CN1148773A - 用于音频/视频互连的视频差分总线接收器 - Google Patents

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Abstract

跨导放大器(30)提供正比于该放大器的跨导(9m)和正比于向其提供的第一(S1)和第二(S2)差分视频输入信号之间的差值的视频输出信号(S3)电流。一对(10，20)缓冲放大器通过各自的为缓冲晶体管(Q1，Q2)提供Vber保护和在关电状态下提供总线隔离的二极管开关(CR1，CR2)将视频输入信号(S1，S2)耦合至跨导放大器的相应输入端(31，32)，输出电路(50)将跨导放大器(30)的输出电压调整为基本固定的电压并将输出信号电流转换成为输出信号电压。

Description

用于音频/视频互连的视频差分总线接收器
本发明总的来说涉及音频/视频互连系统，尤其涉及适合于在这种系统中使用的差分视频总线接收器。
面向总线的双向音频/视频互连系统是公知的，并且被例如用来互连诸如磁带录像机、激光视盘机、电视调谐器、摄像机和视频监视器等组成的音频/视频设备。在典型的系统中，包含控制、音频和视频信号的公用总线以“菊花链”的形式连接在各种设备之间，被三态驱动器驱动以便该总线可以说是被全部连接的音频/视频部件所“共享”。例如Beyers Jr.在1986年4月8日授权的题为“分布式开关部件音频/视频系统(DISTRIBUTEDSWITCHED COMPONENT AUDIO/VIDEO SYSTEM)”的美国专利4581645中描述了这种系统。
美国电子工业协会(EIA)在最近已考虑用于电视设备的音频、视频和控制互连的标准化。正在考虑的一种标准建议了利用三态平衡线路驱动器驱动的双绞线电缆的音频和视频互连。各设备以“菊花链”的方式与总线连接，该总线两端由第一和最后一个设备上的120欧姆负载端接，由具有相对较高阻抗输入的中间各设备连接进行桥接操作。White等人在1994年8月8日申请的、申请号为08/294146、题为“三态视频差分驱动器(TRI-STATEVIDEO DIFFERENTIAL DRIVER)”的美国专利申请中描述了这种系统的一个例子。
该建议标准的视频总线接收器部分的重要参数包括(I)在通电或断电的情况下，输入阻抗在从直流至4兆赫下为3千欧，从每根线至5伏加或减0.5伏的电位，为1.5千欧加或减一个尚未确定的数量，(II)6伏的共模电压，(III)尚未确定的共模范围，但被认为在加或减两伏左右，以及(IV)在4兆赫频率下至少35dB的共模抑制比(CMRR)。
为了满足这些要求，可以考虑传统技术的使用，例如提供备用电源供电或精确的衰减网络(来提供省电(Power down)情况下所需的总线隔离)和选择反馈控制的运算放大器来满足增益和共模要求以及提供单端至差分的转换。但是，组合这样的传统技术来满足对视频总线接收器的总要求会导致在批量生产的消费产品、例如VCR(盒式录像机)或电视接收机中使用的价格可能过高和过于复杂的总体的总线接收器设计。
需要被简化的视频总线接收器，它不要求备用电源、精密网络或反馈控制运算放大器的使用。本发明的目的在于满足这种要求。
根据本发明，视频总线接收器包括具有固定跨导值的差分跨导放大器，用来提供与向其提供的第一和第二差分视频输入信号之间的差值成正比的视频输出信号电流。一对缓冲放大器通过各自的在省电状态下提供总线隔离的二极管开关将视频输入信号耦合至差分跨导放大器的相应输入端。输出电路将差分跨导放大器的输出电压调整为基本固定的电压并将输出信号电流变换成为输出信号电压。
本发明的上述和其它特点表示在附图中，图中用相同的参照标号表示相同的元件，其中：
图1是体现了本发明的视频差分总线接收器的详细原理图；
图2表示图1的视频差分总线接收器的改进。
附图还包括了利用12伏的特定电源电压进行操作的示范性的元件值。给出这些值只是出于说明的目的。对于本发明原理的具体应用可以容易地计算其它合适的值。
图1的视频总线接收器包括差分跨导放大器30，该放大器30具有用于接收相应的差分视频输入信号的第一和第二输入端31和32、具有固定的跨导值(对于所示的示范性的元件值约为1300微欧姆)和具有用于提供单端视频输出信号电流的输出端35。
设置了一对缓冲放大器10和20以便通过各自的二极管开关CR1和CR2将(提供给各自输入端1和2的)第一和第二差分视频输入信号S1和S2耦合至差分跨导放大器30的相应输入端31和32。
暂且转一下话题，以后再详细说明，二极管开关CR1和CR2提供了(I)当电源(+12伏)加到总线接收器时将差分输入信号S1和S2连接至放大器30的输入端31和32以及(II)在其它情况下断开输入信号的双重功能。这就有利地使在省电状态下总线接收器的正输入信号电压范围扩展超出了缓冲放大器10和20所使用的晶体管(Q1和Q2)的Vber特性。
输出电路(图1中的50，图2中的70)提供了(I)将差分跨导放大器的输出电压调整为基本恒定的电压和(II)将所述输出电流转换成为输出电压的双重功能。为此目的，正如以下详细描述的，输出电路包括了一负载电阻(R15)，该电阻的阻值比放大器30的跨导gm的倒数大预定的数量。
图1和图2的视频总线接收器还包括用于提供缓冲视频输出信号的视频输出信号缓冲放大器60(任选件)和例示性的双端输出恒流源40，该恒流源适合于向差分跨导放大器30提供等值的操作电流I1和I2。
更详细地说，差分跨导放大器30包括一对NPN晶体管Q3和Q4，差分视频信号S1和S2从缓冲器10和20经由各自的基极输入电阻R3和R6提供给该对NPN晶体管Q3和Q4。这些电阻提供了限制输入瞬态现象以及衰减Hre效应(例如“H”参数射-基极反向电流反馈)的功能，该功能增强了缓冲放大器的高频稳定性。
晶体管Q3和Q4的发射极与各自的电流输入端33和34连接，以便接收各自由电流源40提供的等值恒定电流。这两个发射极还通过确定放大器30的跨导的跨导控制电阻R8进行连接。对于所示的R8的具体值(750欧)，跨导(gm)约等于1334微姆欧(单端)。由于输入信号是差分形式的，所以对于总增益的计算可以加倍该跨导(2668微姆欧)，或者在给增益计算增加了6dB的情况下可以使用该单端值。但是，必需修正总的总线接收器增益计算以便包括以下所讨论的缓冲放大器损耗。
影响放大器30的跨导的另一因素由与跨导控制电阻R8并联的电容器C1造成。这一电容器在较高频率下使跨导增大或提供了“跨导峰化”。对于所示具体的电路元件值，时间常数约等于9纳秒，这一时间常数提供了在约17兆赫频率处开始出现的跨导提升。这一提升如果利用的话将有利于补偿带宽减少效应，例如倾向于降低总的频率响应的总线接收器晶体管的α滚降和寄生电容。除改善了整个总线接收器的高频响应外，还发现了与“gm”控制电阻R8并联的电容器的使用还提供了所需的总共模抑制范围向较高频率的延伸。
晶体管Q3的集电极与电源端子3连接，以便得到恒定电源电压(举例所示为+12伏)，晶体管Q4的集电极与集电极电压稳压器连接，该集电极电压稳压器是图1例子中的共基放大器50和图2例子中的电流镜像放大器70的功能之一。除将差分跨导放大器的输出电压调整为恒定值外，该共基放大器50(或电流镜像放大器70)还提供电流到电压变换器的附加功能，以便从跨导放大器30获取输出视频信号电压。
更详细地说，共基放大器50包括从电源端子3到地串接的、因此构成了分压器的电阻R17和R18。对于所示的例示性值，该分压器根据12伏的电源产生约10.3伏的输出电压。该电压被与电阻R17并联的电容器C3滤波并通过电阻R16提供给共基连接的PNP晶体管Q7的基极。假定晶体管Q7的Vbe标称值为600毫伏，这就将晶体管Q7的发射极电压(也就是跨导放大器晶体管Q4的集电极电压)调整为约10.9伏的电压。由于这一电压被稳定，不能够改变，所以流过发射极负载电阻的电流将是约4毫安(对于所示的元件值)的恒定电流，共基放大器晶体管Q7的集电极电流于是将等于4毫安减去差分跨导放大器30的输出电流。由于差分跨导放大器的静态电流约为2毫安，所以对于所示的元件例示性值，晶体管Q7的负载电阻R7所产生的静态输出电压约为1.8伏。
整个总线接收器所产生的差分电压增益等于放大器30的跨导与负载电阻R15的阻值的乘积减去输入缓冲放大器10和20的损耗。通过使负载电阻R15略大于跨导控制电阻R8，就能够有效地消除输入缓冲器的损耗，整个电路获得0dB的净差分增益。
缓冲放大器10包括一PNP射随器连接的晶体管Q1，其集电极接地，基极通过保护电阻与输入端1连接，发射极与起开关作用的二极管CR1的阴极连接。CR1的阳极直接与放大器30的输入端31连接并通过发射极负载电阻R2与正电源端子3连接。缓冲放大器20的电阻R4和R5、二极管CR2和PNP晶体管Q2作为缓冲放大器10中的相应电路元件进行连接。
缓冲放大器10和20提供了若干种功能，这些功能包括：(I)为总线接收器提供相当高的输入阻抗，便于进行视频线路的桥接操作，(II)为差分级提供相当低和平衡的源阻抗以增强共模抑制和(III)PNP结构便于将共模输入电压范围延伸至大约地电平。但是，后一特点造成了输入缓冲晶体管与Vber特性有关的电位问题。
Vber问题的基础是普通小信号高频晶体管具有约5伏左右的反向电压基-射二极管击穿电压(Vber)。回想缓冲放大器的要求包括在省电状态下对视频总线形成负载并且视频总线的共模电压是5伏加或减2伏。如果没有提供二极管CR1和CR2来在省电状态下去耦晶体管Q1和Q2，则在最大共模电平7伏下的视频总线信号就会容易地超过5伏的Vber，于是加载了视频总线。当然，这是与在视频总线接收器的省电状态下不加载总线的要求直接矛盾的。
虽然使用二极管开关CR1和CR2来在省电状态下断开缓冲放大器如所希望的那样防止了在断电的时候对与端子1和2连接的视频总线进行加载，但在正常操作期间也引入了一些信号损失。这种损失的产生是因为当二极管被偏置导通时可以呈现显著的“导通”电阻以及由于与发射极电阻R2和R5串联所以将起到潜在的分压器或衰减器作用的缘故。一般来说，二极管和电阻的衰减是相当小的。但是，为了精确地确定增益，确定跨导控制电阻和输出信号负载的值的比例、使R15(负载电阻)略大R8(“gm”控制电阻)以校正这一信号损失。对于所示的例示性值，R15约是电阻R8阻值的1.2倍。这就提供了足够的多余增益(约1.6dB)来补偿开关(CR1，CR2)损耗以及所有其它的整个总线接收器的损耗。
双端输出恒流源40包括串联在电源端子3和地之间、构成了分压器的电阻R13和R14。如此产生的电压(对于所示的元件值约1.67伏)被电容器C2平滑并通过相应的保护电阻R11和R12耦合到电流源晶体管Q5和Q6的各自基极。晶体管Q5和Q6的发射极通过各自的电阻R9和R10接地。对于所示的元件值，由于在基极被分压器R13-R14提供了1.67伏的电压并假定了Vbe为600毫伏，所以在发射极电阻R9和R10两端的发射极电压将约为1.07伏。因此每一电阻将传导约2毫安的恒定电流，并且这一数量的电流将提供给差分跨导放大器30的电流输入端33和34。
在电阻R15两端产生的视频输出信号电压被加到输出端子4上，以便用于相当高的输入阻抗(例如明显地大于电阻R15的阻值)的外部设备。对于较低输入阻抗的负载，电阻R15的输出信号可通过缓冲放大器60耦合至输出端子5，在本例子中，该缓冲放大器60包括PNP射随器晶体管Q8，其集电极接地，基极与电阻R15连接，发射极直接与输出端子5连接并通过发射极电阻R19接供电电源。该射随器在工作时提供基本上为1的电压增益，并降低了为驱动外部负载的输出阻抗。
在图1的例子中，共基放大器50在某些方面起“电流镜像放大器”的作用，以便通过负载电阻R15将来自晶体管Q4集电极的信号电流反射回到地。另一种方法是使用图2所示的电流镜像放大器和偏置电流源。在图2中，晶体管Q4的集电极(差分跨导放大器30的输出端)与二极管CR3的阴极和与PNP晶体管Q7的基极连接，该PNP晶体管Q7的集电极如在以上例子中那样通过负载电阻R15接地。晶体管Q7的发射极和二极管CR3的阳极都与正电源端连接，于是构成了PNP型的电流镜像放大器。为了将共模输出电流提供给负载电阻R15，镜放70的输入端(即CR3)通过电阻R20接地。对于例示性的电源电压和电阻的值，电阻R20将向镜放提供约2毫安的电流，该镜然后将向负载电阻R15提供等于2毫安电流加放大器30的差分输出电流的输出电流。
在与共基放大器50相比来考虑电流镜像放大器70的操作时，应当指出这两个电路都相对于地电位在负载电阻R15两端产生了电压。这是为了避免造成输出信号的电源电压依赖性所必需的，这就因此保持了良好的电源抑制。如果电流镜像放大器70的电流增益是1，则总增益将与在以前的采用共基放大器的例子中的相同。具体来说，图2例子的总电压增益等于放大器30的跨导与镜放70的负载电阻和镜放70的电流增益的乘积加上6dB减去输入缓冲放大器10和20的损耗。这一增益计算与图1的增益计算的不同只在于包括了电流镜放70的电流增益的项。由于共基放大器的电流增益是1，所以该项没有在图1的计算中出现。
在总线接收器应用中使用例如放大器50这样的共基放大器优于使用电流镜像放大器(例如放大器70)出于两个原因。首先，因信号电流变化在二极管CR3两端产生了可变电压，因此使差分跨导放大器的晶体管Q4受到一定程度的密勒效应的影响。相反地，共基放大器、例如放大器50的使用在晶体管Q4的集电极处提供了非常高的电压稳定度，所以对于跨导放大器30没有明显的密勒反馈效应。
使用共基放大器而不是电流镜像放大器作为差分跨导放大器30的电压-电流变换器的第二个好处是共基放大器的增益是精确的已知的并非常接近1。相反地，如果CMA电流镜像放大器没有负反馈电阻，则其增益将依赖于相对结面积，于是造成增益计算的不确定。反之，如果试图利用发射极负反馈电阻来稳定电流镜像放大器的增益，则结果将是具有使密勒效应更加严重的不良结果的输入阻抗的增大，于是降低了在高频处的总频率响应。

Claims (9)

1、一种差分至单端视频总线接收器设备，其特征在于：
跨导放大器(30)，具有输出端(35)，用于提供正比于所述放大器的跨导(gm)和正比于向其提供的第一(S1)和第二(S2)差分视频输入信号的差值的视频输出信号(S3)电流；
一对(10，20)缓冲放大器，通过各自的二极管开关(CR1，CR2)将差分视频输入信号(S1，S2)耦合至所述跨导放大器(30)的相应输入端(31，32)；以及
输出电路(50)，将所述跨导放大器的所述输出调整为基本固定的电压并将所述输出信号电流转换成为输出信号电压。
2、权利要求1的设备，其特征在于：
所述总线接收器包括电源端；以及
偏置所述二极管开关(CR1，CR2)以便在向所述电源端提供电源时为所述差分视频信号(S1，S2)提供闭合通路和在其它情况下提供开路路径。
3、权利要求1的设备，其特征在于，所述输出电路(50)包括一共基放大器，该共基放大器具有与所述跨导放大器的所述输出端连接以便接收所述视频输出信号(S3)电流、并且还与静态操作电流源连接的输入端，还具有与负载连接以便产生所述视频输出信号电压的输出端。
4、权利要求1的设备，其特征在于每一所述缓冲放大器(10，20)包括一PNP晶体管(Q1；Q2)，各PNP晶体管(Q1；Q2)的基极被提供所述视频输入信号之一，集电极接地，发射极通过所述二极管开关之一和一负载电阻与供电电压源连接。
5、权利要求1的设备，其特征在于所述跨导放大器(30)包括：
第一(Q3)和第二(Q4)晶体管，其相应的基极接收所述第一(S1)和第二(S2)差分视频输入信号，其相应的发射极接收相应的发射极电流并通过跨导控制电阻(R8)连在一起，所述第一晶体管(Q3)的集电极与供电电压源(+12伏)连接，所述第二晶体管的集电极与所述跨导放大器(30)的输出端子(35)连接。
6、权利要求1的设备，其特征在于所述跨导放大器(30)包括并联在第一(Q3)和第二(Q4)晶体管的发射极之间的跨导控制电阻(R8)和跨导峰化电容器(C1)，第一(Q3)和第二(Q4)晶体管的基极被提供了所述差分视频输入信号(S1，S2)，集电极连接到各自的几乎相等的恒定电压上。
7、一种视频至单端视频总线接收器设备，其特征在于：
跨导放大器(30)，其第一(31)和第二(32)输入端接收相应的(S1，S2)差分输入信号，输出端子(35)提供正比于差分输入信号的差值和反比于在所述跨导放大器(30)中的跨导控制电阻(R8)的阻值的输出电流(S3)；
一对缓冲放大器(10，20)，将所述第一(S1)和第二(S2)差分输入信号的相应之一耦合至跨导放大器(30)的相应输入端之一，每一缓冲放大器包括用于提供超出相关输入缓冲晶体管的Vber特性的最大值的扩展的正输入电压范围的二极管(CR1；CR2)；以及
与跨导放大器(30)的输出端(35)连接的输出电路(50)，用于将跨导放大器(30)的输出电压调整在基本固定的值，并且包括一负载电阻(R15)，该负载电阻(R15)将所述跨导放大器的所述输出电流(S3)转换成为正比于该输出电流的输出电压。
8、权利要求7的设备，其特征在于所述输出电路包括：
共基放大器(Q7)，该共基放大器(Q7)的输入端接收所述跨导放大器的所述输出电流和向该输入端提供的静态电流，输出端通过负载电阻与基准电压源(3)连接以便产生所述视频输出信号电压。
9、权利要求7的设备，其特征在于，所述输出电路包括电流镜像放大器，该电流镜像放大器的输入端接收所述跨导放大器的所述输出信号电流和向该输入端提供的静态偏置电流，输出端通过负载电阻与基准电位点连接。
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