CN100563316C - 一种宽幅视频输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽幅视频输出电路，所述的宽幅输出电路包括发射极跟随器，所述的发射极跟随器采用恒流源作为其发射极负载。本发明所述的电路，既具有直流输出的宽幅优势，同时又由于有电容Cout与外界直流电路隔开，故不受外部电路短路和静电等破坏性影响；在采用+5V电压供电时，可以无失真地让－2V～+2V交流信号通过，大大提升了电路的动态范围，当输入信号幅度在较大范围内变化时仍能保证信号无失真地输出。

Description

一种宽幅视频输出电路

技术领域

本发明涉及视频信号处理技术，具体来说，涉及到一种宽幅视频输出电路。

背景技术

当今电视机中，一般具有CVBS(复合视频信号)输出接口，这种接口有多种形式的低输出阻抗输出电路，例如：发射极跟随器电路、电压串联负反馈电路(如图10)、源极输出电路以及推挽输出电路。

其中使用较多的发射极跟随器电路如图1所示，其中用正弦交流信号源Vs表示视频信号，Rs表示信号源内阻(约几十欧)，当发射极跟随器采用5V供电时，往往得不到足够的动态范围，即输入电压Vs幅值范围不能太大，否则输出信号就会产生失真。

例如，令信号电压Vs的峰-峰值为3V(即Vs在-1.5V～+1.5V之间变化)，频率为100K，使用PSpice(一种电路仿真软件)对图1做瞬态分析发现输出波形已经失真，我们知道，在信号接收、变换以及传输的过程中，一个重要的原则是信号保真，失真是不允许的。

如图1所示的电路，若其工作在线性区(这是保证信号无失真处理的前提)，则可将其分解为直流通路(如图2)和交流通路(如图3)的叠加。于是可以划出直流负载线和交流负载线，据此可以确定信号不失真的幅度变化范围，进而找出其与电路参数的关系。

在图2所示的直流通路中，流过三极管各电极电流用I_C0、I_E0、I_B0表示，各极间电压用V_BE0、V_CE0表示；

在图3所示的交流通路中，流过三极管各电极电流用i_c、i_e、i_b表示，各电极间电压用v_be、v_ce表示；

三极管各电极的总电流用i_C、i_E、i_B表示，各电极间总电压用v_BE、v_CE表示，由叠加定理可知：

i_C＝I_C0+i_c，i_E＝I_E0+i_e，i_B＝I_B0+i_b；

v_CE＝V_CE0+v_ce，v_BE＝V_BE0+v_be    (式1)

对于直流通路，在基极偏置电路中，若I＞＞I_B0，则A点电压仅取决于Rb1、Rb2的分压比，故我们可以确定A点电压V_A0；而电路中发射极B点电压V_B0＝V_A0-V_BE0，对于硅管，V_BE0＝0.65V，这样V_B0便确定下来，三极管C-E之间电压V_CE0＝VCC-V_B0。而 $I_{C0}\≈I_{E0}=\frac{V_{B0}}{\mathrm{Re}},$ 这样，通过Rb1、Rb2和Re，三极管Q1的静态工作点Q(V_CE0，I_C0)便被确定下来。

另外，图2所示电路的直流负载线可用下式确定：

I_C0·Re+V_CE0≈I_E0·Re+V_CE0＝V_CC

推出

$I_{C0}=\frac{-V_{\mathrm{CE}0}}{\mathrm{Re}}+\frac{\mathrm{VCC}}{\mathrm{Re}}$ (式2)

它的斜率为

与横轴交于点B(VCC，0)，与纵轴交于点G(0，

)，如图4中的直线GB。

对于交流通路，RB＝Rb1//Rb2，Rbe为三极管B-E间电阻，一般为几百欧。由图3不难得到：

v_ce＝Re′(-i_e)≈Re′(-i_c)

＝＞

$i_c=-\frac{v_{\mathrm{ce}}}{{\mathrm{Re}}^{\′}},$ 其中[Re′＝Re//(Ro+RL)]

由式1中的i_C＝I_C0+i_c，v_CE＝V_CE0+v_ce

推出交流负载线MN为：

$i_C=I_{C0}+i_c\≈I_{C0}+i_e=I_{C0}+(-\frac{v_{\mathrm{ce}}}{{\mathrm{Re}}^{\′}})$

$=I_{C0}+(-\frac{v_{\mathrm{ce}}}{{\mathrm{Re}}^{\′}})=I_{C0}+(-\frac{v_{\mathrm{CE}}-V_{\mathrm{CE}0}}{{\mathrm{Re}}^{\′}})$

$=I_{C0}+\frac{V_{\mathrm{CE}0}}{{\mathrm{Re}}^{\′}}-\frac{v_{\mathrm{CE}}}{{\mathrm{Re}}^{\′}}$

它的斜率为

与横轴的交点为点N(V_CE0+I_C0Re′，0)，即(

0)，与纵轴的交于M点(0，

)，如图5。

不难计算图3的输出阻抗为： $\mathrm{Rout}=\frac{(\mathrm{Rs}//\mathrm{Rb})+\mathrm{Rbe}}{1+\mathrm{\β}}//\mathrm{Re}\≈\frac{\mathrm{Rbe}}{1+\mathrm{\β}}$

因为三极管的β值往往为几十，电阻Rbe为300欧左右，Rs为几十欧。

又因为：

$v_{\mathrm{ce}}={\mathrm{Re}}^{\′}\·(-i_e)\≈{\mathrm{Re}}^{\′}\·(-i_c)={\mathrm{Re}}^{\′}\·(-\mathrm{\β}{i}_b)$

$\≈-\left(\mathrm{\β}{\mathrm{Re}}^{\′}\right)\·\frac{\mathrm{Vs}}{R_{\mathrm{be}}+(1+\mathrm{\β}){\mathrm{Re}}^{\′}}\≈-\mathrm{Vs}$

即：v_ce≈-Vs

(因为βRe′＞＞R_be，{RB//[R_be+(1+β)Re′]}＞＞Rs)     (式3)

由图4知，要使信号不失真，E、F点必须落在放大区，即必须满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{CES}}\≤v_{\mathrm{CE}}\≤V_{\mathrm{CE}0}+\frac{{\mathrm{Re}}^{\′}}{\mathrm{Re}}{V}_{B0}\\ I_{\mathrm{CEO}}\≤i_C\≤I_{C0}+\frac{V_{\mathrm{CE}0}}{{\mathrm{Re}}^{\′}}\end{array}\right.$

(V_CES为饱和电压，I_CEO为CE极截止电流，因为只有微安级，假定其为0)

代入i_C＝I_C0+i_c，v_CE＝V_CE0+v_ce，v_ce＝-Vs， $i_c\≈i_e=-\frac{v_{\mathrm{ce}}}{{\mathrm{Re}}^{\′}}$

解算以上不等式方程得：

$\frac{{\mathrm{Re}}^{\′}}{\mathrm{Re}}{V}_{B0}\≤\mathrm{Vs}\≤V_{\mathrm{CE}0}-V_{\mathrm{CES}}$ (式4)

代入Re′＝Re//(Ro+RL)，并令RL′＝Ro+RL得：

$-\frac{{\mathrm{RL}}^{\′}}{{\mathrm{RL}}^{\′}+\mathrm{Re}}{V}_{B0}\≤\mathrm{Vs}\≤V_{\mathrm{CE}0}-V_{\mathrm{CES}}$ (式5)

这就是输入信号的幅度范围。

设Vs为正弦交流信号，其振幅为Vm：

若 $|-\frac{{\mathrm{Re}}^{\′}}{\mathrm{Re}}{V}_{B0}|\≥V_{\mathrm{CE}0}-V_{\mathrm{CES}}:$

则Vm最大取值为 ${\mathrm{Vm}}_{\max }=V_{\mathrm{CE}0}-V_{\mathrm{CES}}\≤\frac{\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{CES}}}{2+\frac{\mathrm{Re}}{\mathrm{Ro}+\mathrm{RL}}}\≤\frac{\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{CES}}}{2}$ (式6)；

若 $|-\frac{{\mathrm{Re}}^{\&prime;}}{\mathrm{Re}}{V}_{B0}|<V_{\mathrm{CE}0}:$

则Vm最大取值为 ${\mathrm{Vm}}_{\max }=\frac{{\mathrm{Re}}^{\&prime;}}{\mathrm{Re}}{V}_{B0}<\frac{\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{CES}}}{2+\frac{\mathrm{Re}}{\mathrm{Ro}+\mathrm{RL}}}\&le;\frac{\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{CES}}}{2};$

另外，根据式(4)和式(5)，Vs的最大摆动范围为：

$\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{Vs}}_{\mathrm{MAX}}=(V_{\mathrm{CE}0}-V_{\mathrm{CES}})-(-\frac{{\mathrm{Re}}^{\&prime;}}{\mathrm{Re}}{V}_{B0})$

$=[(\mathrm{VCC}-V_{B0})-V_{\mathrm{CES}}]+\frac{{\mathrm{Re}}^{\&prime;}}{\mathrm{Re}}{V}_{B0}$

$=(\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{CES}})-\frac{\mathrm{Re}-{\mathrm{Re}}^{\&prime;}}{\mathrm{Re}}{V}_{B0}$ (式7)

$=\left({\mathrm{VCC}-V}_{\mathrm{CES}}\right)-\frac{\mathrm{Re}}{{\mathrm{RL}}^{\&prime;}+\mathrm{Re}}{V}_{B0}$ (式8)

若VCC固定，由上式8可知，要使ΔVs_MAX值最大，得使

接近0，这可通过设置RL′＝(RL+Ro)＞＞Re来实现。但是，由于要与75欧传输线匹配的需要，RL必须取75欧，而Ro也不能取太大，不然，由于分压作用，图1中CVBS_OUT处的电压会很小，Ro一般也为75欧左右。这样，RL′的值在150欧左右，故要实现ΔVs_MAX最大，只有通过减小Re来实现，使其趋近于0(但是，请注意：若图1电路用于输出音频信号等负载不需要匹配的场合时，RL′可以取较大，以实现接近于0)。

但受三极管管耗的限制Re不能取得太小，若Re减小一倍，则管耗增加一倍。假定V_CE0＝25V，VCC＝5V，三极管Q1的最大安全功耗为200毫瓦，则Re的最小取值为63欧。

另外，若VCC固定，由式7知，要使ΔVs_MAX值最大，可使Re＝Re′≠0，这可采用直流输出(即取消图1中的Cout电容，直接短路之)，使直流负载线和交流负载线重合，即Re＝Re′＝Re//(Ro+RL)，如图5。当然可以将图5中的Re去掉。

但直流输出存在一个缺点：遇到外部电路短路或者接触到较大静电压时会烧三极管Q1。诚然，针对瞬时静电，可以通过增加两个防静电二极管ESD加以改善，如图6，但较长时间的静电接触或者短路，将造成三极管的永久性损毁。

若不用恒流源也不用直流输出，由式8可知，可用增大供电电压VCC(比+8V)扩大动态范围。

增大VCC会带来两个问题：一是直接导致晶体管Q1的管耗的成倍增加，三极管存在热击穿的隐患。二是可能增加成本，因为假若电路中没有现成的比5V高的合适的电压，还得另外增加电压转换电路来获得。

另外，还可以采用电压串联负反馈，电路图如图7所示，电压负反馈使电路的输出电阻减小，有利于改善失真。但是由于两个三极管是直流耦合，并且由于RF(射频)的存在，两个二极管的直流工作点比较难以调试，再者，动态范围也不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽幅视频输出电路，以解决宽幅视频信号输出时失真的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种宽幅视频输出电路，所述宽幅视频输出电路包括：晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3、电阻Rb1、电阻Rb2、电阻R0、电阻Rc、电容Cout、电阻RL、电容Cin、电阻RS以及电压源VS；

所述电阻Rb1和所述电阻Rb2依次串联连接至供电电压VCC与地之间；

所述晶体管Q1的集电极连接至所述供电电压VCC，所述晶体管Q1的基极连接至所述电阻Rb1和所述电阻Rb2的串联连接端，所述晶体管Q1的发射极连接至所述晶体管Q3的集电极；

所述晶体管Q3的发射极接地，所述晶体管Q3的基极连接至所述晶体管Q2的基极，所述晶体管Q2的发射极接地，所述晶体管Q2的集电极通过所述电阻Rc连接至所述供电电压VCC，所述晶体管Q2的集电极还与所述晶体管Q2的基极连接；

所述电容Cin的一端连接至所述电阻Rb1和所述电阻Rb2的串联连接端，所述电容Cin的另一端通过所述电阻RS与所述电压源VS的正极连接，所述电压源VS的负极接地；

所述电阻R0的一端连接至所述晶体管Q1的发射极，所述电阻R0的另一端通过所述电容Cout与所述电阻RL的一端连接，所述电阻RL的另一端接地。

其中，经过所述晶体管Q2和所述晶体管Q3的电流值可调，所述电流值根据输入信号幅度大小决定。

其中，所述电流值调节是通过调节所述电阻Rc的阻值来实现。

其中，所述宽幅视频输出电路的供电电压VCC为5V。

其中，所述宽幅视频输出电路无失真通过的视频信号的峰值为-2V～+2V。

本发明克服现有技术的不足，采用在视频输出电路的发射极跟随器中采用直流电阻接近0、交流电阻为无穷大的、且由晶体管Q2和晶体管Q3构成恒流源作为由晶体管Q1、电阻Rb1、电阻Rb2、电阻R0、电阻Rc、电容Cout、电阻RL、电容Cin、电阻RS以及电压源VS构成的发射极跟随器的发射极负载，从而扩大视频信号的动态范围的技术方案。本发明所述的电路，既具有直流输出的宽幅优势，同时又由于有电容Cout与外界直流电路隔开，故不受外部电路短路和静电等破坏性影响；在采用+5V电压供电时，可以无失真地让-2V～+2V交流信号通过，大大提升了电路的动态范围，当输入信号幅度在较大范围内变化时仍能保证信号无失真地输出。

附图说明

图1为典型CVBS输出电路图；

图2为图1所示电路的直流通路图；

图3为图1所示电路的交流通路图；

图4为图1电路中Q1的特性曲线；

图5为采用直流输出的发射极跟随电路图；

图6为增加静电保护二极管ESD的直流输出电路图；

图7为采用电压串联负反馈的输出电路；

图8为利用恒流源IDC代替Re的输出电路图；

图9为利用镜像恒流源做射极负载的视频输出电路；

图10为图9所示电路的交流负载线；

图11为图9所示电路的信号波形图。

具体实施方式

本发明的基本原理是在视频输出电路的发射极跟随器中采用直流电阻接近0、交流电阻为无穷大的恒流源作为发射极跟随器的发射极负载，从而扩大视频信号的动态范围。

众所周知，恒流源的直流电阻接近0，交流电阻为无穷大，故我们可用恒流源代替Re以取得最大的ΔVs_MAX，如图8所示。

以下结合附图和具体实施例进行详细说明。

本发明实施例中采用镜像恒流源做射极负载(如图9由Q2与Q3组成镜像恒流源)代替图1中的Re电阻，采用+5V电压供电。

下面计算恒流源的电流值：

由于恒流源的直流电阻Re＝0，根据前面讨论的式6：

${\mathrm{Vm}}_{\max }=V_{\mathrm{CE}0}-V_{\mathrm{CES}}\&le;\frac{\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{CES}}}{2+\frac{\mathrm{Re}}{\mathrm{Ro}+\mathrm{RL}}}=\frac{\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{CES}}}{2}$

等式当且仅当 $|-\frac{{\mathrm{Re}}^{\&prime;}}{\mathrm{Re}}{V}_{B0}|=|-\frac{{\mathrm{RL}}^{\&prime;}}{{\mathrm{RL}}^{\&prime;}+\mathrm{Re}}{V}_{B0}|=V_{B0}=V_{\mathrm{CE}0}-V_{\mathrm{CES}}$ 时成立，此时，可以通过峰峰值为最大的正弦交流信号。

代入V_B0＝VCC-V_CE0

V_CE0应该取： $V_{\mathrm{CE}0}=\frac{\mathrm{VCC}+V_{\mathrm{CES}}}{2}$

由前面交流通路中讨论的交流负载线MN，其斜率为

与横轴的交点为点N(V_CE0+I_C0Re′，0)，即(

0)，即(

0)，与纵轴的交于M点(0，

)，因为Re＝0，Re′＝RL′，故得N点为(VCC，0)、M点为(0，

)。由图10中的直角三角形QKN，可算出I_C0的值。

$\frac{I_{C0}}{\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{CE}0}}=\frac{1}{{\mathrm{RL}}^{\&prime;}}$

得：

$I_{C0}=\frac{(\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{CES}})}{2{\mathrm{RL}}^{\&prime;}}$

这便是恒流源的电流表达式。据此选定参数既可设置所需的电流值，它也就是发射极跟随器静态工作点的参数Ico，另一个参数Vceo的确定见(式9)。

代入VCC＝5V，V_CES＝200mV，RL′＝150Ω，由：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{CEO}}=\frac{\mathrm{VCC}+V_{\mathrm{CES}}}{2}\\ I_{C0}=\frac{(\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{CES}})}{2{\mathrm{RL}}^{\&prime;}}\end{array}\right.$ (式9)

得出Q点应该设置为(2.60V，16mA)，这时可通过-2.3V～2.3V的正弦交流信号。图9中，要使流过Rc的电流I_RC为16mA，而 $I_{\mathrm{RC}}\&ap;\frac{\mathrm{VCC}-\mathrm{Vbe}}{\mathrm{Rc}},$ Vbe＝0.65V，故Rc＝271欧，考虑到标称系列中没有271欧的电阻，故用200Ω+68Ω代替它。

下面计算偏置电阻的阻值。

图1中B点电压应该为：V_B0＝VCC-V_CE0＝5V-2.6V＝2.4V，A点电压设置在：V_A0＝V_B0+V_BE0＝3.05V。同时考虑到RB＝Rb1//Rb2尽量大，故取Rb1＝2.2K，Rb2＝6.8K。实际通过波形如图11。

在实际应用中，往往要求CVBS_OUT端口输出峰峰值为1V的交流视频信号，这可根据输入信号Vs的幅度适当调节Ro与RL(通常为75欧)的比例来满足。

比如，对于输入信号峰峰值为2V的Vs，可设置Ro＝RL＝75欧；

再比如Vs峰峰值为1V，可令Ro＝0。但是，若改变了Ro，可以根据下式

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{CE}0}=\frac{\mathrm{VCC}+V_{\mathrm{CES}}}{2}\\ I_{C0}=\frac{(\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{CES}})}{2{\mathrm{RL}}^{\&prime;}}\end{array}\right.$

对恒流源电流进行相应的调整。比如，Ro＝0时，Ic0应该设置为32mA。若不作调整，则按照图11的设置，只要Ro+RL＞100欧(这往往可以满足)，则至少可让-2V～+2V信号无失真通过。

Claims (5)

1、一种宽幅视频输出电路，其特征在于，所述宽幅视频输出电路包括：晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3、电阻Rb1、电阻Rb2、电阻R0、电阻Rc、电容Cout、电阻RL、电容Cin、电阻RS以及电压源VS；

所述电阻Rb1和所述电阻Rb2依次串联连接至供电电压VCC与地之间；

所述晶体管Q1的集电极连接至所述供电电压VCC，所述晶体管Q1的基极连接至所述电阻Rb1和所述电阻Rb2的串联连接端，所述晶体管Q1的发射极连接至所述晶体管Q3的集电极；

所述晶体管Q3的发射极接地，所述晶体管Q3的基极连接至所述晶体管Q2的基极，所述晶体管Q2的发射极接地，所述晶体管Q2的集电极通过所述电阻Rc连接至所述供电电压VCC，所述晶体管Q2的集电极还与所述晶体管Q2的基极连接；

所述电容Cin的一端连接至所述电阻Rb1和所述电阻Rb2的串联连接端，所述电容Cin的另一端通过所述电阻RS与所述电压源VS的正极连接，所述电压源VS的负极接地；

所述电阻R0的一端连接至所述晶体管Q1的发射极，所述电阻R0的另一端通过所述电容Cout与所述电阻RL的一端连接，所述电阻RL的另一端接地。

2、根据权利要求1所述的宽幅视频输出电路，其特征在于，经过所述晶体管Q2和所述晶体管Q3的电流值可调，所述电流值根据输入信号幅度大小决定。

3、根据权利要求2所述的宽幅视频输出电路，其特征在于，所述电流值调节是通过调节所述电阻Rc的阻值来实现。

4、根据权利要求1所述的宽幅视频输出电路，其特征在于，所述宽幅视频输出电路的供电电压VCC为5V。

5、根据权利要求1所述的宽幅视频输出电路，其特征在于，所述宽幅视频输出电路无失真通过的视频信号的峰值为-2V～+2V。

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