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Die Erfindung behandelt temperaturkompensierte
logarithmische Verstärker, die zur Verwendung mit Videosignalen
geeignet sind.
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Zur Bereitstellung einer Logarithmierung bei einem
Eingangsspannungs-Videosignal gibt es verschiedene unterschiedliche
Verfahren. Einer der gebräuchlichsten Wege ist die
Verwendung einer Diode, die im Gegenkoppelungsweg eines
Operationsverstärkers angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung
einer derartigen Kombination ist eine logarithmische
Funktion. Der Bereich der Bandbreite von logarithmischen
Verstärkern dieser Art ist durch eine Anzahl unabhängiger
Faktoren begrenzt, zu denen auch die Leerlaufverstärkung des
Operationsverstärkers zählt.
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Bipolare Transistoren haben bekanntlich einen ihnen eigenen
logarithmischen charakteristischen Wert, der durch Gleichung
(1) definiert ist.
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Der natürliche Logarithmus hieraus ergibt:
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(2) VBE = Vt(lnIc-lnIs)
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mit
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VBE = Basis-Emitter-Spannung
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Vt= KT/q (Thermospannung)
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Ic = Kollektorstrom
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Is = Sättigungsleckstrom (temperaturabhängig)
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Gleichung (2) zeigt das Problem bei der Verwendung bipolarer
Transistoren zur Ausführung logarithmischer Vorgänge: Is und
Vt sind temperaturabhängig und weisen separate und
unterschiedliche Temperatureffekte auf.
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US-A-3 ,845, 326 beschreibt eine logarithmische
Verstärkerschaltung nach dem bisherigen Stand der Technik, die eine
logarithmische Wandlerschaltung enthält, um eine
Videoausgangsspannung zu erzeugen, die eine logarithmische Funktion
einer Videoeingangsspannung ist, und wobei auch eine
Gegenkoppelungsschaltung enthalten ist, um die
Videoausgangsspannung während der horizontalen Dunkeltastperiode abzutasten,
die abgetastete Spannung mit einer Referenzspannung zu
vergleichen und ein Fehlerkorrektursignal zu erzeugen, das zum
Eingang der logarithmischen Übertragungsschaltung
zurückgeleitet wird. Diese Vorgänge erfolgen während der
horizontalen Dunkeltastperiode, um den Schwarzpegel des
Videoeingangssignals zu korrigieren. Die Temperaturkompensation
erfolgt, indem die Logarithmierschaltungen in einem Gehäuse
auf konstanter Temperatur gehalten werden. Die US-PS
3,700,918 und 4,232,233 beschreiben logarithmische
Verstärkerschaltungen, bei denen aufeinander abgestimmte
Schaltungskomponenten verwendet werden, um einen gewissen Grad
von Temperaturkompensation zu erzielen. Nach dem bisherigen
Stand der Technik wurden keine bipolaren Anordnungen für die
Temperaturkompensation sowohl von Is als auch von Vt in
einer Videologarithmierung beschrieben.
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Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines
logarithmischen Verstärkers unter Verwendung bipolarer Transistoren,
wobei eine Temperaturkompensation sowohl hinsichtlich Is als
auch hinsichtlich Vt sowie eine temperaturkompensierte
Gleichstromstabilisierung erfolgt.
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Diese Aufgabe wird durch einen gleichstromstabilisierten
logarithmischen Verstärker gelöst, der in Abhängigkeit von
einem Dunkeltast- und Bildperioden enthaltenden
Eingangsvideosignal Vin ein hinsichtlich der Temperaturabhängigkeit
der Thermospannung Vt sowie des Sättigungsleckstroms Is
kompensiertes logarithmisches Signal Vout(comp) liefert, mit
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a. einer logarithmischen Verstärkerzelle (16) mit einem
bipolaren Transistorpaar, dessen jeweilige Basis derart
geschaltet ist, daß der erste Transistor (Q&sub1;) einen an seinem
Kollektor anliegenden Strom Ic logarithmiert und der zweite
Transistor (Q&sub2;) den Sättigungsleckstrom Is kompensiert, und
mit einem mit dem zweiten Transistor (Q&sub2;) in Reihe
geschalteten dritten Transistor (Q&sub3;), der einen konstanten
Kollektorstrom IREF durch den zweiten Transistor liefert, wobei
die Ausgangsspannung Vout am Schaltungspunkt zwischen dem
zweiten und dritten Transistor (Q&sub2; und Q&sub3;) erzeugt wird;
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b. Gegenkoppelungsmitteln, bestehend aus:
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i. einem Spannungs-/Strom-Wandler (12), der sowohl auf
Vin als auch auf ein Fehlersignal anspricht, um den
Kollektorstrom Ic für den ersten Transistor (Q&sub1;) während
der Bildperioden zu liefern; und ii. Mitteln (13, 18) zum
Erzeugen eines Schwarzreferenz-Stroms IBLK und zum
Aufsummieren des IBLK zum Ausgangsstrom des Spannungs-/
Strom-Wandlers (12) während der Dunkeltastperioden, um
während der Dunkeltastung den Kollektorstrom Ic für den
ersten Transistor (Q&sub1;) zu liefern;
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c. einer Gegenkopplungsklemmschaltung (14), die das an den
Spannungs-/Strom-Wandler (12) angelegte Fehlersignal erzeugt
und die Ausgangsspannung Vout mit einer Null-Volt-Referenz
während der Dunkeltastperiode vergleicht, um das
Fehlersignal derart einzustellen, daß Ic und IREF gleich groß
sind, so daß eine temperaturkompensierte
Gleichstromstabilisierung von Vout erfolgt; und
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d. einem 1/Vt-Verstärker (17), der auf Vout anspricht, um
die Thermospannung Vt zu korrigieren und eine kompensierte
Spannung Vout(comp) während der Bildperiode zu liefern.
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Es zeigen:
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Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen
logarithmischen Verstärkers,
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Fig. 2 Wellenformen für in Fig. 1 wiedergegebene
Signalparameter
und
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Fig. 3 ein Schaltbild der in Fig. 1 dargestellten
logarithmischen Verstärkerzelle.
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In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen
logarithmischen Verstärkers 10 wiedergegeben. Ein
Spannungs-/Strom-Wandler 12 wird mit dem Eingangsspannungssignal
Vin beaufschlagt. Der Spannungs-/Strom-Wandler 12 wird
weiter mit einem durch eine Gegenkoppelungsklemmschaltung 14
erzeugten Fehlersignal beaufschlagt. Der Ausgang des
Spannungs-/Strom-Wandlers 12 wird einer Summierschaltung 13
zugeführt, die den Kollektorstrom Ic erzeugt, mit dem der
Logarithmiertransistor Q&sub1; in einer logarithmischen
Verstärkerzelle 16 gesteuert wird. Siehe hierzu Fig. 3. Wegen der
Verwendung der Gegenkoppelungsklemmschaltung 14 ist für den
Spannungs-/Strom-Wandler 12 keine genaue
Gleichstrom-Korrekturstabilisierung erforderlich. Während der Dunkeltastung
erhält die Summierschaltung 13 einen von einer
Schwarzreferenzstrom-Schaltung 18 erzeugten Referenzgleichstrom
IBLK. Der Referenzstrom IBLK wird so gewählt, daß
entsprechend der Darstellung in Fig. 2 die Ausgangssignale Vout wie
auch Vout(comp) (nicht dargestellt) geradlinig proportionale
Funktionen in Abhängigkeit von einer exponential
verlaufenden Spannung Vin sind. Die Gegenkoppelungsklemmschaltung 14
tastet die Ausgangsspannung Vout während einer
Dunkeltastperiode des Eingangsspannungs-Videosignals Vin ab und regelt
das Gleichstrom-Fehlerkorrektursignal, so daß der Wert von
Ic auf die im folgenden beschriebene Weise eingestellt wird.
Siehe hierzu Fig. 2. Während der Bildperiode liefert die
Gegenkoppelungsklemmschaltung 14 kontinuierlich das gleiche
Signal an den Spannungs-/Strom-Wandler 12. Dieses Signal
wird nur während der Dunkeltastperiode nachgeregelt. Die
Gegenkoppelungsklemmschaltung 14 erzeugt das Gleichstrom-
Fehlerkorrektursignal, indem das Signal Vout mit einer Null-
Volt-Referenz verglichen wird. In Fig. 2 sind verschiedene
repräsentative Wellenformen der Signale Vin, Ic
und Vout
wiedergegeben. Die Eingangsspannung Vin umfaßt im linearen
Bereich eine Dunkeltastperiode und eine Bildperiode. Das
Ausgangssignal des Spannungs-/Strom-Wandlers (Ic) ist
ebenfalls im linearen Bereich. Während der Dunkeltastperiode
bewirkt ein Steuersignal, daß die
Schwarzreferenzstrom-Schaltung 18 einen Strom IBLK dazu addiert; und ein weiteres
Steuersignal bewirkt, daß die Gegenkoppelungsklemmschaltung
14 die Ausgangsspannung Vout der logarithmischen
Verstärkerzelle 16 abtastet und das an den Spannungs-/Strom-Wandler 12
gelieferte Gleichstromfehlersignal nachregelt. In Verbindung
mit der in Fig. 3 dargestellten Schaltung wird im folgenden
die Anordnung zur Temperaturkompensation von Is beschrieben.
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Wie in Fig. 3 dargestellt ist, sind bei einem bipolaren
Transistorpaar Q&sub1; und Q&sub2; die jeweiligen Basen miteinander
verbunden. Der Kollektorstrom für den- Logarithmiertransistor
Q&sub1; ist der vom Spannungs-/Strom-Wandler 12 erzeugte Strom
Ic. Die Basis des Transistors Q&sub3;, der mit dem Transistor Q&sub2;
verbunden ist, wird mit einer festen Referenzspannung VBIAS
beaufschlagt. Der Transistor Q&sub3; stellt eine
Konstantstromquelle bereit und erzeugt einen konstanten Kollektorstrom
IREF als Funktion der Größe von VBIAS. IREF ist der
Emitterstrom und näherungsweise der Kollektorstrom für den
Transistor Q&sub2;. Der Ausgang Vout wird am Schaltungspunkt zwischen
dem Emitter des Transistors Q&sub2; und dem Kollektor des
Transistors Q&sub3; abgenommen. Ein Transistor Q&sub4; ist so
angeschlossen, daß sein Kollektor mit dem positiven Potential +V
verbunden ist. Dasselbe Potential liegt am Kollektor des
Transistors Q&sub2;. Der Emitter des Transistors Q&sub4; ist elektrisch
mit den jeweiligen Basen des Transistorpaars Q&sub1; und Q&sub2;
verbunden. Der Eingangsstrom Ic stellt auch den Steuerstrom
durch die Basis des Transistors Q&sub4; bereit. Durch diesen
besonderen Schaltungsaufbau wird die Ausgangsspannung Vout
hinsichtlich Is kompensiert. Ein konventioneller
1/Vt-Verstärker 17 kompensiert hinsichtlich Vt und erzeugt das
Ausgangssignal Vout(comp). Die Arbeitsweise des Verstärkers 17
wird im weiteren Verlauf beschrieben.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise der Logarithmierzelle 16
beschrieben. Zunächst soll angenommen werden, daß Is des
Logarithmiertransistors Q&sub1; dem Wert von Is beim zweiten
Transistor Q&sub2; des Transistorpaars entspricht. Nach dem
Kirchhoffschen Spannungsgesetz gilt:
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(3) Vout = VBEQ1 - VBEQ2
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Aus Gleichung (2) folgt
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(4) Vout = Vt (lnIc - lnIREF - lnISQ1 + lnISQ2)
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(5) Vout = Vout (lnIc - lnIREF)
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Gleichung (4) zeigt, daß die Ausgangsspannung Vout
hinsichtlich Is temperaturkompensiert ist. Während der
Dunkeltastperiode tastet die Gegenkoppelungsklemmschaltung 14 in
Abhängigkeit vom Steuersignal die Ausgangsspannung Vout ab, um
das Fehlersignal einzustellen. Durch die Verwendung einer
"0"-Referenzspannung als Eingabe in die Schaltung 14 und
durch den Vergleich dieser Spannung mit Vout ist Ic
zwangsläufig gleich IREF. Während der betreffenden Periode ist Ic
gleich IBLK, da Vin gleich null ist. Da Ic gleich IREF ist,
wird laut Gleichung (5) Vout mit null gleichgesetzt, und
Vout ist gleichstromstabilisiert. Der Strom IREF ist eine
Konstante.
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Während der Dunkeltastung enthält Vout am Ausgang der
Logarithmierzelle 16 einen Vt-Term. Wenn Gleichung (5)
gleich null gesetzt wird und Ic = IREF gilt, ist der Wert
von Vt irrelevant, und er hat keinen Einfluß auf den
Klemmvorgang. Der Klemmvorgang bleibt damit sowohl von Is als
auch von Vt unbeeinflußt. Is entfällt, und Vt wird
zwangsläufig irrelevant, weil die Gleichung (5) auf null gesetzt
ist. Dies ist der Hintergrund der temperaturkompensierten
Gleichstromstabilisierung von Vout. Der 1/Vt-kompensierte
Verstärker 17 ist erforderlich, um das Vout-Signal
hinsichtlich Vt zu kompensieren, und er erzeugt Vout(comp) Der
Verstärkungsgrad des Verstärkers 17 ist von 1/Vt abhängig. Für
Fachleute auf diesem Gebiet ist ohne weiteres ersichtlich,
daß sich diese Verstärkung erreichen läßt durch Verwendung
von Transistoren, die dem Logarithmiertransistor Q&sub1;
entsprechen. Wegen der Anordnung der
Gegenkoppelungsklemmschaltung 14 ist der Offset-Spannungsversatz dieses Transistors
unbeachtlich und braucht nicht bestimmt zu werden.
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Beim Betrieb während der Bildperiode bewirkt die Erhöhung
des Stroms Ic, daß auch Vout(comp) ansteigt. Dementsprechend
sinkt Vout(comp), wenn abfällt. Vout(comp) ist
hinsichtlich Is und Vt kompensiert.
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Bei vielen Anwendungen ist es erforderlich, an analogen
Videosignalen eine Logarithmierung vorzunehmen. Dieser
Verstärker führt eine wirksame Kompensation hinsichtlich Is und
Vt durch.
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Zeichnungsbeschriftung:
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Fig. 1
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a STEUERSIGNAL
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18 SCHWARZREFERENZ-EINFÜGUNG (VBLK)
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12 SPANNUNGS-/STROM-WANDLER
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16 LOG. VERSTÄRKERZELLE (SIEHE Fig. 3)
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17 1/Vt-VERSTÄRKER
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14 GEGENKOPPELUNGSKLEMMSCHALTUNG
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b GLEICHSTROM-FEHLERKORREKTURSIGNAL
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c "NULL"-VOLT-REFERENZ
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Fig. 2
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a AMPLITUDE
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b SCHWARZSTROM (IBLK)
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c DUNKELTASTPERIODE
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d BILDPERIODE
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Fig. 3
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a (VON 18
Fig. 1)