DE3043944C2 - Vorverstärker für eine Videokamera - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vorverstärker für eine Videokamera gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs I.

Eines der grundlegenden Probleme bei der Entwicklung eines Vorverstärkers für z. B. die Objektivseite einer Videokamera betrifft die Regelung seines Frequenzganges oder genauer gesagt, die Bewertung des Frequenzganges. Idealerweise sollte der von der Bildaufnahmeröhre (z. B. Plumbikon, Vidikon, etc.) gelieferte Signalstrom in eine Spannung umgesetzt oder verstärkt werden, ohne daß sich unerwünschte Frequenzgangänderungen ergeben. Beispielsweise sollte der Frequenzgang von der Gleichspannung bis in die Größenordnung von 5 oder 6 MHz linear sein. Das Problem besteht nun nicht darin, den Frequenzgang zu linearisieren, sondern in der Bestimmung bzw. dem Nachweis der Linearität des Frequenzganges. Das heißt, daß der Vorverstärker für eine Bewertung des Frequenzganges über einen Bereich von Betriebsfre= quenzen durchgeprüft werden muß, was ohne die Störung der Bctriebsmerkmale des Vorverstärkers sehr schwierig zu bewerkstelligen ist, da ein Anlegen von Testsignalen an den Verstärkereingang den Frequenzgang zwangsläufig stört.

Oas vorstehend beschriebene Problem bei herkömmlichen Rückkoppliingsverstärkern für Aufnahmeröhren wird zum Teil dadurch verursacht, daß zum Erzielen eines möglichst minimalen Rauschens hochohmige Lastwiderstände verwendet werden, deren Widerstandswerte zwischen 0,5 und 2 oder 3 M Ω liegen, Diese Lastwiderstände mit hohen Widerstandswerten haben beachtliche Eigenkapazitäten und auch Streukapazitäten nach Masse hin, wodurch sich die Rückkopplung bei Frequenzschwankungen ändert Ferner sind diese Störkapazitäten nicht vorausbestimmba.-, so daß

ίο einstellbare Kompensationsglieder im Vorverstärker vorgesehen werden müssen. Zum Einstellen muß der Vorverstärker aber, wie vorstehend erläutert, für den in Frage kommenden Frequenzbereich durchgeprüft werden. Jeder Prüfvorgang interferiert üblicherweise mit

la den Betriebsmerkmalen des Vorverstärkers, wodurch die vorgenommenen Einstellungen wieder zunichte gemacht werden.

Ein weiteres Problem tritt bei herkömmlichen Vorverstärkern beim Einsatz von Anti-Kometenschweif röhren auf. Beim Entladen von Spitzlichtern können diese Röhren Signalströme bis zu 80 Mikroampere erzeugen, was in einem Vorverstärker mit einem Rückkopplungswiderstand von 1 M Ω 80-Volt-Impulse erzeugt Es ist wesentlich, daß der Vorverstärker in der Lage ist, derartige Impulse aufzunehmen, ohne in die Sättigung zu gelangen, andernfalls sind überlange Erholungszeiten unvermeidbar. Dementsprechend benötigt der Vorverstärker hohe Versorgungsspannungen und auch sein Leistungsbedarf kann empfindlich hoch

Μ werden.

Ein weiterer Nachteil bei herkömmlichen Vorverstärkern besteht darin, daß ihre zum Nullsignalstrom (Schwarzwert-Aussteuerung) korrespondierende Ausgangs-Gleichspannung nicht genau festgelegt ist und mit der Temperatur schwankt Dies führt zur Notwendigkeit irgendeiner Schwarzwertklemmung, um so den Schwarzwert vor der Austastung wieder exakt zurückzugewinnen. Aus der US-PS 36 U 173 ist ein Vorverstärker für einen Halbleiterdetektor eines Raoioaktivitätsspektrometers bekannt Der Vorverstärker weist einen Feldeffekttransistor-Eingangsverstärker und einen mehrstufigen Transistor-Ausgangsverstärker auf, dessen Ausgang über einen optoelektronischen Rückkopp- lungszweig bestehend aus einer lichtemittierenden Diode und einer Photodiode zum Eingang des Feldeffekttransistor-Eingangsverstärkers rückgekoppelt ist. Der Emitter des Ausgangstransistors ist über einen das Ausgangrsignal liefernden Lastwiderstand mit

V) einer negativen Betriebsspannungsquelle verbunden. Die kathodenseitig mit Masse verbundene, lichtemittierende Diode ist anodenseitig über einen Stromgenerator bzw. einen stromsteuernden Transistor mit dem Emitter des Ausgangstransistors verbunden. Der KoI-lektor des Ausgangstransistors ist an eine positive Betriebsspannungsquelle angeschlossen. Parallel zu dem photoeiektronischen Rückkopplungszweig ist ein kapazitiver Rückkopplungszweig geschaltet. Der bekannte Vorverstärker ist nur begrenzt für die Vorverstärkung von Videosignalen einer Videokamera geeignet, da er ohne zusätzliche Klemmschaltung kein exakt definiertes Nullpegelsignal erzeugt. Über das Dynamikverhalten des Vorverstärkers bei Bemessung für geringe Betriebsspannungen ist der US-PS 36 11 17) kein Hinweis zu entnehmen.

Aus Funk-Technik Nr. 21. 195J, Seite 677 ist ein optisch gegengekoppeltes Photometer bekannt, bei welchem mittels eines halbdurchlässigen Spiegels

zusätzlich zum Lichtstrahl der zu messenden Lichtquelle ein Gegenkopplungslichtstrahl eingekoppelt wird. Aus Funk-Technik, 1972, Seiten 95 bis 98 ist weiterhin ein Verstärker bekannt, dessen massefreie Eingangsverstärkerstufen über Optokoppler mit einer Ausgangsverstärkerstufe verbunden sind. Weitere Anwendungsbeispiele für Optokoppler sind aus Electronics, 1964, Seiten 58 bis 67 bekannt. Hier dient der Optokoppler der Entkopplung einer geregelten Hochspannungsstufe von einer Bezugsspannungsquelle geringer Spannung. Schließlich ist aus der DE-OS 26 07 206 ein Photosiromverstärker bekannt, der den Ausgangsstrom einer Photodiode verstärkt und mittels einer Leuchtdiode in ein Lichtsignal höherer Lichtstärke umsetzt Eine zweite Photodiode, die das verstärkte Lichtsignal über ein Filter aufnimmt, koppelt das Signal auf den Eingang des Verstärkers zurück, während eine dritte Photodiode das dem Lichtstrom der Leuchtdiode entsprechende Stromausgangssignal liefert Keine der vorstehenden Veröffentlichungen befaßt sich jedoch mit der eingangs erläuterten Problematik von Vorverstärkern für Videokameras.

Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Videokamera einen konstruktiv einfachen Vorverstärker mit linearem Frequenzgang anzugeben, der bei geringen Betriebsspannungen betrieben werden kann und bei Schwarzpegelsignalen ohne Verwendung einer zusätzlichen Klemmschaltung ein exakt definiertes Nullpegelsignal erzeugt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Bei einem derartigen Vorverstärker ist die lichtemittierende Diode des optoelektronischen Rückkopplungszweigs direkt in den Kollektorkreis des als Spannungs/ Strom-Wandler betriebenen Ausgangstransistors geschaltet. Der Lastwiderstand des Ausgangstransistors ist mit Masse verbunden, womit sichergestellt ist, daß bei fehlendem Eingangsstrom, das heißt bei Schwarzpegelsignalen, das Ausgangssignal des Ausgangstransistors einschlieBILh des Rückkoppelsignals null wird. Die Abkappdiode ist ebenfalls an den Emitter angeschlossen. Diese Schaltungsweise im Zusammenhang mit der im Kollektorkreis angeschlossenen lichtemittierenden Diode erlaubt die Verwendung niedriger Betriebsspannungen und stellt sicher, daß Überlast-Eingangssignale abgekappt werJen, und zwar ohne daß der Rückkopplungsweg aufgrund einer Übersteuerung des Ausgangstransistors und der darauffolgenden Erholungszeit unterbrochen würde. Der Vorverstärker eignet sich insbesondere für Anti-Komctenschweifaufnahmeröhren und kann hohe Stromimpulse bei niedriger Spannungsversorgung verarbeiten. Zusätzliche Schwarzwert-Klemmschaltungen erübrigen sich.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein einfaches schematisches Schaltungsbild eines Vorverstärkers für eine Videokamera und

F i g. 2 ein detailliertes Schaltbild der Schaltung nach Fig. 1.

Der Vorverstärker umfaßt einen Feldeffekttransistor-Eingangsverstärker 12 (FET-Verstärker), dessen Minuseingang an einen Eingangsanschluß 14 für eine Kameraröhre angeschlossen ist Der Minuseingang ist darüber hinaus mit der Anode einer (PIN-)Pholodiode 16 verbunden. Die Kathode der Photodiode 16 steht mit einer positiven Spannungsq'-clle 18 tür z.B. +12V in Verbindung. Der Pluseingang des FET-Verstärkers 12 ist an Masse angeschlossen.

Der Ausgang des FET-Verstärkers 12 ist mit der Basis eines Ausgangstransistors 20 verbunden, dessen Kollektor an die Kathode einer lichtemittierenden Diode 22 (LED-Diode) angeschlossen ist. Die Anode der LED-Diode 22 ist mit einer positiven Spannungsquelle 24 von z.B. +12V verbunden. Ein von der LED-Diode 22 erzeugtes Lichtstrahlsignal 25 wird über eine Lichtleitfaser 26 der Photodiode 16 zugeführt

Der Emitter des Transistors 20 ist über einen Lastwiderstand 28 an Masse, über eine Begrenzungsdiode 32 und einen Widerstand 34 an eine Referenzspannungsquelle 30 und ferner an einem Videoausgangsan-Schluß 36 angeschlossen.

Im Betrieb wird die Stromrückkopplung dadurch erzielt, daß die LED-Diode 22 mit dem über den Kollektor des Transistors 20 zugeführten Ausgangssignal moduliert und das sich ergebende Lichtstrahlsignal 25 zur Photodiode 16 über die Lichtleitfaser 26 weitergeleitet wird. Die Photodiode If ist mit dem Eingang des FET-Verstärkers 12 verbunden, dem auch der Eingangssignalstrom dieses Verstärkers vom Eingangsanschluß 14 aus zugeführt wird. Das Ausgangssignal wird durch die Begrenzungsdiode 32 und die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 30 auf einen vorbestimmten Begrenzungspegel festgelegt Der Widerstand 34 bestimmt die Weichheit der Begrenzung bzw. Abkappung. F i g. 2 zeigt ein detailliertes Schaltbild de.- Schaltung nach Fig. 1, wobei entsprechende Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Der Videoeingang 14 ist mit einem Feldeffekttransistor 38 und einem mit diesem zur Verminderung des Millereffekts in Kaskode geschalteten Eingangstransistor 40 verbunden. Der Ausgang des Eingangstransistors 40 ist an einen rückgekoppelten Operationsverstärker 42 angeschlossen, wobei die Teile 38, 40, 42 den FET-Verstärker 12 nach F i g. 1 bilden. Der Feldeffekttransistor 38 wird so ausgewählt, daß er sehr geringe Rauscheigenschaften besitzt. Das dem Ausgangstransistor 20 zugeführte Ausgang vsignal des Operationsverstärkers 42 ist eine Gleichspannung, die lediglich wegen ihrer eigentümlichen Gleichspannungskennwerte über eine Zenerdiode/ Widerstandsanordnung 44 auf Masse potential verschoben ist Ein Kondensator 46 verhindert, daß Störungen der Spannungsversorgung an der Kathode der Photodiode 16 ein Übersprechen in der Schaltung erzeugen.

Der Lichtleitungsrückkopplungszweig besitzt einen sehr linearen Frequenzgang, d.h. die LED-Diode 22 weist einen linearen Frequenzverlauf von Gleichspannung bis mindestens 20 MHz auf, und die Photodiode 16 ist bis in den Megahertzbereich ebenfalls genügend linear. Ferner ist der Lichtleitungs-Rückkopplungszweig nicht anfällig für ein Rauschen, da keine Verbindung zur Masse zwischen dem Ausgang des Verstärkers 12 und seiner Rückkopplungs-Eingangsklemme besteht, solange dafür gesorgt ist, daß kein äußeres Licht in die Lichtleitfaser 26 gelangt. Anti-Kometenschwe.'fimpulse großer Amplitude werden trotz der Niederspannungsversorgung ohne Schwierigkeiten verarbeitet, da der relativ geringe Lastwiderstand 28 den Gebrauch niedriger Ansgangsspannungen von z.B. 10 mV während des normalen ^h) Röhrenbetriebs gestattet. Während des Auftretens von Anti-Kometeir..-!iweifim[ '.tlsen von z.B. tausendfacher Si^nalgröße liegt die erzeugte Ausgangsspanniing nur in der Größenordnung von 1 Volt, was innerhalb des

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Arbeitsbereichs der Niederspannungs-Vorverstärker- ergibt sich ein Nullsignal von der Photodiode 16. wenn

schaltung liegt. eine Nullspannung am Eingang 14 liegt, was bewirkt.

Außerdem erlaubt die Verwendung des Lichtleitungs- daß im Ausgangstransistor 20 Nullstrom herrscht und

Rückkopplungszweigs eine genaue Vorherbestimmung kein Signal von der LtD-Diode 22 abgegeben wird, in

der Schwarzwert-Aussteuerung, d.h. ein Nullspan- ; die Lichtleitfaser 26 ebenfalls kein Lichtsignal fuhrt und

nungssignal, da ein Null-Video-Pegel (Schwarzwert) am damit am Alisgangsanschluß 36 Nullspannung (d. h. eine

Eingang 14 stets einen entsprechenden Null-Video-Pe- vorbestimmbare Schwar/aussteuerung) herrscht,
gel am Vorversta'rkerausgang 36 erzeugt. Im einzelnen

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorverstärker für eine Videokamera, mit einem Feldeffekttransistor-Eingangsverstärker (12), einem Transistor-Ausgangsverstärker (20,28), dessen Ausgangstransistor (20) mit seiner Basis an den Ausgang des Eingangsverstärkers (12) und mit seinem Emitter an einen Ausgangs-Lastwiderstand (28) angekoppelt ist und mit einem eine lichtemittierende Diode (22) und eine Photodiode (16) aufweisenden, optoelektronischen Rückkopplungszweig (16,22,26), der das Video-Ausgangssignal des Ausgangstransistors (20) auf den Eingang des Eingangsverstärkers (12) zurückkoppelt, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Diode (22) mit ihrer Anode an eine positive Betriebsspannungsquelle (24) und ihrer Kathode an den Kollektor des Ausgangstransistors (20) direkt angeschlossen und über einen Lichtleiter (26) mit der Photodiode (16) gekoppelt ist und daß der Emitter des Ausgangstransistors (20) über den Lastwiderstand (28) mit Masse und über eine Dioden-Abkappschaltung (32, 34) mit einer Bezugsspannungsquelle (30) verbunden ist

2. Vorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastwiderstand (28) einen Widerstandswert in der Größenordnung von 1 k Ω hat.

3. Vorverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkappschaltung eine an den Emitter und über einen Widerstand (34) an die Bezugsspannungsquelle (30) angeschlossene Diode (32) aufweise.

4. Vorverstärker npch einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Videosignal einem invertierenden Eingang.' -)des Eingangsverstärkers (12) zuführbar ist und daß ein nichtin vertierender Eingang ( + ) des Eingangsverstärkers (12) mit Masse verbunden ist.