示。这就校正了黑压缩问题而避免了光晕(过度的白色)问题。

但是，减弱斜坡信号的偏上部分以避免光晕可能产生另外的问题。观众在看这种减弱的信号时在图象的灰色到白色区域因缺乏对比度而引起图象被“洗淡”了的感觉。在这种情况下，通过伽玛校正使图象的低亮度部分所得到的改进是以使高亮度部分的对比度变坏的代价而得到的。

一般说来，伽玛校正有两种常用的方法。一种方法是在驱动器电路中对视频信号加上非线性处理，例如，哈弗尔(Haferl)等人在1992年1月21日提出的美国专利5,083,198中所说明的那样。在哈弗尔等人的实施例装置中，视频信号被分成低幅值和高幅值部分，后者经过高通滤波，然后把原来的视频信号、低幅值部分和经高通滤波的高幅值部分组合在一起再加到显象管上。所显示的图象包括了图象的黑到灰色部分的伽玛校正和图象灰到白色部分的细节提升部分。

伽玛校正的另一种方法是对视频信号作线性处理并把伽玛校正依赖于显象管阴极的非线性阻抗特性，例如，1989年8月15日所批准授予Furrey的美国专利4,858,015中所说明的那样。在该专利装置的实施例中，视频信号被线性地放大并加到一个电压跟随器，跟随器的输出则经过一并联连接的电阻和电容而加到显象管阴极。这个电阻和阴极阻抗的非线性电阻部分一起提供伽玛校正，这在下面将作详细说明。但是，此电阻和阴极的杂散电容组合在一起会在较低的频率产生一个频率响应的极点(也就是说，它的作用类似于低通滤波器)。这将会减少显示图象的高频细节。引入一个旁路电容器有助于减小低频滤波效应并改善高频响应。

在上面说明的两种伽玛校正的方法中，非线性处理方法提供给显象管以较低阻抗的驱动从而减小了和阴极相伴随的杂散电容的滤波效应，因而可提供较为均匀和稳定的高频响应。另一方面，非线性处理方法较为复杂。

线性处理方法具有简单、经济和改善可靠性(由于需要较少的电路元件)的优点。不过，已经发现，即使有了旁路电容，高频响应仍是不稳定的，而且会随着亮度信号电平而改变。这种不希望有的变化是由于此后在这里被称作“与亮度相关的极点移动”所引起的，而这种移动的起因是显象管动态阻抗的实数(电阻)部分会随着束电流的改变而变化，这将在后面详细讨论。视觉效果表现在所显示的图象中高频(细节)会随场景亮度的变化而变化。

发明内容

本发明的一部分实质在于认识到：对伽玛校正的显象管驱动放大器存在这样一种要求，即它既具有利用非线性处理的系统的较稳定的高频响应特性的优点，同时又具有利用线性处理的系统的简单的特点。本发明的目的就是满足这些要求。

按照本发明，显象管驱动器装置包含一个线性放大器，用于接收视频输入信号并把放大的视频信号加到显象管的阴极。这个线性放大器具有足够高的输出阻抗以便对显象管显示的图象施加伽玛校正，但它有可能减小加到阴极上的放大后的视频信号的带宽。在驱动器中包括一个电容器以便恢复被放大的视频信号的带宽。此外，还提供了一种电路装置用来使电容器的电容量作为显示图象的亮度的函数而变化。

其好处在于，使电容器容量作为所显示的图象亮度的函数而变化，可以最大程度地减小了上面所论述的不希望有的“与亮度有关的极点移动”效应，因此可以提供带有较为稳定的高频(细节)特性的显示图象。

按照本发明，向显象管提供伽玛校正的一种方法包括下列步骤：(I)对要加到显象管阴极上的视频输入信号进行线性放大；(II)向放大器提供一个足够高的输出阻抗中的电阻分量，以便对显象管所显示的图象进行伽玛校正但又能减少耦合到阴极上的放大后的信号的带宽；(III)把一个电容器连接到放大器电路中的一个点上，以便恢复传送到阴极上的放大后的视频信号的带宽；以及(IV)作为显示图象的亮度的函数而改变该电容器的电容值。

本发明方法的后一特点提供了这样的优点，即在图象亮度变化时稳定放大器的带宽。

按照本发明，显象管驱动器装置适于使用具有“有源负载”元件的类型的放大器，从而提供相对较低的输出阻抗，并且在稍作修改后，也适于使用具有“无源负载”元件的类型的放大器，从而提供较高的输出阻抗。

附图简述

这个发明的上述的和进一步的特点将用附图加以说明，在这些图中相同的元件用相同的参考指示符标明，其中：

图1是一个曲线图，表明电视发射机、电视接收机和包括该发射机和接收机在内的总体电视系统的示例性的传输特性和伽玛值；

图2A和2B是说明伽玛校正的曲线图；

图3是实施本发明的带有显象管驱动放大器的电视接收机的简化方块图；

图4说明图3所示的接收机的一种修改；

图5A到5D是说明图3和图4的显象管驱动放大器的工作的响应曲线图；

图6和图7是实施本发明的显象管驱动放大器的详细的示意图。

发明的具体实施方式

图3的电视接收机10包括一个调谐器、中间频率放大器(IF)和检波单元12，它有一个射频输入端14以便从合适的源(例如广播、有线、录象机或类似的设备)接收一个射频输入信号S1并向色度/亮度处理单元16提供一个基带视频输出信号S2，该单元提供红(R)、绿(G)和蓝(B)分量视频输出信号供显象管20作显示之用。为了向显象管20的阴极K1、K2和K3提供高压驱动信号，R、G和B驱动信号分别通过显象管驱动放大器30、40和50再加到相应的各阴极K1、K2和K3上去。各驱动放大器是相同的，所以只有一个放大器(驱动器30)被示出。

驱动器30包括一个接收视频输入信号(在这一情况下为红色分量)的输入端31和一个(反相)线性放大器32。该放大器的增益取决于输入电阻33和反馈电阻34之比。高频提升是由一个电阻35和一个电容36互相串联后再与一个输入电阻33并联而提供的。作为说明，提升部件可以选择成在亮度信号频带(例如在4兆赫的范围)的高端提供增大的高频响应，以便用来补偿由于加在黑到灰范围内的伽玛校正所引起的在灰到白的范围内的所损失的细节。

由于放大器32的反馈环路是闭合的，所以放大器的输出阻抗非常低，这个输出实际上是一个电压源，其电压正比于输入信号R的值。为了提供伽玛校正，放大器输出阻抗中的电阻分量要增加到显象管20的阴极K1的动态阻抗中电阻分量的最大和最小值之间的一个值。这一增加的阻抗值是由电阻37提供的，该电阻把放大器32的输出端39接到驱动放大器30的输出端38上。输出端38则再接到显象管20的阴极K1上。电阻37的阻值确定了显象管驱动放大器30的输出阻抗中的电阻分量。

电阻37的阻值选择成足够高以便对显象管20所显示的图象加上伽玛校正。为此目的，电阻37的阻值被选择在显象管20的阴极K1所呈现出的动态电阻的最大值和最小值之间。阴极的最大动态电阻出现在当阴极被驱动到截止电位以产生一个黑电平的图象之时。阴极K1的电阻的最小值则出现在当阴极被驱动到使得在显象管20上产生一个峰值白色输出图象的时候。图5A说明了显象管的阴极电流对电压的非线性关系，在图5B中，用作为阴极电压的函数的阴极阻抗的实数部分(电阻)的变化情况来说明这一非线性效应(必须指出，阴极阻抗的虚数分量是一个具有固定值的杂散电容，它并不随阴极的驱动而变)。如所示的那样，电阻随束电流的增加而减少，直到束电流处于截止电平时达到其最大值，而在峰值白电平时达到最小值。

通过选取驱动放大器30的输出阻抗的输出电阻分量为某一个值来产生伽玛校正，这个值应处在显象管20的阴极阻抗的动态电阻分量的最大和最小值之间。对于在这一范围内的阻值而言，当阴极阻抗较高时(黑电平信号)，驱动放大器实际上是以电压源方式工作的，因而提供一个相对提升了的束电流以便增加在黑到灰色区域内的对比度。相反，当阴极阻抗较低时(白电平信号)，驱动放大器是以电流源方式工作的。在这一电平时增加了的阻抗引起束电流的相对减小从而有助于提供对显示图象的对比度的压缩。通过对相对较亮的图象区域的高频(细节)的提升使这种压缩得到补偿，这将在下面讨论。

在图3的例子中用以提供伽玛校正的电阻37和阴极K1的固有的杂散电容共同形成了一个一阶低通滤波器，这个滤波器有一个极点或“拐角”频率，它取决于杂散电容的电容量、电阻37的阻值以及显象管20的阴极K1的动态阻抗中的电阻分量。在典型情况下，滤波器的极点位置或“拐角”频率是相当低的，例如几百千赫左右。由于阴极的动态阻抗的电阻分量随阴极的驱动电平而变，所以极点位置也在变，使得整个显示系统(驱动器及相关的显象管)的带宽会随亮度电平的变化而改变。

出现上面的问题是因为动态阴极阻抗的实数部分(电阻)会随阴极电流而变，而虚数部分(电容)则不变。

解决的办法是提供一个联接到驱动放大器30的输出端的电容器60，以便用来恢复放大了的视频信号的带宽，并使电容器60的电容量作为显示图象的亮度的函数而变化。例如，电容器60可以和电阻37并联连接后再接到线性放大器32的输出端39。

更具体地说，在图3的例子中，电容器60的容量随显示图象的亮度电平成反比而变化。作为说明，当驱动电平接近白电平时容量减小。相反，对接近黑电平的信号来说电容量增大。这种变化有助于在亮度电平改变时稳定显示系统(驱动器30和显象管20)的总体带宽。

电容器60的上述效应可由下列分析进一步说明。为了讨论的目的，阴极电阻用Rk来表示，而阴极所固有的杂散电容则用Cs来表示。如果阴极电阻Rk是常数，则对于下列的电阻和电容关系

R37/Rk＝Cs/C60    (1)

而言，耦合电路的响应将和频率无关。

但是，阴极电阻Rk不是常数。相反，它表现为图5B所示的一个与电压有关的电阻。可以看出，该电阻在接近截止时为大于100千欧而在接近峰值白色时降低到不足10千欧。考虑到这一变化，等式(1)可以修改如下：

R37/Rk(Vc)＝Cs/C60(Vc)    (2)

下标“Vc”表示：阴极电阻分量Rk和旁路电容器60的容量都是公共变量控制电压Vc的函数。由此，电容器60的容量可由下式求得：

C60(Vc)＝(Cs)(Rk(Vc))/R37    (3)

在这种情况下电容器60和阴极电阻一样都变得和同一个电压Vc有关，因此带宽对于阴极电阻(显象管驱动电平)的变化来说被得到稳定。由于通过电阻37的电流(阴极电流)是Cc的一种量度(见图5A)，所以该电流被用来控制电容器60的容量值。有多种方法可以做到这一点。例如，可以检测显象管阴极电压(或电流)以产生一个合适的控制信号Vc，并把此控制信号加到一个随电压而变的电容器上、或加到可变频率高通滤波器的控制输入端。

图4的例子表明了一个优选的电容器控制装置，在这里，电容器60是作为变抗器或“变容”二极管而实现的，它和电阻37并联连接。此二极管的极性安排是使其阳极71接到放大器32的输出端39，而它的阴极接到显象管20的阴极K1。二极管的非线性特性应该选择得近似于阴极电阻在所希望的阴极驱动电流范围内的非线性特性。

在工作时，当较明亮的场景下显象管驱动电流增加时，跨越电阻37的电压也增加，从而提供一个能使二极管70的电容值减小的偏置电压。相反，在较暗的场景下阴极电流较小时，跨越电阻37的电压也较小，使得二极管70的电容量增加。这些变化有助于稳定上面讨论的极点位置，从而为整个显示系统20、30、40和50提供更为一致的带宽。

在上面说明的例子中，另外一个重要的参数是在这里定名叫做驱动放大器“增益比”的R。这个函数控制了加到视频信号上去的伽玛校正的量。增益比R等于最大增益除以最小增益且可以借助于下列等式而计算：

R[dB]＝20×log(1/(1+S_max× R37)    (4)

在等式(4)中参数“S_max”＝ΔIc/ΔVc，它表示在接近白电平时的显象管阴极互导。这个信息可以在对每一特定显像管的图象管参数规格表中得到。互导的典型值约为每伏50微安。

图5c示出了对于从黑到峰值白电平的变化为6dB(分贝)的增益比系数R。如图5D所示，从黑到白减少的6个分贝扩充了从黑到灰区域的对比度而压缩了从灰到白区域的对比度。在较高的驱动电平下对比度的压缩被电阻35和电容36所提供的改进了的细节所补偿，如上所述，它们在亮度信号频段(例如约4兆赫)的高端提供高的频响峰值。

图6提供了带有用作自动显象管偏置(A K B)控制的装置的驱动器30的详细电路示例。为此目的，亮度和色度信号处理器带有一个AKB控制单元17，它接收显象管驱动放大器30、40和50所提供的阴极K1、K2和K3上的阴极电流I1、I2和I3的采样。

在驱动放大器30中PNP晶体管600作为射极跟随器而工作，电阻606用作射极负载电阻，还有一个包括电位器602和电阻604在内的衰减器以提供对晶体管600的输入信号电平的调节。晶体管616和622把射极跟随器提供的信号加以放大，以便向由晶体管634和电阻636及638组成的有源负载阻抗提供输出电流。其增益通过由电阻639到晶体管616的基极所提供的负反馈而使其稳定。总体增益决定于反馈电阻639和晶体管616的输入耦合网络的源阻抗的比值，这个耦合网络包括电阻612和614(直流耦合)以及和输入电阻612并联的高频旁路网络(电阻610和串联的电容608)。这个网络对亮度频段的高端提供高频提升以补偿减少了对比度的图象细节。有源负载的输出(晶体管634的射极)经过AKB电流检测电路(包括射极跟随器晶体管640，它有一个旁路二极管642跨在它的基极-射极结上)并且经过可变电容器644和固定电阻646的并联组合而接到输出端38上。显象管电弧保护电阻可以附加在这一通路上。电容器644和电阻646像上面所说明的那样地进行工作以便为显象管20所显示的图象提供伽玛校正，同时，对电阻646和显象管20的杂散电容所形成的低频极点进行补偿。电容器644的标称电容值是在22微微法的数量级。由AKB检测晶体管640所提供的集电极电流加到由电阻648和650组成的衰减器上，其输出(电流I3)则供到亮度色度处理器16的AKB电路17中。

图7表示图6的一种改型，其中伽玛校正元件644和646放在AKB检测晶体管640的前面。对于这个结构的示范性电路值也已经给出。由于电阻646的阻值比前面的例子要小，标称电容值应按比例增加。电路的工作在其它方面和上面说明的都相同。这里表示并说明了一种显象管驱动系统，它提供伽玛校正而不需要在驱动器中有非线性电路元件，其中白色压缩得到了补救，并且其中因束电流变化而引起的频率响应极点的变化也通过改变白色压缩补偿电容而得到了稳定，从而提供了这样一种总体的显象管驱动系统，它在低亮度场景时能呈现出改善了的细节，而在高亮度场景时仍保持原来的细节，并提供稳定的总频率响应。

Claims (6)

1.一种显象管驱动装置，其特征在于，

一个线性放大器(32)，用于接收视频输入信号并把放大后的视频信号加到显象管(20)的阴极(K1)上；

上述的线性放大器(32)具有足够高的实数输出阻抗以便对显象管(20)显示的图象提供伽玛校正而减小加到上述阴极(K1)上的上述放大后的视频信号的带宽；以及

一个电容器(60或70)，接到上述放大器(32)的一个输出端(38)上以恢复上述的放大后的视频信号的上述带宽；以及

一种网络，用于使上述的电容器(60或70)的电容量随显示的图象的亮度成反比而变化。

2.如权利要求1所提出的装置，其特征在于：

上述电容器(60或70)的电容量是作为显象管阴极(K1)电压的函数而变化的。

3.如权利要求1所提出的装置，其特征在于：

上述的线性放大器(32)具有一个输出端(39)通过一个电阻(37)而接到上述阴极(K1)，上述电容器(60或70)由一个与电压有关的变容器组成，并且和上述电阻(37)并联连接。

4.如权利要求1所提出的装置，其特征在于：

上述的线性放大器(32)具有一个输出端(39)通过一个电阻(37)而接到上述阴极(K1)，并且通过与上述电容器串联连接的晶体管(640)耦合到上述的阴极(K1)。

5.如权利要求1所提出的装置，其特征在于：

上述的线性放大器(32)具有一个输出端(39)通过一个电阻(37)而接到上述阴极(K1)，并且通过与上述电容器(60或70)串联连接的晶体管(640)耦合到上述的阴极，上述的电容器(60或70)由一个与电压有关的变容器组成。

6.如权利要求1所提出的装置，其特征在于：

上述的电容器(60或70)是一种其电容量和电压有关的类型的电容器，其中用来改变上述电容量的值的上述网络包括用以把上述的电容器(60或70)联接在上述放大器(32)的输出端和上述阴极(K1)之间的装置。

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