CN1214522C - 非线性信号处理器 - Google Patents
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Abstract
一种提供非线性转移函数的信号处理器，它提供一个处理器输出及多个参考到公共偏置的非线性拐点。该处理器输出和非线性拐点都对时变共模变化进行抑制。
Description
技术领域
本发明一般性地涉及非线性地处理信号的信号处理系统，更具体地说，涉及在部分差分结构中非线性地处理信号的系统。
背景技术
在信号处理系统中经常需要提供非线性变换功能从而以不同的放大量放大信号动态范围的各部分。由于一种或多种原因这种非线性处理经常是需要的。例如，在视频信号处理系统中，非线性处理可以用来：(1)提高显示的视频图像的主观吸引力，(2)补偿摄像机和显示设备的不同“伽马”特征，或(3)适应彩色视频显示设备的各种光输出频道的不同非线性光输出特征。
视频信号处理系统的一个公共问题是“噪声”信号的拾取，原因是：(1)杂散静电场和/或电磁场，(2)系统不同级之间的地电位差以及(3)系统不同级之间的电源电压差。在非线性处理级中，如果信号的偏置参考与非线性拐点阈值的偏置参考不同，也是成问题的，还会将“噪声”的一种形式叠加到信号。
为了将级间连接点的杂散静电和/或电磁拾取减小到最小和/或将由信号处理系统中电路间地电位差导致的地引入噪声减小到最小，经常是这种情况，即，经常是与双绞线布线一起使用部分差分信号处理技术。在部分差分信号设备中，一个连接点与时变信号的共模偏置通信，而该时变信号与部分差分对的第二个连接点通信。随后的信号处理，比如能够抑制加在部分差分连接点间的共模变量的差分放大器，将被使用。经常是这样一种情况，即，集成电路视频放大器中包括信号处理的各部分(比如由东芝公司制造的TDA6120Q CRT驱动器IC)，其中电压增益由具有外部增益调节射极负反馈电阻的差分放大器提供。包括这样的IC并且表现出上述问题的特定信号处理系统应用的一个例子是电视系统中的显像管驱动器放大器。
发明内容
本发明部分地在于认识到了上述问题，以及部分地在于提供了解决问题的非线性信号处理系统。这种系统包括：处理器，用于放大部分差分信号，部分差分信号包括时变信号和共模偏置，以及用于抑制加在部分差分信号上的时变共模信号；用于建立代表共模偏置的阈值电平的装置；用于改变所述处理器增益以响应存在于时变信号和阈值电平之间的预定关系的装置；以及用于充分地防止时变共模信号修改预定关系的装置。
附图说明
通过参考附图及下面详细描述，将会更好地理解本发明，附图中：
图1以电路图的形式说明差分放大器的一个实施例；
图2以电路图的形式说明一个信号处理系统，它有两个增益区，拐点位于输入共模偏置点并且第二增益区的增益高于第一区的增益；
图3以电路图的形式说明一个信号处理系统，它有两个增益区，拐点低于输入共模偏置点并且第二增益区的增益高于第一区的增益；
图4是说明如图3所示的系统的典型特征响应的曲线图。
图5以电路图的形式说明一个信号处理系统，它有三个增益区，两个拐点都低于输入共模偏置点并且第二和第三增益区的增益逐次地高于第一区的增益；
图6以电路图的形式说明一个信号处理系统，它有两个增益区，拐点高于输入共模偏置点并且第二增益区的增益高于第一区的增益；
图7以电路图的形式说明一个信号处理系统，它有三个增益区，拐点分别高于和低于输入共模偏置点并且第二和第三增益区的增益逐次地高于第一区的增益；
图8以电路图的形式说明一个信号处理系统，它有两个增益区，拐点高于输入共模偏置点并且第二增益区的增益低于第一区的增益；
图9以电路图的形式说明一个信号处理系统，它有三个增益区，两个拐点都高于输入共模偏置点并且第二和第三增益区的增益逐次地低于第一区的增益；
图10以电路图的形式说明一个信号处理系统，它有三个增益区，拐点分别高于和低于输入共模偏置点并且第二和第三增益区的增益逐次地低于第一区的增益；
图11以电路图的形式说明一个信号处理系统，它有三个增益区，拐点分别高于和低于输入共模偏置点并且第二增益区的增益高于或第三区的增益或第一区的增益；以及
图12以电路图的形式说明一个信号处理系统，它有三个增益区，拐点分别高于和低于输入共模偏置点并且第二增益区的增益低于或第三区的增益或第一区的增益。
附图中，在一个以上图中使用同样的参考标志表明图中相同的或相似的部件。
具体实施方式
本发明在下面包含一个电视信号处理系统的示范实施例的上下文中说明。但是，本发明可以应用到其它类型的信号处理系统。
信号处理系统比如电视信号处理系统典型地包括用于放大电压信号、例如，或者解调后的亮度信号或者分量颜色信号的装置。经常期望为该放大器提供非线性增益特性。如图1所示，经常是这种情况，即，使用差分放大器10，其中一个到放大器10的输入12包含期望的时变信号并且另一个输入14为放大器10提供共模偏置。时变共模分量存在于这两个输入信号中的每一个上也是常见的。在图1的电路中共模偏置14施加到晶体管16的基极，并且时变输入信号12施加到放大器10中晶体管18的基极。放大器10的增益由电阻20和电阻22的比率确定。在放大器10中包括电流源24和26用以为放大器提供操作电流并提高其共模抑制率。
当期望为如此构造的放大器提供非线性特性时，通常，需要既为放大提供直流(DC)偏置又提供非线性增益电路的途径。图2的电路导出了经过缓冲器30的阈值信号28，阈值信号28与共模偏置有预定的关系。阈值信号28包含与共模偏置相关的直流分量并可能包含一些时变共模分量。由图2中说明的电路产生的阈值信号28可以用来偏置包含晶体管36和次级增益调节电阻34的非线性网络32。非线性网络32构造成使施加到放大器10的输入端的时变共模信号得到缓冲并且出现在晶体管18的发射极和晶体管36的基极之间。施加到晶体管16的共模偏置信号14由缓冲器30缓冲并且也出现在晶体管18发射极和晶体管36基极之间。因为晶体管36的导通由其基极-射极结的前向偏置决定，晶体管36的导通阈值可以由对应于共模偏置14的输入端12的电平决定。当时变信号12的电平低于阈值信号28时，晶体管36不导通，放大器10的增益由电阻20与电阻22的比率决定。在时变信号12的电平高于阈值信号28的情况政，当晶体管36导通时，放大器10的增益由电阻20与电阻22及34的并联的比率决定。
在图3所示的实施例中，缓冲器30由晶体管38构成的射极跟随器级实现，该晶体管38驱动包含由电阻42及44和旁路电容46组成的电阻性分压器的分压器网络40。在图3的实施例中，阈值信号在由电阻42和44的结点组成的分压点导出。该电路结构允许阈值位于输入信号动态范围内任何电平，该输入信号动态范围低于共模偏置14的值。旁路电容46的存在使时变共模信号无衰减地出现在非线性网络32的输入端28。这样一来可以得到如图4所示的放大器转移函数，其输入信号有高于预设阈值的相对高一些的增益。注意图3为红、绿和蓝通道放大器的每一个都说明了不同的转移函数。众所周知，对于每个通道，放大器增益变化以提供非线性处理的点可能在不同的预设电平。因为时变共模信号直接施加在晶体管36基极和晶体管18射极之间，故它不改变晶体管36的导通阈值。非线性拐点参考的第一阶温度补偿由晶体管36和38的基极-射极结的结构提供。如果非线性拐点非常接近于输入共模偏置14的电平，即，电阻42＜＜电阻44，温度补偿将与晶体管36和38之间的热匹配一样地好。当电阻42的值相对于电阻44增加时，温度补偿将变得不甚理想，但由于晶体管38基极-射极结变化与晶体管36基极-射极结的变化相当，温度补偿仍将有良好的结果。
图5说明了一个与图3所述相似的信号处理系统实施例，但它提供了两个非线性拐点，两者都与输入共模偏置电压14相同或低于它。在图5所示的电路中使用了分压网络51，网络51有一个额外的阈值信号52在由电阻44和48组成的分压点引出。在该实施例中增加旁路电容50以确保未衰减时变共模信号出现在由晶体管58和第二次级增益调节电阻56组成的非线性网络54的输入端52。与图5相关的三个增益区发生在：(1)当晶体管36和晶体管58都不导通并且放大器10的增益由电阻20和22的比率决定时，(2)当晶体管58导通并且放大器10的增益由电阻20和电阻22与电阻56的并联的比率决定时，以及(3)当晶体管36和58都导通并且放大器10的增益由电阻20和电阻22、34及56的并联的比率决定时。
图6中的实施例提供了与图3中所示电路相似的性能，但它有一个高于输入共模偏置电压的非线性拐点。在图6的电路中，分压网络40参考至正电源电压并且添加了射极负载电阻60从而为晶体管38和分压网络40提供偏置电流。两个增益区的增益与图3中的说明的电路有相同的特征。
图7的实施例将为增加的输入信号电平提供两个逐次增加的增益区，该增益区与图5中说明的电路有相同的特征。图7电路中的拐点分别高于和低于输入共模偏置电平，低拐点由阈值信号28决定并且高拐点由阈值52决定，阈值信号52由包含电阻64和68的一个额外分压网络62的分压点决定。这里同样添加旁路电容70以确保未衰减时变共模变化出现在非线性网络54的输入端52。
在图8中说明的信号处理系统实施例将提供一个非线性特性的系统，它有单独一个高于输入共模电压的电平的拐点。在这种情况下，使用包含NPN晶体管76的非线性网络72，并且缓冲器30使用PNP晶体管70从而为非线性网络72提供阈值信号28。操作与前面的例子相似除了晶体管76的导通偏置设置为输入时变信号电压的较低电平，从而为放大器10提供由电阻20和电阻22与74的并联的比率决定的增益。在输入信号增加到高于由分压网络40设置的阈值28时，晶体管76截止并且放大器10的增益由电阻20和22的比率决定。如此就决定了其输入信号增益减小但高于一个阈值的非线性特性，该阈值高于输入共模偏置电平或与之相等。
以与上述实施例相似的方式，图9中说明的实施例提供了两个逐次减小的增益区，该两个增益区都发生在高于输入共模偏置电压的电平。对于时变电压输入的最低值，晶体管76和82都导通并且放大器10的增益由电阻20和电阻22、74及80的并联的比率决定。当时变信号12高于阈值信号28时，晶体管76变得不导通并且放大器10的增益由电阻20和电阻22与80的并联的比率决定。然而当时变信号12处于更高的由阈值52决定的电平时，晶体管82变得不导通并且放大器10的增益由电阻20和22的比率决定。
在图10中说明的实施例提供两个逐次减小的增益区，一个开始低于并且一个开始高于输入共模偏置电平，它们分别由阈值信号28和52决定；另外图11的实施例提供一个由阈值信号28决定的拐点，该阈值信号28低于输入共模偏置电压并且提供从相对低的增益区到相对高的增益区的转换，然后提供第二个由阈值信号52决定的拐点，该阈值信号52高于输入共模偏置电压并且提供从相对高的增益区到相对低的增益区的转换。
图12中说明的实施例提供一个由阈值信号52决定的拐点，该阈值信号52低于输入共模偏置电压并且通过使晶体管76变得不导通提供从第一增益区到相对低的增益区的转换，然后提供第二个由阈值信号28决定的拐点，该阈值信号28高于输入共模偏置电压并且提供到相对高的增益区的转换，该较高增益由晶体管36的导通决定。第一和第三区中的增益可以独立地分别由电阻74和34的值设置。如所有其它示例实施例中说明的，通过为缓冲器及其对应的非线性晶体管使用PNP/NPN对，可以为每个非线性拐点维持最佳温度跟踪。
如这里所描述的，体现本发明原理的信号处理系统提供了用于级间通信的部分差分信令信号处理，其后为对信号的微分放大处理，该处理包括用于生成所述非线性特征的装置。通过使用用于信号放大和非线性阈值确定的公共偏置，消除了许多噪声源。对半导体类型和电路结构的选择有助于大量减小或消除非线性阈值的温度相关变化。并且，非线性拐点参考跟踪在其上有视频信号偏置的共模分量。这些系统还为以下项目提供一阶温度补偿：引出的拐点参考、由于时变共模放大器输入信号而对这些拐点参考变化的消除、以及具有不同的电压增益量的信号动态范围的一个或多个区域。
尽管已经提供了对包含一个或两个非线性拐点的电路的明确说明，仍应明白：所述概念可以扩展到提供任何数量的含拐点的增加了的和减小了的增益区，该拐点可以位于输入信号动态范围的任何地方。并且，尽管是在电视信号处理系统的上下文中进行说明，本领域的技术人员仍需明白所述本发明的原理适用于其它包括非线性处理的信号处理系统。
Claims (19)
1.一种非线性处理器，包括：
处理器(10)，耦合来接收部分差分信号，所述处理器放大部分差分信号，所述部分差分信号包括时变信号(12)和共模偏置(14)，以及用于抑制加在所述部分差分信号上的时变共模信号；
耦合到所述共模偏置(14)、用于建立代表所述共模偏置(14)的阈值电平(28)的装置(30)；
耦合到所述阈值电平(28)、用于响应存在于所述时变信号(12)和所述阈值电平(28)之间的预定关系改变所述处理器的增益以为所述处理器提供非线性转移函数的装置(32)；以及
耦合到所述处理器(10)、用于充分地阻止所述时变共模信号修改所述预定关系的装置(30，32)。
2.如权利要求1所述的非线性处理器，其中使用用于改变增益的装置(72)并且从第一增益区到增益较高的增益区产生增益改变。
3.如权利要求1所述的非线性处理器，其中使用用于改变增益的装置(32)并且从第一增益区到增益较低的增益区产生增益改变。
4.如权利要求1所述的非线性处理器，其中使用用于改变增益的装置(32，72)，并且从第一增益区到增益较低的第二增益区再到比所述第二增益区较高的第三增益区产生增益改变。
5.如权利要求1所述的非线性处理器，其中使用用于改变增益的装置(72，78)并且从第一增益区到增益较高的第二增益区再到比所述第二增益区较低的第三增益区产生增益改变。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的非线性处理器，其中所述阈值(28，52)代表衰减后并且直流转换后的所述共模偏置(14)。
7.如权利要求6所述的非线性处理器，其中将一个或多个所述阈值(28，52)设置为低于所述共模偏置(14)的值。
8.如权利要求6所述的非线性处理器，其中将一个或多个所述阈值(28，52)设置为高于所述共模偏置(14)的值。
9.一种用于非线性地放大电子信号的装置，包括：
至第一晶体管(16)基极的第一输入端(14)；
至第二晶体管(18)基极的第二输入端(12)；
第一电阻(22)，连接于所述第一晶体管(16)和第二晶体管(18)射极之间；
所述第一(16)晶体管的集电极，连接到足以反向偏置所述第一晶体管(16)的基极-集电极结的直流电源；
所述第二(18)晶体管的集电极，通过第二电阻(20)连接到足以反向偏置所述第二晶体管(18)的基极-集电极结的直流电源；
连接到所述第二晶体管(18)的集电极与所述第二电阻(20)的一端的结点处的输出端；
电流源(24，26)，分别从第一晶体管(16)和第二晶体管(18)的射极连接到第二直流电源；
第一次级增益调节电阻(34)，从所述第二晶体管(18)的射极连接到第三晶体管(36)的射极，所述第三晶体管(36)的集电极连接到足以反向偏置所述第三晶体管(36)的基极-集电极结的直流电源；以及
所述第三晶体管(36)的基极，连接到阈值电压源(28)。
10.如权利要求9所述的装置，还包括缓冲器(30)，所述缓冲器的输入端连接到所述第一晶体管(16)的射极，所述缓冲器(30)的输出端提供所述的阈值电压源(28)。
11.如权利要求9所述的装置，还包括：
缓冲器(30)，所述缓冲器(30)的输入端连接到所述第一晶体管(16)的射极，所述缓冲器(30)的输出端驱动电阻性分压器(40)，所述电阻性分压器(40)的一端连接到所述缓冲器(30)的输出端，所述电阻性分压器(40)的另一端连接到直流偏置电位源；
所述分压网络的第一分压点，提供所述的阈值电压源(28)；以及
旁路电容(46)，连接在所述缓冲器(30)的输出端和所述第三个晶体管(36)基极之间。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述直流偏置电位源低于所述缓冲器(30)输出端的直流电位。
13.如权利要求11所述的装置，其中所述直流偏置电位源高于所述缓冲器(30)输出端的直流电位。
14.如权利要求12或13所述的装置，其中响应输入到所述第二晶体管(18)基极的、电平超过所述第三晶体管(36)的基极电位的信号(12)，使所述第三晶体管(36)处于导通状态。
15.如权利要求14所述的装置，还包括：
第二次级增益调节电阻(56)，它从所述第二晶体管(18)的射极连接到第四晶体管(58)的射极，所述第四晶体管(58)的集电极连接到足以反向偏置所述第四个晶体管(58)的基极-集电极结的集电极直流电源，所述第四晶体管(58)的基极连接到所述电阻性分压器(51)的第二分压点；以及
响应输入到所述第二晶体管(18)基极的、电平超过所述第四晶体管(58)的基极电位的信号(12)，使所述第四晶体管(58)处于导通状态。
16.如权利要求14所述的装置，还包括：
第二次级增益调节电阻(56)，它从所述第二晶体管(18)的射极连接到第四晶体管(58)的射极，所述第四晶体管(58)的集电极连接到足以反向偏置所述第四晶体管(58)的基极-集电极结的集电极直流电源，所述第四晶体管(58)的基极连接到所述电阻性分压器(51)的第二分压点；以及
响应输入到所述第二晶体管(18)基极的、电平超过所述第四晶体管(58)基极电位的信号(12)，使所述第四晶体管(58)处于非导通状态。
17.如权利要求12或13所述的装置，其中响应输入到所述第二晶体管(18)基极的、电平超过所述第三晶体管(36)基极电位的信号(12)，使所述第三晶体管(36)处于非导通状态。
18.如权利要求17所述的装置，还包括：
第二次级增益调节电阻(56)，它从所述第二晶体管(18)的射极连接到第四晶体管(58)的射极，所述第四晶体管(58)的集电极连接到足以反向偏置所述第四晶体管(58)的基极-集电极结的集电极直流电源，所述第四晶体管(58)的基极连接到所述电阻性分压器(51)的第二分压点；以及
响应输入到所述第二晶体管(18)基极的、电平超过所述第四晶体管(58)基极电位的信号(12)，使所述第四晶体管(58)处于导通状态。
19.如权利要求17所述的装置，还包括：
第二次级增益调节电阻(56)，它从所述第二晶体管(18)的射极连接到第四晶体管(58)的射极，所述第四晶体管(58)的集电极连接到足以反向偏置所述第四晶体管(58)的基极-集电极结的集电极直流电源，所述第四晶体管(58)的基极连接到所述电阻性分压器(51)的第二分压点；以及
响应输入到所述第二晶体管(18)基极的、电平超过所述第四晶体管(58)基极电位的信号(12)，使所述第四晶体管(58)处于非导通状态。
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