CN1083218C - 带伽玛校正的显象管驱动器装置 - Google Patents

Abstract

一个电流源(70)对电路结点(60)提供正比于视频输入信号(R)的电流。接在电路结点和电压源(68)间的第一电阻(65)提供放大的视频信号(R)，并通过第二电阻(85)从电路结点加到显象管(20)的阴极(K1)。电容器(100或110)的一极板接到显象管阴极，另一极板通过放大器(90)接到电路结点。两个电阻(65及68)的组合电阻对显象管作伽玛校正，电容器和放大器则补偿阴极固有的杂散电容而不使低频成分受到放大器失真的影响。

Description

带伽玛校正的显象管驱动器装置

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。

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“CRT”)的转移特性，曲线104表示总体转移特性。NTSC、PAL和SECAM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，在1992年1月21日授予哈弗尔(Haferl)等人的美国专利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。

伽玛校正的另一个方法是对视频信号作线性处理而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日批准授予Furrey的美国专利4,858,015中所说明的那样。Furrey的装置的实施例中，视频信号在共射共基放大器中被线性地放大。通过把放大器的负载电阻耦合到电压跟随放大器的输入端以组成一个串级互补射极跟随器缓冲放大器而使放大器的输出阻抗降低。电压跟随放大器的输出经过一个电阻和电容相并联的回路而接到显象管的阴极。这个电阻和阴极阻抗的非线性电阻部分组合在一起而提供伽玛校正。但是，这个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不希望有的响率响应极点(也就是说，它的作用类似于一个低通滤波器)。这将减少显示的图象的高频细节。在这个电阻上有一个并联的旁路电容，使得可以通过将伽玛校正电阻上的高频成份旁路掉，从而有助于恢复高频响应。互补射极跟随器(缓冲)放大器为激励该旁路电容器提供一个低阻电源。

在上述的两种伽玛校正方法中，第二种方法具有比较简单、经济和可靠性较高(因为需要校少的电路元件)等优点。

但是，这里要认识到，经过伽玛校正的视频信号会遭受到互补射极跟随器缓冲放大器的交叉失真的特性的影响，而且这种失真基本上在整个视频带宽内都存在。本发明的目的的第一方面就是要减少这种失真。

实施本发明的一种显象管驱动器装置包括连接在一起的一个电路结点和一个电流源，后者向电路结点提供一个和视频输入信号成正比的输出电流。接在该电路结点和一个供电电压源之间的一个第一电阻给出一个经放大的视频输出信号，这个信号从电路结点经过一个第二电阻接到显象管的阴极以便向阴极提供一个其阻值不小于该两个电阻值之和的源阻抗。还设有一个电容器，其第一电极接到显象管的阴极，其第二电极则经过放大器接到电路结点。

其优点是，第一和第二电阻结合在一起向显象管提供伽玛校正。同时，视频信号的直流和低频成份决不会通过第二放大器，因而不会有第二放大器可能存在的任何失真。

另一个优点在于，由于视频信号的绝大部分的功率是存在于频谱的直流和低频部分，第二放大器的功耗较低，因而减少了冷却的要求。

在这里所说明的发明的另一实施例中，电容量是作为电子束电流的函数而变化的，这样做的好处是有助于增加整个驱动放大器频率响应在束电流变化情况下的稳定性。

按照本发明，一种对显象管施加伽玛校正的方法包括下列步骤：(i)产生一个与视频输入信号成正比的电流；(ii)把该电流加到第一电阻上以产生一个放大的视频信号；(iii)把放大的视频信号通过一个第二电阻接到显象管的阴极，以便向阴极提供一个不小于第一和第二电阻阻值之和的阴极的源电阻；以及(iv)把第一和第二电阻的共同接点接到放大器的一个输入端而把放大器的输出经过一个电容器而接到显象管的阴极。

本发明的上述和另外一些特征将在所附的图中说明，其中相同的元件用相同的参考符号来指明，这些图为：

图1是用来说明电视发射机、电视接收机和包括发射机和接收机在内的总的电视系统的转移特性和伽玛值的曲线图；

图2A和图2B是说明伽玛校正的曲线图；

图3是包含实施本发明的带伽玛校正的显象管在内的电视接收机的方块图，部分以示意图的形式表示：

图4和5表明对图3的显象管驱动放大器的改进。

图3的电视接收机10包含一个调谐器、中频放大器(IF)和检波器12，它有一个射频输入端14以便从合适的源(例如电视广播、有线电视、录相机等)接收射频输入信号S1，并提供一个基带视频输出信号S2到色度/亮度信号处理单元16，这个单元提供红(R)、绿(G)、和蓝(B)分量的视频输出信号以供显象管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驱动信号经过相应的驱动放大器50、40和30加到显象管的相应的各个阴极K1、K2、和K3上。这些驱动放大器都是相同的，所以只有其中之一(驱动器50)的详细情况被显示。为了保持完整性，这个特定实施例中每个电路元件的作为例子的元件数值都包括在内。

驱动器50(用虚线括起)包括电路结点60和电流源70，后者向电路结点60提供一个与加到该电流源70上的视频输入信号(在这一情况下为R，即“红”)的值成正比的输出电流。

电流源70包括一个第一晶体管Q1，它有一个基极，(R)视频输入信号就加在该基极上，Q1还有一个射极，它通过一个射极电阻72而接到一个参考电位源上(例如在本例中的地上)，并且还有一个集电极，它通过由第二晶体管Q2构成的共基极放大器的导电通路而接到电路结点60上。特别要说明，晶体管Q2是把它的基极接到一个供电电源74上(例如，+12伏)，它的射极接到晶体管Q1的集电极上，而它的集电极则接到电路结点60上。电流源70的另外两个元件是串联连接的电阻76和电容器78，它们和射极电阻72并联连接。这个旁路通道的时间常数是这样选择的，即能为电流源70在亮度信号频带的上半部分(例如约4兆赫)提供高频提升。

电路结点60通过一个电阻65接到一个电压较高(例如约200伏)的电源+V68上，并经过一个电阻85接到显象管20的阴极K1上。这两个电阻的阻值的选择方法将在后面说明，其目的是要对显象管20所显示的图象加以伽玛校正，但它们相对较高的阻值会减少驱动放大器的带宽因而会降低显示图象的细节。另外一个电阻79(例如为330欧)连接在输出102和阴极K1之间用于为放大器50提供电弧保护。

驱动放大器50的其余元件对上面所说的减少带宽的问题进行校正并构成一个缓冲放大器90和一个电容器100。特别要指明的是，放大器90的输出端是96，它通过电容器100接到显象管20的阴极K1上，放大器90的输入端是94，通过电阻95接到电路结点60上。放大器90是增益为1的互补射极跟随器型的电压跟随器，它包括一对互补的晶体管Q3(PNP)和Q4(NPN)。晶体管Q3的集电极和基极分别地接到地和输入94，它的发射极则通过电阻91接到输出端96。晶体管Q4的集电极和基极分别接到电源68和输入端94，它的发射极则通过电阻92接到输出端96。射极电阻91和92是保护电阻，它们在信号过渡期间当一个晶体管导通而另一个截止时限制流经串联连接的晶体管Q3和Q4的导通途经的最大电流。在稳态条件下没有电流通过，因而没有静态功率损耗。电阻95的作用是在暂态条件下限制流经晶体管Q3和Q4的瞬态基极电流，并为负载电容器100提供附加的隔离。在输入结点上的有效电容分量是相当低的，大约等于负载电容除以晶体管正向电流增益值。由电阻95所提供的对这个电容的附加隔离保证电容器100和电路结点60完全隔离。这个隔离避免了增益的损失和并不需要的外加的低频极点，不然的话，如果把电容器100直接接到电路结点65上这个低频极点将会产生。

在运行时，电流源70向电路结点60提供一个输出电流，这个电流和亮度色度处理器16所提供的红(R)视频输入信号的值成正比。得到这样的结果是因为晶体管Q1调节跨越发射极电阻72的电压使其和加到它的基极上的红(R)信号电压成正比。由于跨越电阻72上的电压跟随红信号，所以通过它的电流以及送给电路结点60上的集电极电流也因而和红色电子枪的信号电压成正比。应该指出，集电极电流和晶体管Q1的射极电流有一点差别，其数量就是它的基极电流。这个差别是很小的，并且如果用场效应晶体管代替所示的双极型晶体管时这一点差别可完全被消除。

共基连接的晶体管Q2的作用是使晶体管Q1的集电极与电压变动相隔离以抑制密勒效应，并从而展宽由电阻65和电流源70所形成的整个放大器的带宽。在这个例子中，晶体管Q2将晶体管Q1的集电极电压调节在12伏左右，这是由于它的基极接到供电电源74上所决定的。由电流源70提供的电流在视频频带的上端(例如约为4兆赫)由包括电阻76和电容器78在内的发射极电阻72的旁路网络所提升。

接在电路结点60和供电电源68之间的电阻65根据电流源70所提供的电流而产生一个视频输出信号。由电流源70和电阻65组合而形成的放大器的增益按第一近似决定于电阻65的阻值与电阻72的阻值的比值。实际的增益要稍小一点而且是非线性的，这是由于电阻85(它是线性的)和阴极K1(它有一个动态阻抗的非线性实数部分)的非线性的负载效应所致。正是阴极负载的这个非线性提供了伽玛校正，这将在下面说明。

连接在电路结点60和显象管20的阴极K1之间的电阻85把电阻65所给出的经过放大的视频信号加到阴极上。重要之处在于电阻65和电阻85的阻值要选择得能提供一个组合的或总的阻值，它足以对显象管20所显示的图象进行伽玛校正。为此目的，电阻65和85选择成使得其总的或组合的阻值是在显象管20的阴极K1所呈现出的动态电阻的最大和最小值之间。阴极的最大动态电阻发生在当阴极被驱动到截止电位以产生一个黑色电平的图象的时候。阴极K1的电阻的最小值则发生在阴极被驱动到使显象管20产生一个峰值白色输出图象的时候。

考察上面所讨论的伽玛校正的另一种方法是把电流源70和电阻65及85的组合看成是一个具有固定输出阻抗的放大器，这个输出阻抗大约是在显象管阴极阻抗变化范围的中间点。对于在这一范围内的值，当阴极阻抗为低时(白色电平信号)驱动放大器实际上是作为电流源而工作，因而限制了对阴极的驱动，而当阴极阻抗为高时(黑色电平信号)则它作为电压源而工作。其结果是，在接近黑色电平的信号电平时比白色水平时有更强的驱动加到阴极上，因而改进了相对较黑的场景的对比度。

不幸的是，伽玛校正电阻较高的总电阻值(电阻65加上电阻85)和显象管20的阴极所具有的杂散电容组合在一起实际上形成了一个低通滤波器，它在很低频率时产生一个不需要的频率响应极点。在本发明的这一例子中总电阻是23.2千欧。作为说明之用，如果杂散电容是15微微法，则不需要的极点将位于二分之一兆赫以下。这将会减少驱动放大器50的带宽，而在这些情况下将会降低显象管20所显示的图象的细节。

上面所指出的减少带宽的问题可以采用缓冲放大器90来补救，这个放大器的输出端96通过电容器100接到阴极K1，它的输入端则接到电路结点60。这个电路为高频信号成分流向阴极K1提供一个低阻抗的源而不会对电路结点65呈现出任何明显的电容负载，且其优点是：不会对视频信号的直流和低频成分造成交叉失真。

更详细地说，回忆一下线性的电流源70和也是线性的负载电阻65的组合，它提供红色视频信号的线性放大。电流源是工作在甲类方式下的(即在一个电信号周期的全部360度内都是导通的，晶体管决不会被驱动到截止状态)，所以在经过电阻85而送到显象管阴极K1上的经过放大的视频信号实际上是无失真的。虽然放大器90确实存在交叉失真，但这仅局限于由电容器100导通的视频信号中的高频扩增成分，而在实际上，这在显象管20所显示的图象中是看不见的。不过，如果主视频信号被允许通过缓冲放大器而供到电阻85上，那么交叉失真将会是可得见的。如果像上面指出的那样把电容器100和放大器90连接起来则这种情况将可完全避免，同时还可以避免前面讨论过的不希望出现的对电路结点65的电容性负载效应。

简单地总结一下上面所说的，在图3的显象管驱动器中，电流源70向电路结点60提供一个输出电流，它正比于加在电流源上的视频输入信号(红)的值。共基晶体管Q2把电流源70的电流加到电阻65上以产生一个放大了的视频信号。电阻85把放大了的视频信号连接到显象管20的阴极K1上以产生图象。电阻65和85的阻值之和选择成能对显象管20所显示的图象进行伽玛校正，但却会减少图象的细节。通过把电容器100的第一极板接到显象管20的阴极K1并把电容器100的第二极板通过放大器90而接到电阻65和85的共同接点(即结点60)而使细节得到恢复。

在图4的经改进的显象管驱动放大器中，电容器100用一个可变电容器110来代替，这里是用一个变抗器或变容二极管来实现的，它的阳极接到缓冲放大器90的输出端96，而其阴极则接到显象管20的阴极K1。

在运行时，阴极电流流过电阻85而产生一个供变容二极管110的偏置电压。因此，显象管束电流增加则电容量减少，反过来也一样。电容量的这种变化有助于补偿随着束电流变化所引起的阴极阻抗中电阻部分的变化从而得到稳定的高频响应的结果。

更详细地说，回忆一下阴极的动态阻抗包括一个实数(电阻性)部分和一个虚数(电容性)部分，实数部分和束电流变化成反比，虚数部分由和阴极相伴随的杂散电容所代表，且它不随束电流而变化。随着束电流增加，电阻部分减小，因此由杂散电容所引起的“转角频率”(Corner freguency)或响应极点的频率将增大。这种变化意味着为了对整个系统维持一个恒定的频率响应，可以需要较弱的高频驱动。这种因束电流增加而减少高频补偿的驱动是由变容二极管110提供的，它接收到随着束电流增加而增加的偏置电压从而表现出电容量的减小。这种变化的意义是在显示图象的亮度水平变化时稳定总体的频率响应。

如所附权利要求中规定的那样，在本发明的范围内可以做出其它各种各样的变化和修改。例如，可以通过使晶体管Q3和Q4被偏置成能够流通一个静态工作电流，从而可以减少放大器90的交叉失真，然而这样做会增加功率损耗。在电流源70和缓冲放大器90中可以用场效应晶体管而不用双极型晶体管。还可以作一些其它的改变，例如可以包括一个和电阻85串联的自动显象管偏置(AKB)检测晶体管。另外，还可以在显象管阴极包含一个火花间隙以及可以与电容器100串联连接一个较低阻值的显象管电弧保护电阻，或者换一种方式，这样的电阻也可连接在阴极K1和电容器100与电阻85的共同接点之间。

图5所示的例子是对图3的一种修改，它是在晶体管Q2的集电极和电路结点60之间插入一个另外的集电极负载电阻66(作为说明，可以是2.7千欧)。其好处是：与直流和低频分量相比这一修改信号的高频分量可以提高。

Claims (7)

1.一种显象管驱动装置，其特征在于包括：

一个电路节点(60)；

一个电流源(70)，连接成能向上述的电路节点(60)提供一个和视频输入信号(R)的值成正比的输出电流；

一个第一电阻(65)，连接在上述电路节点(60)和电压电源(68)之间，以产生一个经过放大的视频输出信号；

一个第二电阻(85)，连接在上述的电路节点(60)和显象管(20)的阴极(K1)之间，以便把上述的放大的视频信号加到上述的阴极(K1)上；及

一个缓冲放大器(90)，具有一个经一个电容器(100或110)而连接到上述的阴极(K1)的输出端(96)、和一个连接到上述的电路节点(60)的输入端(94)。

2.如权利要求1中的显象管驱动装置，其特征在于，一个用于对上述放大器(90)进行偏置以使其基本上不导通静态电流的装置。

3.如权利要求1中的显象管驱动装置，其特征在于，一个用于作为上述的显象管(20)的束电流的函数而改变上述电容器(110)的值的装置。

4.如权利要求1中的显象管驱动装置，其特征在于，一个用以使上述的电容器(110)的值随着上述显象管(20)的束电流变化成反比地变化的装置。

5.如权利要求1中的显象管驱动装置，其特征在于，上述的电容器(110)包括一个根据电压而变化的电容器。

6.如权利要求1中的显象管驱动装置，其特征在于，上述的第一电阻(65)和上述的第二电阻(85)具有一个组合的电阻值，该值足以对上述显象管(20)所显示的图象进行伽玛校正。

7.如权利要求1中的显象管驱动装置，其特征在于，在上述电压电源(68)和上述阴极(K1)之间的总电阻不小于用于对上述的显象管(20)进行伽玛校正的第一(65)和第二电阻(85)的阻值之和。

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