CN1119370A - 三态视频差动驱动器 - Google Patents

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Abstract

通过相应负载网络耦合到公共电源端的差动电流源响应视频输入信号提供第一和第二互补输出电流，并产生第一和第二互补视频输出信号。三态控制电路以第一工作模式启动差动电流产生第一和第二互补电流，由此在输出端产生推挽输出信号。在第二工作模式下三态控制电路迫使互补电流为0，公共电源端通过两个负载网络加截止偏压给所有输出晶体管的控制极以隔离输出端。在三态模式下静态功耗为0。

Description

三态视频差动驱动器
本发明一般涉及视频互连系统，更准确地说涉及提供三态驱动信号给视频总线的基带视频驱动放大器。
已知与总线有关的双向视频互连系统被用于例如互连视频设备的组成部分，象磁带录象机、电视唱片重放机、电视调谐器、摄象机、视频监视器等等。这类应用要求驱动器能够以相对低的源或汇点(sink)阻抗将视频信号施加于总线，以较高的“截止态”，阻抗将视频信号与总线隔离。由于以下三种可能的驱动状态，这种特性称之为“三态”操作：(1)以低阻抗提供或“纯源化(sourcing)”电流给总线，(2)以低阻抗从总线去除或“降低(sinking)”电流，(3)以很大阻抗，基本上为开路从总线隔离或分离视频信号。
借助于机械继电器将视频驱动器的输出耦合到总线可实现这种三态操作。从导通和截止阻抗出发就该目的而言机械继电器具有优良的电特性，但是较昂贵且可能较笨重、不可靠和反应缓慢。诸如传输门一类的固态开关可用于选择性地将视频信号耦合到总线，但是一般呈现较高的“导通”电阻，该“导通”电阻还可随信号电平变化，由此引入不希望的信号畸变。
在1986年4月8日公布的题为“分布式开关阻件音频/视频系统”的美国专利第4,581,645号中Beyers，Jr描述了一种解决提供三态操作问题的方法，该方法克服了固态开关“导通状态”特性差的问题。在其中举例说明的驱动放大器中，借助于PIN二极管将视频耦合到总线。至如Beyers，Jr.所说明的，这种二极管在视频频率上具有很好的隔离特性，但具有较差的“导通状态”阻抗特性(例如，当偏置为“导通”时的较大和可变的阻抗)。Beyers以负反馈路径将PIN开关二极管与驱动放大器相连。从而解决了PIN二极管开关的问题。当二极管偏置为“导通”时施加负反馈，这在将视频信号耦合到总线时有效降低并稳定了导通状态二极管电阻。当将视频信号与总线隔离时设置给二极管施加反向直流偏置。但是，用特殊的开关二极管(PIN二极管)和对二极管应用负反馈导致较复杂的开关电路。
上述实例涉及所谓“单端”三态应用。在某些应用中需提供均衡的三态操作，以获得均衡操作提供的改进的共态抑制的优越性。
于此认识到需要简化的三态视频总线驱动器提供平衡传输线驱动性能，这不需要特定开关二极管或利用负反馈来克服较差的导通状态阻抗特性。还存在一种需要，就是当驱动器处于其备用或三态方式时具有降低的静态功耗。本发明旨在满足这些要求。
按照本发明提供三态平衡传输线视频总线驱动的方法包含：从视频输入信号得出第一和第二互补电流；由第一电流在第一负载电路中产生第一信号，由第二电流在第二负载电路中产生互补第二信号；将第一信号经由电压跟随器晶体管加至第一输出端；经由电流源晶体管加到第二输出端；将第二信号经由第二电压跟随器晶体管加到第二输出端，经第二电流源晶体管施加到第一输出端；启动第一和第二互补电流使所述第一、第二、第三和第四晶体管在输出端产生推挽输出信号；以及，禁止第一和第二互补电流以通过负载电路将载止偏置电压施加于第一、第二、第三和第四晶体管，从而将输出端隔离。
按照本发明提供三态平衡视频总线驱动的装置包含：从视频输入信号导出第一和第二互补电流的差动电流源，用于由第一电流在第一负载电路中产生第一输出信号和由第二电流在第二负载电路中产生第二输出信号的负载网络。第一输出电路将第一输出信号经电压跟随器晶体管施加于第一输出端(16)而经电流源晶体管加至第二输出端，第二输出电路将第二输出信号经第二电压跟随器晶体管加于第二输出端并经第二电流源晶体管加至第一输出端。三态控制电路根据施加于其上的控制信号的第一电平启动差动电流源，以产生第一和第二互补电流，借此在输出端产生推挽输出信号。三态控电路响应控制信号第二电平，禁止差动电流源产生第一和第二互补电流，使得负载电路能够将截止偏压加到第一、第二、第三和第四晶体管，从而三态化(隔离)输出端。
本发明的上述特征和进一步的特征以附图表示出，其中相同元件以相同标号表示，附图中：
图1是实施本发明的三态平衡传输线视频总线驱动器系统部分以示意形式表示的框图；
图2是表示图1实例所用三态平衡传输线驱动器的改型的详细电路图；
图3表示图1系统的改型的简化框图；以及
图4、5、6和7表示图1系统所用三态平衡传输线视频驱动器的进一步改进。
图1的三态平衡传输视频驱动器系统通过双扭线传输线提供视频信号分布至各负载装置，包括终端负载和分路负载。这里所述“终端”负载意指具有等于分布双扭线传输线的特性阻抗(在该例中为120欧姆)的阻性部件的负载，分路负载是指具有实际上超过传输线特性阻抗的输入阻抗的负载(例如120欧姆的10倍或更大)。
驱动器系统5包括一个三态总线驱动器10，具有一对电源端22和24，一对输入信号端12和14，三态控制端20以及一对视频信号输出端16和18。电源端22和24分别耦合到电压源36(例如+12伏)和地。信号端12和14在该例中分别耦合到用于接收基带视频输入信号S1的基带视频信号源30和用于接收偏压(例如在本发明的该实例中为+3.5伏直流偏置)的偏压源32。该电源结构应用于视频信号源为“单端”的场合。(稍后在图3实例中将给出差动视频信号源)。三态控制端20耦合到提供三态控制信号S2的三态控制信号源31，在本发明的该实例中三态控制信号S2在零伏(对应隔离输出端的三态操作)至启动驱动电路正常推挽操作的正值(例如，在该例中为1.7伏)之间变化。
输出端16和18在三态控制信号为高(+1.7伏)时提供平衡传输线驱动给总线50，而在三态控制信号为低(例如地)时与总线50相隔离。总线50通过具有120欧姆特性阻抗的双扭线传输线(例如40，44)分配给负载。将该系统设计成能驱动一对终端负载42和46以及许多所谓的“分路负载”，其中所述终端负载的输入阻抗电阻性(“实部”)分量等于120欧姆的双扭线传输线特性阻抗，所述分路负载的输入阻抗的实部实际上超过120欧姆。
举例来说这些负载可包括电视显示器，盒式录象机，视频监视器，磁带录象机等。某些可为高阻抗(分路)，两个为低阻抗(即等于双扭线传输线的120欧姆特性阻抗。
有益的是，利用双扭线传输线作视频分配可提供非常低的传输线辐射电平。“菊花链”双扭线传输线互连从连接器的观点来讲比同轴传输线简单，并可降低成本。
现在考虑三态总线驱动器10(以虚线标出)的细节。这里提供有：差动电流源51(用虚线框出)；一对负载网络52和54(用虚线框出)；以及一对输出电路56和58(用虚线框出)。如稍后将要详细说明的，本发明该实施例的具体优点是：为处于三态模式时，(1)在输出电路中存在零静态功耗，(2)在负载电路中存在零静态功耗，(3)在差动电流源中也存在零静态功耗，(4)在三态控制电路中存在零静态功耗。
差动电流源51的一个功能是在总线驱动器10的正常操作期间从视频输入信号(S1)导出第一和第二互补电流(I1，I2)。另一功能是迫使输出电流(I1和I2)在三态操作期间为零，正如将要说明的，这使得负载网络52和54能够将驱动器10的所有四个输出晶体管偏置为截止状态，由此将电路输出端隔离。
隔离或“三态化”总线50有益于允许视频信号如上所述沿总线进行双路通信。更详细地说，若存在多个视频信号源，且均具备三态性能，则所有信号源可取总线的“控制”以将其视频信号分配给应用视频组件，同时未被选择的信号源将它们自身与总线断开，从而不干扰所选视频总线驱动源的操作。这种配置具有更大的灵活性，并尤为需要用于在发展现代视频相关设备，包括计算机、远距离通信、电缆分布和其它视频设备的“信息高速公路”中提供灵活性。
在本发明的这一具体实例中，差动电流源51的适当电路实施包括提一对NPN晶体管Q1和Q2，它们的基极耦合到三态输入端20，发射极经由相应电阻R1和R2耦合到电源端24(地)，相应的集电极通过电阻R3耦合在一起，并耦合到差分放大器晶体管Q3和Q4的相应发射极。差分放大器晶体管Q3和Q4各自的基极耦合到相应信号输入端12和14，各自的集电极提供互补输出电流I1(由晶体管Q4)和I2(由晶体管Q3)。
晶体管Q3和Q4对施加于输入端12和14的输入信号简单地进行差分放大。然而，驱动器10的晶体管Q1和Q2提供双重功能。一种功能是在驱动器10的正常工作期间为差分放大器(射极耦合的)晶体管Q3和Q4建立静态工作电流电平。该静态电流由加到端点20的偏压值和电阻R1和R2的值确定。另一功能是在三态工作期间迫使差分放大器电流为0，以便于将驱动器电路从输出端分离。连接在差分放大器晶体管Q3与Q4之间的跨接电阻R3提供增盖确定功能。增加该值则增大驱动器10的增益，反之亦然。
如上所述，驱动器10包括一对负载网络。第一负载网络52(以虚线框出)由与加到输入端12的视频信号同相的第一电流I1产生信号V1，第二负载网络54(从虚线框出)由与加到输入端12的视频信号异相的第二电流I2产生信号V2。具体地说，第一负载网络52包含从晶体管Q4集电极耦合到电源端22的一对电阻R5和R7。(对于表示的给定电阻值和所示晶体管类型而言，例示电源电压为+12伏)。第二负载网络54包含从晶体管Q3集电极耦合到电源端22的一对电阻R4和R6。如稍后将详细解释的，这两个负载网络为四个晶体管(Q5-Q8)加偏压，当电流I1和I2存在时在输出端16和18提供推挽(均衡的)输出信号。当这些电流如上所述被禁止(即赋值为0)时，两个负载网络提供不同的箝位功能，将四个输出晶体管(Q5-Q8)的控制极(基极)箝位到正电源端22，借此将所有晶体管偏置为截止状态，从而使输出端16和18与驱动器晶体管相隔离(即，将输出“三态化”)。
驱动器10还包括一对输出电路56和58(以虚线框出)。第一输出电路56通过电压跟随器晶体管Q6将同相信号V1加到第一输出端16，通过电流源晶体管Q8将异相信号V2加到第一输出端。第二输出电路58通过第二电压跟随器晶体管Q5将异相信号V2加到第二输出端18，通过第二电流源晶体管Q7将同相信号V1加到第二输出端。
返回差动电流源51，回忆该电源是将晶体管Q1和Q2的基极箝位迫使输出电流I1和I2为0的“关键”电源。这正是三态控制信号源在三态操作期间所实现的。更具体地说，差动电流源51中的三态控制电路(晶体管Q1，Q2)响应其上所施加的控制信号(S2)的第一电平(+1.7V)，启动差动电流源(Q3，Q4)，以产生第一和第二互补电流(I1，I2)，由此在输出端(16，18)产生推挽输出信号。三态控制电路(Q1和Q2)响应控制信号S2的第二电平(0V)，禁止差动电流源产生第一和第二互补电流I1和I2，以便使负载电路52和54能够将截止偏压施加于输出晶体管(Q5-Q8)，三态化(隔离)输出端16和18。
回想图1的整个系统5，双扭线传输线具有120欧姆的特性阻抗。调节三态总线驱动器10的输出阻抗，以提供120欧姆的差分输出阻抗和60欧姆的单端输出阻抗。通过在驱动器电路56和58与相应输出端16和18之间引入一对串联电阻RS1和RS2形成所需输出阻抗。通过选择发射极耦合电阻R3的值和发射极耦合电阻R10的值可控制总线驱动器10的总增盖，电阻R3将差分放大器晶体管Q3和Q4发射极耦合在一起，电阻R10将电流源晶体管Q7和Q8的发射极耦合在一起。
在图1具体实施例中，对于所示出的示范元件值而言，总线驱动器10提供5MHz左右数量级的标称带宽，导通阻抗为每脚标称60欧姆或差分120欧姆。终端包含在总线每端的一个120欧姆的终端，净终端阻抗是差分60欧姆。终端的信号电平为1伏峰—峰值，对应12伏电源电压共态电压的标称6伏。
将会注意到在差动电流源的晶体管Q4的集电极产生的信号电压V1与输入端12的输入信号电压是同相的。并在输出端16产生同相电压。由负载网络54在晶体管Q3集电极产生的信号电压V2与加到输入端12的信号输入电压是异相的。由于该原因，图1中将输入端12标明为驱动器非反相端入端，将输入端14标明为驱动器反相输入端，信号V1标明为“同相”信号，信号V2标明为“异相”信号。在所附权利要求书中，术语“同相”和“异相”如上所述限定。
有益地，除了在所有三态模式下不消耗功率，图1实例呈现无趋于振荡趋势的无条件稳态。因此，用该系统易于处理快速视频瞬变，并避免诸如尖峰一类的瞬态噪声。
对图1实例可作出各种变更和改型。例如在图2中，对于单端视频信号源的情况，已在差动电流源50的晶体管Q3的发射极与地之间加上了电容器C1。更详细地说，已发现对理想差分输出的高频限制可能随如图1所示的单端输入(无差分输入)驱动信号出现。晶体管Q3的集电极至基极的电容可导致高频电流从信号输入端12直接流入Q3集电极。如图2所示通过在晶体管Q3发射极至交流接地点间增加电容器C1可抵消该影响达一次近似程度，选择电容器C1的值为晶体管Q3的集电极至基极有效电容Ccb的值。这一增加的电容器C1在晶体管Q3的发射极和集电极产生基本上相等的幅度，但相位相反，利用Q1和Q2的结构并设置三态控制信号其有较低的交流阻抗，若器件是类似的则Q3的Ccb的作用几乎被晶体管Q1的Ccb所抵消。如同在本发明的前述实例中，在三态模式下静态电流为0，因为所有晶体管截止，在任何端点都无电流流过。因此，静态功耗为0。
对图1系统的另一种变更是提供差分驱动给驱动器10而非单端驱动。这在图3中示出，其中删去了基带视频信号源30和偏压源32，代之以输出信号偏置在以前电平(例如，3.5伏)上的差分输出基带视频信号源300。由于该差分源结构将使整个增益加倍(例如+6dB)，可降低增益可调整驱动器增益设定电阻R10和/或R3以抵偿该增长。如同在前述实例中，三态操作期间驱动器中存在零静态功耗，因为所有晶体管均偏置为截止状态，驱动器中不存在其它电流流通路径。
可对上述图1实例作出多种其它变更和改型。例如，无需晶体管Q1和Q2迫使电流I1和I2为0而实现三态操作。在可选择的方法中，例如，可用晶体管或传输门迫使晶体管Q3和Q4的基极电压为零，而非如所示出的截断它们的发射极电流。这种配置在图4中示出，其中开关402和404用于将晶体管Q3和Q4的基极接地，借此迫使集电极电流I1和I2为0，以进行三态操作。如同在本发明的所有前述实例中，这一可选择方案具有在三态(总线被隔离)模式下时将驱动器10的静态电流降低为0瓦(无功耗)的优点。
另一可选分案是在晶体管Q3和Q4的集电极引脚放置传输门，以迫使电流I1和I2等于0，从而通过增加图5的传输门502和504如图所示意的提供三态操作。该可选方案不象在前述实例中一样将静态功耗降低为0，而是将它降低到仅为差动电流源51的功耗，在负载电路52和54，或在驱动器电路56和58中根本没有功率损耗。可利用基它替换方法迫使差分输出电流I1和I2为0。对于本发明目的而言，重要的是在三态操作期间可提供一些适当的装置迫使差分输出电流I1和I2为0。当这样做时在负载电路或驱动器电路中可根本不存在功率损耗，如果如前文相对图1-4和6所述的抑制电流，在差动电流源中也可无功耗存在。
对图1实例作其它变更。例如，如图6所示可将晶体管类型由双极型变为MOS型。具体地说，在本发明的这一实例中，用N沟道场效应管N1-N4代替了NPN双极型晶体管Q1-Q4，用P沟道场效应管P5-P8代替了PNP双极型晶体管Q5-Q8。由于MOS晶体管一般具有较低的跨导，所以可适当换算电阻值。
在某些应用中可能需要另一种希望的改型，其中用双极型晶体管作为电压跟随器晶体管Q5和Q6，在其中可能会遇到较大的电压变化，可能超过晶体管Q5和Q6的输出额定值Vber(反偏基—射极击穿电压)。例如，若输出端突然短路到地，电压驱动器晶体管被偏置于大于晶体管最大额定值Vber的电压上，则会出现基—射结的反偏击穿。以该方式加载的晶体管呈现噪声电平持续增大。通过选择电压驱动器晶体管Q5和Q6具有相对预期故障足够大的Vber或瞬态，可避免这一潜在问题。然而，若得不到这种晶体管，可通过在电压跟随器晶体管发射极引脚串联地插入二极管实现Vber保护，如图7所示。
更详细地说，在图7中，已将Vber保护二极管700串联插入晶体Q5发射极引脚，而Vber保护二极管702被串联插入晶体管Q6的发射极引脚。二极管极性与晶体管传导电流的方向相同。因此，若偶然将输出16短路到地，二极管702将反偏，从而防止晶体管Q6的Vber击穿。同样，如果端18短路到地，二极管700将反偏，由此为电压跟随器晶体管Q5提供Vber保护。

Claims (10)

1.视频三态总线驱动装置，包含：
从视频输入信号(S1)导出第一互补电流(I1)和第二互补电流(I2)的差动电流源(51)；
由第一电流产生第一视频输出信号(V1)的第一负载网络(52)和由第二电流产生第二视频输出信号(V2)的第二负载网络(54)；
通过第一电压跟随器晶体管(Q6)将第一视频输出信号(V1)施加于第一输出端(16)，通过第一电流源晶体管(Q8)将第二视频输出信号(V2)施加于第一输出端(16)的第一输出电路(56)；
通过第二电压跟随器晶体管(Q5)将第二视频输出信号(V2)施加于第二输出端(18)，通过第二电流源晶体管(Q7)将第一视频输出信号(V1)施加于第二输出端的第二输出电路(58)；以及
响应加于其上的三态控制信号启动和禁止第一和第二电流的三态控制电路(Q1，Q2)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述三态控制电路(Q1，Q2)是为禁止所述第一和第二互补电流时无功耗的类型。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述三态控制电路(Q1，Q2)包含一对电流源晶体管，响应施加于其上的所述三态控制信号，将加至所述差动电流源(51)的第一和第二工作电流中断，以迫使所述第一和第二互补电流(I1，I2)为0。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述三态控制电路(Q1，Q2)包含一对开关(Q1，Q2)，设置所述开关在三态操作期间将所述差动电流源的第一和第二输入端接地，以迫使所述第一和第二互补电流(I1，I2)为0。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述三态控制电路(Q1，Q2)包含一对连接到所述差动电流源各输出端的开关(Q1，Q2)，以在三态操作期间迫使第一和第二互补电流为0。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述差动电流源(51)包括两个输入晶体管，还含有一个从一个晶体管发射极连接到交流地的电容器(C1)。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一电压跟随器晶体管(Q6)，所述第一电流源晶体管(Q8)，所述第二电压跟随器晶体管(Q5)和所述第二电流源晶体管(Q7)是相同类型的晶体管。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述差动电流源(51)包含一对射级或源极耦合的晶体管(Q3，Q4；N3，N4)，以提供所述第一和第二互补电流(I1，I2)；以及
所述三态控制电路包括一对晶体管(Q1，Q2；N1，N2)，耦合在相应的所述发射极或源极与电压源之间，并具有接收所述三态控制信号的公共连接的控制极。
9.一种平衡传输线三态视频总线驱动器，包含：
响应视频输入信号(S1)，提供一对互补输出电流(I1，I2)的差动电流源(51)；
一对负载网络(52，54)，连接在电压源(22)与差动电流源的相应输出端之间，响应相应的互补输出电流在一个负载网络(52)产生第一输出信号(V1)，在另一网络(54)产生互补的第二输出信号(V2)；
第一输出电路(56)，用于经由第一电压跟随器晶体管(Q6)将第一视频输出信号(V1)施加到第一输出端(16)，经由第一电流源晶体管(Q8)将第二视频输出信号(V2)施加到第一输出端(16)；
第二输出电路(58)，用于经由第二电压跟随器晶体管(Q5)将第二视频输出信号(V2)施加到第二输出端(18)，并经由第二电流源晶体管(Q7)将第一视频输出信号(V1)施加到第二输出端；以及
耦合到差动电流源(51)的三态控制电路(Q1，Q2)，用于响应其上施加的三态控制信号的第一电平(1.7V)启动差动电流源(51)，使第一电流源晶体管(Q8)和第二电流源晶体管(Q7)以及第一电压跟随器晶体管(Q6)和第二电压跟随器晶体管(Q5)在第一输出端(16)和第二输出端(18)产生推挽输出信号；
所述三态控制电路(Q1，Q2)响应控制信号的第二电平(0V)，禁止差动电流源工作，以使负载网络用所述电压源提供的偏压将所有晶体管偏置为截止状态，以便电隔离输出端。
10.一种提供三态视频总线驱动的方法，包含步骤：
由视频输入信号(S1)导出第一和第二互补电流(I1，I2)；
由第一电流至第一负载电路(52)产生同相信号(V1)，由第二电流在第二负载电路(54)产生异相信号(V2)；
将同相信号(V1)通过第一电压跟随器晶体管(Q6)施加到第一输出端(16)，通过第一电流源晶体管(Q7)施加到第二输出端(18)；
将异相信号(V2)通过第二电压跟随器晶体管(Q5)施加到第二输出端(18)，通过第二电流源晶体管(Q8)施加到第一输出端(16)；
启动第一和第二互补电流(I1，I2)，致使所述第一电压跟随器晶体管，所述第一电流源晶体管，所述第二电压跟随器晶体管以及所述第二电流源晶体管在输出端产生推挽输出信号；以及
禁止第一和第二互补电流(I1，I2)，以通过负载电路(52，54)施加载止偏压到所述第一电压跟随器晶体管(Q6)，所述第一电流源晶体管(Q7)，所述第二电压跟随器晶体管(Q5)及所述第二电流源晶体管(Q8)，由此将输出端(16，18)隔离。
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