CN1049765A - 用来产生改善图像对比度的可控非线性传送特性的放大器结构 - Google Patents

Abstract

一种例如实现亮度信号“白展宽”的非线性传送 函数发生器。其中，第一和第二发射极跟随器放大器 196、198的输入端并联耦合，输出端经分压器的第一 电阻210串联耦合。分压器的第二电阻216耦合到 基准电位点218。偏压源经216耦合到198，使198 对于输入信号的动态响应相对于196被限制。196 的输出信号是线性的，198的输出信号是非线性的。 电流控制网络188响应于表示亮度信号已处理形式 的特点的控制信号V_c，组合线性和非线性输出信 号。

Description

本发明涉及可控非线性处理电路，特别是涉及那种用来增强视频图像对比度的电路。

在同时提交的序号为RCA（美国无线电公司）85479的、题为“包括自动对比度处理部分和‘白展宽’处理部分的动态视频系统”（“A  Dynamic  Video  System  Including  Automatic  Contrast  and‘White-Stretch’Processing  Sections”）的美国专利申请书中，公开了在电视系统中利用“白展宽”处理部分的优点。为了增强重现图像的对比度，按照表示图像特性的控制信号的函数，白展宽相对于高亮度幅度增强或放大了中等亮度幅度的幅度。在本发明申请书中，简要地讨论了白展宽处理的优点。但是，本申请书主要地关系到一种用来提供可用于产生白展宽的可控非线性增益特性的优异结构。

根据本发明的一个方面，非线性处理设备包括：用来响应于输入信号，产生线性和非线性输出信号的第一和第二放大器;以及用来根据控制，把这两种输出信号组合起来的“软开关”。具体地讲，根据本发明的另一个方面，第一和第二放大器包括电压跟随器，把电压跟随器的输入端并联地耦合起来，把它们的输出端通过电阻分压器的第一电阻耦合到一起。把偏压耦合到第二放大器上，使得第二放大器将在第一放大器截止以前截止。在第二放大器截止以前，这两个放大器所提供的输出信号具有相同的幅度，并且，没有电流流经第一电阻。在第二放大器截止以后，电流流经第一电阻，利用分压器的分压作用，在第二放大器的输出端上，产生了第一放大器输出信号的已衰减形式。其结果是，在第一放大器的输出端上，产生了线性输出信号;在第二放大器的输出端上，产生了非线性输出信号。

为了详细地了解本发明，应该参考附图，其中：

图1A和1B分别示出白展宽增益特性和具有白展宽传送函数的设备方框图;

图2A和2B分别示出用来实现图1B设备中某些方框的第一和第二放大器装置的原理图和有关传送函数;

图3A和3B示出电流源及其在实现图1B设备中的应用;

图4示出用来实现图1B设备中另一方框的电流控制网络的原理图;

图5示出可用于图3A和3B中所示那些地方的另一种电流源;

图6示出利用图2A、3A、3B和4中所示各部分全面实现图1B设备的原理图;以及

图7示出在电视系统中如何利用图1B的白展宽设备。

在所有的图中，把同一标号指配给相同或类似的元件。

在下列描述中，假定：亮度信号的正向部分对应于重现图像的白向部分。

下面转向示出白展宽增益特性的图1A。这种增益特性包括一族非线性传送函数;与较大亮度幅度电平相比，该函数对于中等和较小亮度幅度电平提高了增益（斜率）。其非线性程度按控制信号V_c的大小的反函数增大。对于控制信号V_c中的最大幅度（V_c1），增益特性收缩成线性传送函数。对于较小的幅度（例如，V_c2＜V_c1），传送函数变得更加非线性。

一种产生图1A所示传送函数的有效方法示于图1B。把输入端182上的输入电压并联地耦合到线性放大器184的输入端和非线性放大器186的输入端上。把放大器184和186的输出信号耦合到“软开关”188上，188根据控制电压V_c把线性输出信号和非线性输出信号组合起来，以便在输出端192上产生最终的输出信号。输入端182与输出端192之间的增益特性示于图1A。

图1B方框中放大器184和186的实现原理性地示于图2A。图2A中放大器的传送函数示于图2B。

把输入端194上的电压（对应于图1B中输入电压182）并联地耦合到PNP晶体管196和198的基极上。使晶体管196和198构成发射极跟随器，把各自的集电极连接到地，在各自的发射极上产生输出电压。把PNP晶体管196的发射极通过电阻206连接到电压源V_cc上;并且跨过电阻206在输出端208上产生一输出信号。发射极跟随器198在负载电阻216与偏压电源218的串联连接电路两端产生输出电压，该串联连接电路在输出端214上。设定电源218所提供的偏压值，使得晶体管198在输入信号的所需转折点电平（V_B）上截止。在该转折点电平以后，晶体管196继续导通。其结果是，发射极跟随器198的动态范围小于发射极跟随器196。把电阻210连接到输出端208与214之间。

当晶体管198导通时，208和214上的输出电压基本上相等，并且，对于输入电压呈线性关系。另外，无衰减的输出信号出现在208上，因为没有电流流经电阻210。但是，当晶体管198截止时，电流流经电阻210。在那一点（V_B）上以及超过那一点时，208上的输出信号继续不变，但是，由于电阻210与216的分压作用，在214上产生了208上输出信号的已衰减形式。转折点V_B由电源电压218和晶体管198基极存在的直流偏压来确定。图2B所示A₂与A₁的斜率之比由电阻210与216之比来确定。

图3A和3B示出用来把图2A中输出电压变换成电流的电路原理。正如下面将要说明的那样，把这些电流加到包括电流控制网络的“软开关”188上。如图3A所示，把输出端208上所产生的线性电压信号加到一个耦合到晶体管224基极上的输入端220上。以对应的方式，把输出端214上所产生的非线性电压信号加到一个耦合到晶体管230基极上的输入端226上。晶体管224和230具有耦合到结合图4讨论的电流控制电路上的各自的集电极。响应于加到晶体管224和230基极上的电压，产生了各自的集电极电流236和238。把晶体管224和230的发射极连接到各自的发射极电阻244和246上。把电阻244直接耦合到地，把电阻246通过偏压源248耦合到地。电阻246的数值小于电阻244，以便均衡线性信号与非线性信号的黑-白差电流。偏压源248所提供的偏压产生用来均衡这两个输出电流中直流分量的偏置。

软开关188可以作为图4所示的电源控制差分放大器来实现。晶体管224和230以与上面结合图3A和3B所讨论的相同方式而工作。晶体管250和252组成差分放大器，该差分放大器用来作为加到晶体管250基极上控制电压V_c的函数，控制在晶体管224集电极中流动的电流236，把该差分放大器的负载电阻253连接到信号输出端192与电源端V_cc之间。差分晶体管对256和258，作为加到晶体管258基极上控制压V_c的函数，类似地控制在晶体管230集电极中流动的电流238。其结果是，流经负载电阻253的电流是线性电流236与非线性电流238的可控组合。

耦合到晶体管252和256基极上的电压源259建立电流连续可控的控制范围。正如已知的那样，差分输入电压的范围约为+150毫伏，在这一范围内，差分放大器的输出电流响应于输入电压。电压源259所提供的电压对应于控制范围的中点左右。当控制电压V_c的大小小于源259所提供的电压时，晶体管256导通得比晶体管258要强，晶体管252导通得比晶体管250要强。其结果是，在负载电阻253两端所产生的输出电压中，来自非线性电流（晶体管230所提供的）的分量大于来自线性电流（晶体管224所提供的）的分量。当控制电压V_c的大小大于源259所提供的电压时，晶体管250导通得比晶体管252要强，晶体管258导通得比晶体管256要强。其结果是，在负载电阻两端所产生的输出电压中，来自晶体管224所提供线性电流的分量大于来自晶体管230所提供非线性电流的分量。因此，输入端182与输出端192之间的增益特性如图1A所示。

图4电路在输入端182与输出端192之间产生了信号倒相。在某些应用中，这种信号倒相是不需要的。图5示出图3A、3B和4中所示电流源的另一种结构，这种结构不形成信号倒相。在这种结构中，把加到输入端220和226上的输入电压耦合到晶体管224和230各自的发射极上，而不耦合到各自的基极上。把输入端220和226通过各自的电阻261和263耦合到晶体管224和230各自的发射极上。在图5电路中，也把偏压源248耦合到晶体管224和230的基极上。电阻261的值大于电阻263，以便补偿220和226上所产生的这两个输入电压之间的黑-白差;使电阻246小于电阻244，以便补偿这两个输入电压中直流分量之差。

图6示出图1B方框图的全面实现。图6把以前结合图2A、3A、3B和4讨论过的电路部分耦合到一起。但是，作了某些实际改进。

在后一点上，与图2A所示发射极跟随器198有关的偏压源218，通过把电源电压V_cc在电阻261与电阻216′之间进行分压来提供[作为戴维南（Thevenin）电压源]。图2A所示电阻216对应于电阻216′和261的戴维南等效电阻。与用于图3B和4所示非线性输入电压的电流源有关的偏压248，以类似的方式通过把电源电压V_cc在电阻263与电阻246′之间进行分压来提供。包括电阻264和266的分压器对应于图4所示耦合到晶体管252和256基极上的电压源259。可能更加重要的是，把二极管270附加地耦合到V_c的控制输入端190与电阻264、266的连接点之间，这在某种意义上用来防止控制电压V_c比在电阻264、266的连接点上所形成的电压大一个二极管电压降以上。这防止了当控制电压V_c大时输出信号（Y_ouT）中的失真。

图7示出一种在电视系统中利用参考图1-6所描述的可控非线性增益特性信号处理电路来执行白展宽处理的方法。参看图7，把非线性增益特性电路结合到白展宽处理单元136中。正如下面将要说明的那样，用于白展宽处理单元136控制电压（结合到图7的情况，标为控制信号V_CA）由控制信号发生器140产生。

对应于图7具体地讲，把在输入端142上提供的复合视频信号分离成两个分量：在输出端144上提供的亮度信号和在输出端146上提供的色度信号。

色度信号以周知的方法在用来产生红、绿、蓝色差信号r-Y、g-Y、b-Y的处理器148中进行处理。把色差信号耦合到矩阵152上。可以把色度处理单元148和矩阵152集成到集成电路（IC）154中。

把亮度信号耦合到白展宽处理单元136上，136还接受发生器140所产生的控制信号V_c。把白展宽处理单元136的输出信号耦合到用来改善图像清晰度的峰化电路156上。把峰化电路156的输出信号耦合到集成电路154上。

为了进行亮度信号处理，集成电路154包括对比度控制单元158和亮度控制单元160。虽然在现代电视系统中用户调整单元一般包括微处理器控制的数-模变换器，但是，图7中，分别利用电位器159和161把对比度和亮度的用户调整单元象征性地表示出来。把已处理的亮度信号耦合到矩阵152上，在152中，已处理的亮度信号与色差信号耦合起来，以便产生低电平的红（r）、绿（g）、蓝（b）彩色信号。把在偏转处理部分中（未示出）分别产生的水平和垂直回扫消隐脉冲HB和VB，利用矩阵152插入到r、g、b彩色信号中，以防止水平和垂直回扫线显示出来。

利用驱动放大器164r、164g、164b把低电平的r、g、b彩色信号放大，以便产生适合于驱动显像管166相应的阴极的R、G、B驱动信号。

正如下面将要说明的那样，为了防止过大白向信号峰值（例如，对应于字符的）所引起的光点模糊，以及显示驱动器和荧光粉的饱和，峰值检波器168检测控制信号发生器140中所产生亮度表示信号的白向峰值，168相应地产生用于对比度控制单元158的控制信号。每当检测出白向峰值超过对应于光点模糊的门限值时，就自动地减小对比度。

遗憾的是，自动对比度控制设备一概影响所有的幅度，因为对比度控制单元158具有线性增益函数。其结果是，中等的以及大的幅度都倾向于被减小，形成了主观图像亮度的减小。白展宽处理单元136以下列方法来抵消这种影响。

响应于下面将要描述亮度表示信号的平均值，引出了用于白展宽处理单元136的控制（电压）V_CA。当平均图像亮度低时，控制信号V_CA使白展宽处理单元136的非线性程度增大（见图1A中的V_c2）。其结果是，相对于大幅度亮度信号来说，中等幅度亮度信号的电平增大了。因为对应于图像小面积的白向峰值对于平均电平并无显著影响，所以，倾向于进一步减小中等幅度的、响应于过大白向峰值的自动对比度减小将被加到中等幅度上的增大的白展宽增益所抵消。这样，使光点模糊、以及显示驱动器和荧光粉的饱和为最小，同时，提供了主观清晰、明亮的图像。

正如前面所指出的那样，对于自动对比度和白展宽控制来说，理想情况是，在已经把图像特性（例如，对比度和亮度）调整得相应的控制信号正确地反映出重现图像的内容以后，分别检波表示重现图像中亮度分量的信号的峰值和平均值。从日本东芝（Toshiba）公司可以买到的亮度处理集成电路TA7730在其一个输出端上提供通过把已经受到对比度和亮度控制的r、g、b彩色信号组合起来而得到的、表示亮度的信号。遗憾的是，其它集成电路，例如可从瓦尔沃（Valvo）公司买到的TDA4580之类并未提供亮度、或者反映对比亮度和亮度控制处理的亮度表示信号，正如图7中相应于集成电路IC154所示的那样。

控制信号发生器140就是针对这一问题的，题为“用于电视系统的控制信号发生器”（“CONTROL  SIGNAL  GENERAT  OR  FOR  A  TELEVISION  SYSTEM”）的、共同提出的拉戈尼（Lagonl）专利申请书特别关系到这种控制信号发生器140。控制信号发生器140把在集成电路154相应输出端上所产生的r、g、b彩色信号组合起来，以便产生至少是近似表示已处理亮度信息的信号。但是，结果的“和亮度”信号包括了对应于在被组合的r、g、b信号中所包括的、高电平（例如，-100至-160IRE范围内）的回扫消隐脉冲的脉冲，不像集成电路TA7730所产生的“和亮度”信号那样，TA7730是在把回扫消隐脉冲加上去之前，就把r、g、b信号组合起来了。在“和亮度”信号中所包括的脉冲显著地扩展到黑电平之下，因此，这种脉冲将严重地影响平均值（以及峰到峰值）。因此，通过检波“和信号”平均值所得到的控制信号将不能精确地表示重现图像的亮度。控制信号140也包括针对这一问题的措施。

具体地讲，相对于控制信号发生器140来说，利用包括电阻171、173、175的电阻组合器，把在集成电路154相应输出端上产生的r、g、b彩色信号加起来。把在电阻171、173、175的公共连接点产生的结果“和信号”耦合到射极跟随器放大器177的基极上。在负载电阻179端产生了输出信号，179在发射极跟随器177的低阻发射极输出端上。

耦合到电源电压（V_cc）与发射极跟随器177发射极之间的电阻181提高了发射极跟随器177的导通门限值，使得在发射极输出端上基本上提供了全部超过黑电平的白向“和信号”，但是，相应于r、g、b彩色信号中回扫消隐脉冲的脉冲被去掉了。这样，由于把提高了的偏置加到发射极上，所以，检波的平均值和结果的白展宽控制信号V_CA是重现图像平均亮度分量的、比较可靠的表示。

为了精确地产生亮度信号，电阻171、173、175可以根据周知的亮度矩阵方程式成比例，但是，已经发现，在实际中，为了提供适合于白展宽处理控制的已处理亮度表示分量，1∶1∶1的比例是满足要求的。

平均值检波器183产生“和输出”信号的平均值，183能简单地包括一个RC低通滤波器。峰值检波器168检波“和输出”信号的白峰值。在1989年7月14日以G·A·怀特利奇（Whiteledge）名义提交并且转让给本申请同一受让人的、题为“具有反馈的峰值检波器”（“Peak  Deteetor  With  Feedback”）的第380697号美国专题申请书中，公开了一种能够响应于很陡峰值的、适用的峰值检波器。

虽然这里说明和描述了当前认为是本发明的优选实施例，但是，应该理解，那些熟悉本领域技术的人能够想到某些改变和改进。例如，虽然图1B中以方框形式示出的放大器184和186，在图2A中是说明性地作为发射极跟随器来实现的，但是，可以采用其它跟随器放大器和其它放大器。打算使下列权利要求覆盖全部落入本发明范围内的这种和其它改型。

Claims (7)

1、一种用来产生可控非线性传送特性的设备，其特征在于：

用来以第一增益线性地放大输入信号以便产生线性信号的第一放大器(184)；

用来在所述输入信号的第一幅度范围内以第二增益、并且，在所述输入信号的第二幅度范围内以不同于第二增益的第三增益，非线性地放大所述输入信号，以便产生非线性信号的第二放大器(186)；以及

耦合到所述放大器上，用来响应于控制信号(190)把线性信号与非线信号可控地组合起来，以便提供具有所述可控非线性传送特性的输出信号的信号组合器(188)。

2、根据权利要求1中所述的设备，其特征在于：

所述输出信号通过一增益特性与所述输入信号相关，该增益特性包括一族在线性增益函数与非线性增益函数之间的函数，其非线性程度由所述控制信号来确定。

3、根据权利要求2中所述的设备，其特征在于：

与对于大于所述预定电平的所述输入信号幅度电平相比，所述非线性增益函数对于小于预定电平的所述输入信号幅度电平具有较大的增益。

4、根据权利要求1中所述的设备，其特征在于：

所述第一和二放大器呈现出不同的动态范围，所述放大器具有各自的、共同耦合起来的各自的、用来接受所述输入信号的输入端，还具有各自的、通过网络（210、216、218）耦合到一起的、用来产生加到所述信号组合器上的所述线性和非线性信号的输出端。

5、根据权利要求4中所述设备，其特征在于：

所述第一和第二放大器至少对于所述输入信号的一个电平范围具有基本上相同的增益;

把所述第二放大器（198）偏置，以便在与所述第一放大器（196）不同的所述输入信号电平下截止;

通过分压器（210、216）的一个元件（210），把所述放大器的所述输出端耦合到一起;以及

所述分压器上的抽头，至少提供所述线性和非线性信号中的一个信号。

6、根据权利要求5中所述的设备，其特征在于：

所述第一和第二放大器包括各自的电压跟随器放大器。

7、根据权利要求1中所述的设备，其特征在于：

所述线性信号和所述非线性信号包括各自的信号电流;以及

所述组合电路包括电流控制网络（188）。

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