DE2653624A1 - Videosignalverstaerker - Google Patents

Description

PatentarmfR· -— Dr. Dieter ν. Bezofd ^Ί Dipl.-Ing. Peter Gehütz Dipl.-Ing. Wolfgang Heusler 8 München 83, Postfach 660668

Britische Patentanmeldung IO. November 1976

No. 48352/75 vom 25.11.1975 RCA 70,309 Dr.v.B/E US-Patentanmeldung No. 688,408
vom 20.Mai 1976

RCA Corporation New York N.Y. (V.St.A.)

Video s ignalver starker

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Videosignalverstärker gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere einen zum Steuern einer Farbbildwiedergabeeinrichtung geeigneten Cascode-Endverstärker großer Bandbreite und niedriger Verlustleistung.

Videosignalverstärker in Cascodeschaltung sind z.B. aus den US-PSen 3 499 104, 3 598 312 und 3 823 264 bekannt. Ein typischer Cascodeverstärker enthält ein mit hoher Stromverstärkung arbeitendes Niederspannungs-Halbleiterbauelement in Emitterschaltung, an das ein mit dem Stromverstärkungsfaktor ·1 arbeitendes Hochspannungs-Halb-

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leiterbauelement in Basisschaltung angekoppelt ist. Das in Basisschaltung arbeitende Bauelement isoliert den Kollektor des Niederspannungsbauelements gegen Lastspannungsschwankungen und hält dadurch die Miller-Multiplikation der Kollektor-Basis-Kapazität der Niederspannungseinrichtung klein. Bekanntlich tritt außerdem keine Miller-Effekt-Multiplikation in der Kollektor-Basis-Kapaziät der in Basissehaltung arbeitenden Stufe auf. Der Einfluß der Kollektor-Basis-Kapazitäten der aktiven Einrichtungen auf die Bandbreite ist bei einem Cascode-Verstärker kleiner als z.B. bei einem Verstärker in Emitterschaltung.

Mit Videosignalverstärkern in Cascode-Schaltung kann man daher große Bandbreiten erzielen. Cascode-Verstärker werden jedoch gewöhnlich für den A- oder AB-Betrieb vorgespannt, also Betriebsarten, bei denen eine hohe Verlustleistung auftritt, die oft stört. Die Verlustleistung der aktiven Einrichtungen in Videoendstufen soll jedoch so klein wie möglich gehalten werden, da Einrichtungen mit niedriger Basis-Kollektor-Kapazität ( mit denen also eine große Bandbreite erreicht werden kann) typischerweise einen hohen Wärmeableitwiderstand haben (d.h. daß die Temperatur stark von der Verlustleistung abhäng.) Änderungen der Temperatur der aktiven Einrichtungen des Verstärkers haben jedoch eine unerwünschte Verschiebung der Betriebsparameter des Verstärkers zur Folge. Man kann diese Verschiebungen zwar dadurch verringern, daß man die aktiven Einrichtungen der Endstufe mit Kühlkörpern zur Wärmeableitung versieht, solche Kühlkörper erhöhen jedoch die effektive Kollektorkapazität und setzen dadurch die Bandbreite des Verstärkers herab. Eine Verringerung der Verlustleistung in den aktiven Einrichtungen der Videoendstufe hat also nicht nur den unmittelbaren Vorteil, daß Leistung gespart und eine thermische Verschiebung der Betriebsparameter verhindert wird, sondern ist auch im Hinblick auf die erreichbare Bandbreite

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wünschenswert. Dies gilt besonders für den Fall, daß der Verstärker zxHa Steuern einer sogenannten "in-liiE?¹-Kathodenstrahlröhre, also einer Farbbildrohre mit in einer Reihe oder Ebene angeordneten Strahlerzeugungssystemen verwendet wird, die für den Betrieb eine verhältnismäßig hohe Gleichspannung _f z.B. in der Größenordnung von 200 Volt, benötigt, da die Verlustleistung und thermische Drift sonst erheblich werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen breitbandigen Videosignalverstärker mit geringer Verlustleistung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Uhteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Der breitbandige, verlustarme Videosignalverstärker gemäß der Erfindung eignet sich z.B. zum Ansteuern einer inline-Farbfernsehbildröhre oder dgl. und enthält eine Cascode-Verstärkerschaltung. Die Cascode-Verstärkerschaltung enthält einen in Emitterschaltung arbeitenden Kleinsignal-Verstärkertransistor niedriger Spannung und einen in Basisschaltung arbeitenden Hochspannungstransistor. Zwischen den Kollektor des: in Basisschaltung arbeitenden Transistors und eine Betriebsspannungquelle ist ein aktiver Lastkreis geschaltet, der einen Transistor gleichen Leitungstyps wie die in Basisschaltung und Emitterschaltung arbeitenden Transistoren enthält. Zwischen den Emitter des Lasttransistors und den Kollektor des in Basisschaltung arbeitenden Transistors ist eine Abschaltdiode geschaltet, die unter Ruhebedingungen in den nichtleitenden Zustand vorgespannt ist. Vom Emitter des Lasttransistors zur Basis des in Emitterschaltung arbeitenden Transistors ist eine spannungsabhängige Stromrückkopplung vor-

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gesehen. Der Cascode-Schaltung wird ein Betriebsstrom über einen Widerstand zugeführt, der die Betriebsspannungsquelle mit der Basis des Lasttransistor und dem Kollektor des in Ba sisschaltung arbeitenden Transistors koppelt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert die einen Teil eines Farbfernsehers zeigt.

Die in der Zeichnung dargestellten Schaltungsteile umfassen einen Empfangsteil 10, der einen Videodemodulator enthalten kann, welcher ein Leuchtdichtesignal und ein Farbartsignal an eine Demodulatormatrxxschaltung 12 liefert, die ihrerseits Farbvideosignale, die z.B. dem roten, grünen und blauen Bildanteil entsprechen, an entsprechende Videoverstärkerschaltungen 14, 16 und 18 liefert, von denen die beiden letzterwähnten nur teilweise dargestellt sind. Die verstärkten Videoausgangssignale werden von den Videoverstärkerschaltungen 14, 16 und 18 entsprechend den Steuerelektroden 20, z.B. den Kathoden, einer Farbfernsehbildröhre 22 oder dgl. zugeführt, z.B. einer Farbfernsehbildröhre mit in einer Ebene angeordneten Strahlerzeugungssystemen der eingangs erwähnten Art.

Da <±e Verstärker 14, 16 und 18 praktisch identisch sind, ist nur der Verstärker 14 dargestellt und im folgenden im einzelnen erläutert. Der Verstärker 14 enthält eine Cascode-Schaltung 24 aus einem Transistor 26 in Emitterschaltung und einem Transistor 28 in Basisschaltung. Der Emitter des in Emitterschaltung arbeitenden Transistors 26 ( und die entsprechenden Elektroden der Transistoren der Verstärker 16 und 18) ist mit einem auf Bezugsspannung liegenden Schaltungspunkt verbunden, der bei dem dargestelltenBeispiel eine positive Spannung von 6,8 Volt führt, die durch eine Zenerdiode 50 erzeugt wird.

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Der Basis des in Emitterschaltung arbeitenden Transistors 26 werden Videosignale über ein Netzwerk zugeführt, welches einen Quer- oder Ableitwiderstand 42, einen zur Einstellung des Weißwertes dienenden verstellbaren Widerstand 44, einen Widerstandsspannungsteiler 46, 54, 56 (der Widerstand 56 dient zur Einstellung des Schwarzwertes), und Überbrückungskondensatoren 48 und 58 enthält. Wie diese Schaltungselemente miteinander verbunden sind, ist aus der Zeichnung ersichtlich.

Der Basis des in Basisschaltung arbeitenden Transistors 28 wird eine verhältnismäßig niedrige Gleichvorspannung zugeführt, deren Wert beispielsweise in der Größenordnung von +12 Volt liegen kann. Mit dem Kollektor des in Basisschaltung arbeitenden Transistors 28 ist eine aktive Lastschaltung 30 gekoppelt, welche einen dritten Transistor 32, der als Emitterverstärker oder Emitterfolger geschaltet ist, eine Trenn- oder Abschaltdiode 34, die zwischen den Emitter des dritten Transistors 32 und den Kollektor des Transistors 28 geschaltet ist, eine Übernahme-Kompensationsdiode 36, die zwischen die Basis des Transistors 32 und den Kollektor des Transistors 28 geschaltet ist, einen Vorspannungswiderstand 40, der zwischen eine verhältnismäßig hohe Betriebsspannung (z.B.. 210 Volt) und die Basis des Transistors 32 geschaltet ist, und einen Strombegrenzungswiderstand 38, der zwischen den Kollektor des Transistors 32 und die hohe Betriebsspannung von beispielsweise +210 V geschaltet ist, enthält.

Vom Ausgang des Verstärkers 14, d.h. dem Emitter des Transistors 32, ist eine spannungsabhängige Stromrückkopplung über einen Widerstand 52 zur Basis des in Emitterschaltung arbeitenden Transistors 26 vorgesehen. Die Ausgangssignale werden der Kathode 20 des Rot-Strahlerzeugungssystems der

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Kathodenstrahlröhre 22 über einen Reihenwiderstand 60 zugeführt.

Bei der folgenden Erläuterung der Arbeitsweise des dargestellten Videoverstärkers soll angenommen werden, daß der Widerstand 56 so eingestellt ist, daß am Emitter des Transistors 32 der Lastschaltung eine Schwarzwert-Ruhespannung von 150 Volt herrscht. Mit den in der Zeichnung angegebenen Schaltungsparametern fließt unter dieser l "braussetzung durch den Widerstand 40, die Diode 36 sowie die Transistoren 28 und ein Ruhestrom von 2,5 rciA. Ferner stellt sich im Transistor der Lastschaltung ein Emitterruhestrom von etwa 3 mA ein. Der letzterwähnte Strom fließt durch den Rückkopplungswiderstand 50 und liefert eine Basisvorspannung für den Transistor 26. Im Ruhezustand sind die Diode 36 und der Basis-Emitter-übergang des Last-Transistors 32 jeweils in Flußrichtung vorgespannt, so daß die Kathode und die Anode der Diode 34 auf der gleichen Spannung liegen. Im signallosen Zustand leitet die Diode 34 daher nicht.

Der Ruhestrom der Transistoren 26 und 28 der Cascode-Schaltung wird in erster Linie durch den Wert des Widerstandes 40 bestimmt, während der Ruhestrom des Last-Transistors in erster Linie durch den Weg des Rückkopplungswiderstandes 52 bestimmt wird. Die SpannungsverStärkung des Verstärkers wird in erster Linie durch das Verhältnis des Widerstandes zur Reihenschaltung aus den Widerständen 44 und 46 bestimmt. Der Widerstand 44 ermöglicht die Einstellung des Weißwertes bzw. der Signalverstärkung. Der Widerstand 56 ermöglicht die Einstellung des Schwarzwertes, also der Ruheausgangsspannung am Emitter des Transistors 32. Die Kathode 20 der Kathodenstrahlröhre 22 kann als kapazitive Belastung von größenordnungsmäßig 12 pF bezüglich Masse am Emitter des Transistors 32 angesehen werden.

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Wenn im Betrieb ein in negativer Richtung verlaufender Spannungssprung am Widerstand 42 auftritt, so wird dieses Signal durch die Widerstände 44 und 46 in ein Absinken des Basisstromes des Transistors 36 umgesetzt. Der Strom durch die Transistoren 26 und 28 der Kathodeschaltung, die Diode 36 und den Widerstand 40 fällt daher relativ rasch von seinem Ruhewert (2,5 mA, wie oben erwähnt) ab. Die Kollektorspannung des Transistors 28 sowie die Basisspannung des Transistors 32 werden mit einer Geschwindigkeit ansteigen, die verhältnismäßig unabhängig von der kapazitiven Belastung durch die Kathodenstrahlröhre 22 ist. Diese kapazitive Last ist durch die Dbde 34 vom Kollektor des Transistors 28 entkoppelt und erscheint an der Basis des Transistors 32 mit einem um den Wert des Stromverstärkungsfaktors ß des Transistors 32 verringerten Wert, ß kann beispielsweise etwa 40 betragen. Die anfängliche Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung an der Basis des Transistors 32 wird daher nicht durch die kapazitive Belastung durch die Bildröhre bestimmt, sondern durch die Zeitkonstante, die dem Widerstand 40 und den Kapazitäten am Kollektor des Transistors 28 und der Basis des Transistors 32 (die, wie unten erläutert wird, relativ klein gemacht werden können) zugeordnet ist.

Die Ausgangsspannung an der Lastkapazität ändert sich als Folge auf die in negativer Richtung verlaufende Änderung des Eingangssignales nicht sofort, da die Diode 34 nicht leitet. Wenn jedoch die Kollektorspannung des Transistors 28 und damit die Basisspannung des Transistors 32 um etwa 0,7 Volt angestiegen ist, leitet der Last-Transistor 32 stark und die Lastkapazität der Elektrode 20 der Kathodenstrahlröhre wird durch die Spannungsquelle niedriger Impednaz, die der Emitter des Transistors 32 darstellt, aufgeladen. Der Transistor 32 gewährleistet daher eine hohe Folgegeschwindigkeit für große, negativer Richtung verlaufende

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Eingangssignaländerungen, obwohl der Ruhestrom verhältnismäßig klein ist. Die spannungsabhängige Stromrückkopplung über den Widerstand 52 hilft die Übernahmeverzerrungen klein zu halten, d.h. die Verzögerung des Beginnes des Anstiegs der Ausgangsspannung.

Wenn am Widerstand 42 ein in positiver Richtung verlaufender Spannungssprung auftritt, werden die Transistoren 26 und 28 der Cascodeschaltung auf einen Stromflußwert ausgesteuert, der größer als der Ruhewert ist, so daß die Kollektorspannung des Transistors 28 abfällt. Die Diode 34 beginnt voll zu leiten, wenn dieser Spannungsabfall etwa 0,7 Volt erreicht, wodurch ein Entladungsweg niedriger Impedanz von der Lastkapazität (Kathode 20) durch die Diode 34 und die Cascodeverstärkerschaltung 24 nach Bezugspotential gebildet wird. Dieser niederohmige Entladungsweg ergibt die erwünschte hohe Folgegeschwindigkeit für große, in positiver Richtung verlaufende Signalspannungsänderungen.

Das Kleinsignalverhalten der Schaltung gewährleistet ebenfalls eine verhältnismäßig große Bandbreite. Da der in Emitterschaltung arbeitende Transistor 26 nur eine verhältnismäßig niedrige Sperrspannung auszuhalten braucht und die Verlustleistung in ihm wegen seiner niedrigen Kollektorspannung nur klein ist, kann man für ihn ohne Schwierigkeiten eine Kleinsignaleinrichtung wählen, die die gewünschte Bandbreite ergibt. Da die Cascode-Verstärkerschaltung 24 Miller-Kapazitätseffekte praktisch auf ein Minimum reduziert und die aktive Lastschaltung 30 die Einflüsse der Verbraucherkapazität um einen Faktor gleich dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors 32 verringert, ergibt sich eine vorteilhaft niedrige RC-Zeitkonstante für die Ausgangsbelastung. Man kann daher für den Widerstand 40 (die resistive Komponente der RC-Zeitkonstante der Ausgangslast) einen verhältnismäßig großen Wert wählen,

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um die gewünschte Herabsetzung des Ruhestroms zu erzielen und trotzdem noch die gewünschte Bandbreite zu gewährleisten. Unterschiede der Temperaturdrift der Arbeitspunkte der drei Verstärker 14, 16 und 18 durch unterschiedliche Signalpegel in den drei Verstärkern werden sehr klein gehalten, da zur Temperaturdrift der einzelnen Stufen jeweils nur der in Emitterschaltung arbeitende Transistor (z.B. der Transistor 26) beiträgt. Die Verlustleistung und die Geschwindigkeit ihrer Änderung ist bei solchen in Emitterschaltung arbeitenden Transistoren wegen der kleinen Kollektor-Emitter-Spannung klein.

Der in Emitterschaltung arbeitende Kleinsignaltransistor hat ferner einen verhältnismäßig großen Stromverstärkungsfaktor,, so daß bei der beschriebenen Schaltungsanordnung dementsprechend die Übernahme oder cross-over-Verzerrungen sowie die Schwankungen der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Speisespannung niedrig sind.

Videofrequenz-Transistoren mit kleiner Kollektor-Basis-Rückkopplungskapazität (z.B. unter 2,5 pF), die sich als Last-Transistor 32 der dargestellten Schaltung eignen, sind u. a. die Typen BFR 88, BFR 391 oder die RCA-Typen RCP HlC und BF 458. Für den in Basisschaltung arbeitenden Transistor 28 eignen sich die RCA-Transistoren RCP HlC und BF 458. Für den Kleinsignaltransistor 26 eignet sich die Type BC 147.

Bei einer Schaltung mit den in der Zeichnung angeggebenen Parametern liegen die den Transistoren.28 und 32 zugeordneten Leerlaufverluste in der Praxis unter etwa 410 mW bzw. 220 mW. Der gesamte Ruheleistungsbedarf des Videosignalverstärkers 14 ist ohne. Eingangssignal und unter den oben angegebenen Bedingungen mit einem Sehwarzwert von 150 Volt am Emitter des Transistors 32 etwa 1,2 Watt. Mit stufenförmigen SpannungsSprüngen am Eingang wurden A^nstiegs- und Abfalls-

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zeiten von weniger als 130 Nanosekunden und ein Frequenzgang mit einem Abfall von 2,6 dB bei 4 MHZ am Ausgang gemessen.

Im Betrieb der beschriebenen Verstärkerschaltung sind also keine Kühlkörper für die aktiven Einrichtungen und keine Versteilerungsspulen zur Verbesserung des Frequenzganges erforderlich.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   Zum Steuern einer Farbbildwiedergabeeinrxchtung geeigneter Videosignalverstärker mit zwei als Cascode-Verstärker geschalteten Halbleitereinrichtungen, deren erster eine mit einer Videosignaleingangsquelle koppelbare Signaleingangsklemmen des Cascode-Verstärkers und deren zweiter eine Signalausgangsklemme des Cascode-Verstärkers zugeordnet ist, und mit zwei an eine Betriebsgleichspannungsquelle anschließbaren Betriebsspannungsklemmen, dadurch gekennze ichn e t, daß in Reihe zwischen die erste Betriebsspannungsklemme (+21O V) und die Äusgangsklemme eine Lastimpedanz geschaltet ist, welche etixie erste Diode (34) und eine dritte Halbleitereinrichtung (32)' mir. einer Steuerelektrode (Basis) enthält? daß zwischen die Signalausgangs- und Eingangsklemmen eine Gleichstromrückkopplungsschaltung (52) geschaltet ist, die eine Gegenkopplung des Cascode-Verstärkers bewirkt; und daß eine Vorspannungsschaltung vorgesehen ist, die mindestens einen ersten Gleichstromweg, der zur Versorgung der Steuerelektrode der dritten Halbleitereinrichtung (32) zwischen diese Steuerelektrode und die erste Betriebsspannungsklemme (+210 V) gekoppelt ist, und eine Gleichstromkopplungsschaltung (36), die zur Speisung ..des Cascode-Verstärkers (24) mit Ruhestrom zwischen die Steuerelektrode und die Äusgangsklemme gekoppelt ist, enthält und so ausgebildet ist, daß die erste Diode (34) im Ruhezustand im wesentlichen in den nicht leitenden Zustand vorgespannt ist.
2. 2. Videosignalverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gleichstromweg einen Widerstand (40) enthält, dessen Wert derart gewählt ist, daß sich für den Cascode-Verstärker ein relativ niedriger Ruhestrom ergibt.
3. 3. Videosignalverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Halbleitereinrichtungen Transistoren (26, 28 _T 32} gleichen Leitungstyps sind, deren Kollektor-Emitter—Strecken in Reihe zwischen die Betriebsspannungsklemmen (+21QF, Masse) geschaltet sind.
4. 4. Videosignalverstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3_r dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleitereinrichtung (26) eine relativ niedrige Nenn-Sperrspannung hat und daß die zweite Halbleitereinrichtung (28) eine verhältnismäßig hohe Henn-Sperrspannung hat, in Basisschaltung geschaltet ist und mit ihrer Basiselektrode an eine Betriebsgleichspannung (+12V) angeschlossen ist, die ein Bruchteil der Spannung zwischen den Betriebsspannungskleirtmen (+2lOV,Masse) ist.
5. 5. Videosignalverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromkoglungsschaltung (36)_r die zwischen die Steuerelektrode der dritten Halbleitereinrichtung und die Ausgangsklemme gekoppelt ist, eine zweite Diode (36) enthält, die im Ruhezustand in den leitenden Bereich vorgespannt ist.
6. 6. Videosignalverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung einen zweiten Widerstand (52), der zwischen die Ausgangsklemme und die Basiselektrode der ersten Halbleitereinrichtung (26) gekoppelt ist, und einen zur Einstellung der Ruhespannung an der Ausgangsklemme verstellbaren Widerstand (56), der zwischen die Basiselektrode dbr ersten Halbleitereinrichtung (26) und die zweite Betriebsspannungsklemme (Masse) gekoppelt ist, enthält.

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