DE4006416A1 - Polygonschaltung - Google Patents

Polygonschaltung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Polygonschaltung, die zur Eingangssignalpegelkompression in einer Signalverarbeitungsschaltung verwendet wird, beispielsweise für eine Farbfernsehkamera oder dergleichen.
Fig. 1 ist ein Schaltbild einer herkömmlichen Polygonschaltung nach dem Stand der Technik. Die Schaltung enthält Transistoren Q 21 bis Q 28 sowie Widerstände R 21 bis R 32. Q 23 und R 24, Q 24 und R 25 sowie Q 27 und R 26 bilden jeweils Stromquellen, die das Fließen eines konstanten Stroms gestatten, und zwar gemäß einer Stromquellen-Stromeinstellspannung Vb, die einem Eingangsanschluß 23 zugeführt wird. Zur Vereinfachung der Erläuterung sei angenommen, daß R 24, R 25 und R 26 jeweils den gleichen Wert haben und daß durch Q 23, Q 24 und Q 27 jeweils der gleiche Kollektorstrom I 0 fließt. Die Schaltung enthält ferner einen Eingangsanschluß 20 für ein Eingangssignal Vin, einen Eingangsanschluß 21 für ein Referenzsignal Vref, einen Eingangsanschluß 22 für eine Knickpunkteinstellspannung Va, den bereits genannten Eingangsanschluß 23 für die Stromquellen-Stromeinstellspannung Vb, einen Ausgangsanschluß 24 für ein Ausgangsignal Vout und Energieversorgungsmöglichkeiten für eine Speisespannung Vcc und Masse GND.
Im folgenden soll die Betriebsweise dieser bekannten Polygonschaltung erläutert werden.
Dazu sei zunächst unterstellt, daß die Kollektorspannung VCQ 22 der Bedingung VCQ 22 < Va genügt.
In diesem Fall arbeitet Q 26 als Emitterfolger. Bezeichnet man die Basis-Emitter-Spannung von Q 26 mit VBEQ 26, ist die Basisspannung VBQ 28 von Q 28 gegeben durch die folgende Gleichung:
VBQ 28 = Va - VBEQ 26 (1)
Die Emitterspannung VEQ 28 von Q 28 genügt der folgenden Bedingung:
VEQ 28 < VCQ 22 (2)
Die Basis-Emitter-Spannung VBEQ 28 von Q 28 ist daher klein, und zwar wegen VCQ 22 < Va und unter Berücksichtigung der obigen Beziehungen (1) und (2). Q 28 ist daher abgeschaltet oder gesperrt, und das Ausgangssignal Vout ist gegeben durch:
Jetzt sei unterstellt, daß VCQ 22 < Va ist.
In diesem Fall arbeitet Q 28 als Emitterfolger. Das Ausgangssignal Vout ist dann gegeben durch:
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Eingangs/Ausgangs-Kennlinie der Polygonschaltung nach dem Stand der Technik zeigt. Der Gradient G im Bereich VCQ 22 < Va, d. h. im Bereich
ist gegeben durch:
Der Gradient G der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie im Bereich VCQ 22 < Va, d. h. im Bereich
ist gegeben durch:
Die Polygonschaltung wird hauptsächlich realisiert in Form einer monolithisch integrierten Schaltung, und die Knickpunkteinstellspannung Va wird dadurch gewonnen, daß die Speisespannung Vcc unter Verwendung von Widerständen R 29 und R 30, die außerhalb der integrierten Schaltung vorgesehen sind, einer Sapnnungsteilung unterzogen wird. Die Referenzspannung Vref ist ein Referenzpegel für das Eingangssignal. Ist das Eingangssignal ein Videosignal, wird der Schwarzwert oder Schwarzpegel auf Vref geklemmt.
Vcc - I 0 · R 22 ist der Referenzpegel für das Ausgangssignal Vout.
Wenn bei der herkömmlichen Polygonschaltung mit dem oben beschriebenen Aufbau die Kennwerte von R 22, Q 24 und R 25 Änderungen erfahren oder schwanken, schwankt der mittels R 29 und R 30 eingestellte Knickpunkt bezüglich des Referenzpegels Vref für das Eingangssignal oder bezüglich des Referenzpegels Vcc - I 0 · R 22 für das Ausgangssignal Vout.
Ziel der Erfindung ist es, das oben aufgezeigte Problem zu überwinden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Polygonschaltung zu schaffen, bei der Schwankungen des Knickpunkts in bezug auf den Referenzpegel geringer sind.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung grundsätzlich dadurch gelöst, daß in der Polygonschaltung das Eingangssignal Vin und die Knickpunkteinstellspannung Va direkt miteinander verglichen werden.
Wenn bei einer nach der Erfindung ausgebildeten Polygonschaltung, bei der das Eingangssignal und die Knickpunkteinstellspannung direkt miteinander verglichen werden, die Kennwerte der Schaltungsbauteile und die Stromquellen-Stromeinstellspannung Veränderungen zeigen, wird die sonst damit einhergehende Schwankung im Knickpunkt in der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie bezüglich des Referenzpegels vermindert.
Nachstehend soll die Erfindung an Hand von Zeichnungen beispielshalber erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Polygonschaltung nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie der Polygonschaltung nach Fig. 1,
Fig. 3 ein Schaltbild einer Polygonschaltung, bei der es sich um ein Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie der Schaltung nach Fig. 3,
Fig. 5 ein Schaltbild einer Polygonschaltung, bei der es sich um ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt, und
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie der Schaltung nach Fig. 5.
Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wurde bereits an Hand von Fig. 1 und 2 dargelegt. Es folgt eine detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 3 bis 6.
Fig. 3 zeigt das Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Bezugszeichen, die mit solchen in Fig. 1 identisch sind, bezeichnen identische oder gleichartige Bauteile. Es entfällt daher eine Einzelbeschreibung dieser Bauteile. Die dargestellte Schaltung enthält Transistoren Q 1 bis Q 19 sowie Widerstände R 1 bis R 15, Q 3 und R 9, Q 4 und R 10, Q 7 und R 11, Q 10 und R 12, Q 15 und R 13, Q 17 und R 14 sowie Q 19 und R 15 bilden jeweils Stromquellen, die gemäß der Stromquellen-Stromeinstellspannung Vb am Eingangsanschluß 23 das Fließen eines konstanten Stroms zulassen. Der Einfachheit halber sei hier angenommen, daß R 9, R 10, R 11, R 12, R 13, R 14 und R 15 jeweils den gleichen Wert haben und daß durch Q 3, Q 4, Q 7, Q 10, Q 15, Q 17 und Q 19 jeweils ein gleich großer Kollektorstrom I 0 fließt.
Q 12 und R 4 bilden ebenfalls eine Stromquelle, und der Strom dieser Stromquelle wird bestimmt durch eine Spannung Vc, die der Basis von Q 11 zugeführt wird.
Q 5 und R 2 sowie Q 6 und R 7 bilden eine Stromspiegelschaltung, so daß der Kollektorstrom I 1 von Q 5 und der Kollektorstrom I 2 von Q 6 durch die folgende Gleichung gegeben sind:
Somit ist I 1 = I 2 ein erster Strom, der (Vin - Vref) proportional ist.
Q 8 und Q 9 bilden eine Kapp- oder Klippschaltung, die von einem Paar Transistoren mit identischen Kennwerten oder Eigenschaften Gebrauch macht. Die Eingangssignalspannung Vin und die Knickpunkteinstellspannung Va werden direkt miteinander verglichen, und an der gemeinsamen Emitterverbindung A von Q 8 und Q 9 tritt eine Spannung auf, die der höheren der beiden miteinander verglichenen Spannungen entspricht minus der Basis-Emitterspannung von Q 8 bzw. Q 9 (etwa 0,6 Volt im Falle von Siliciumtransistoren). Q 11 arbeitet als Emitterfolger, dessen Ausgangsspannung um die Basis-Emitter-Spannung (etwa 0,6 Volt) höher als die der Basis zugeführte Eingangsspannung ist.
Zunächst sei der Fall betrachtet, bei dem Vin < Va ist.
Da die Basis-Emitter-Spannungen von Q 9 und Q 11 annähernd einander gleich sind, tritt am Emitter von Q 11 die Spannung Va auf.
Als nächstes soll der Fall betrachtet werden, bei dem Vin < Va ist.
Da die Basis-Emitter-Spannungen von Q 8 und Q 11 annähernd einander gleich sind, tritt Vin am Emitter von Q 11 als Ausgangsspannung auf.
Q 14 und R 6 sowie Q 18 und R 7 bilden eine zweite Stromspiegelschaltung, so daß der Kollektorstrom I 3 von Q 14 und der Kollektorstrom I 4 von Q 18 gegeben sind durch:
I 3 = I 4 = I 0 (6)
Wenn Vin < Va, und die Basisspannung von Q 13 gleich Va ist sowie die Basisspannung von Q 16 gleich Vin ist, so gilt:
Somit sind I 3 und I 4 ein zweiter Strom, der der Differenz zwischen der Eingangsspannung Vin und der Knickpunkteinstellspannung Va proportional ist.
Bezeichnet man den durch R 8 fließenden Strom mit I 5, dann gilt:
Vout = Vref + I 5 · R 8 (8)
Wenn Vin < Va:
so daß
Wenn Vin < Va:
Somit ist die Ausgangsspannung Vout proportional zur Summe aus dem ersten Strom I 2 und dem zweiten Strom I 4.
Die Knickpunkteinstellspannung Va erhält man dadurch, daß die Differenz zwischen Vref und der Speisespannung Vcc mit Hilfe der Widerstände R 16 und R 17 einer Spannungsteilung unterzogen wird. Dies bedeutet:
Mit der oben beschriebenen Arbeitsweise erhält man für das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel eine Eingangs/Ausgangs-Kennlinie, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Der Knickpunkt BP (break-point) der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie tritt in Vout bei einer Stelle auf, bei der Vin = Va, so daß man die Gleichung (9) wie folgt schreiben kann:
Der Gradient G der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie im Bereich von Vin < Va ist somit:
Der Gradient G der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie im Bereich von Vin < Va ist somit:
Der Knickpunkt BP wird bestimmt durch die Knickpunkteinstellspannung Va, und der Wert der Ausgangsspannung Vout beim Knickpunkt BP wird bestimmt durch Vref, Va, R 1 und R 8, so daß Schwankungen im Knickpunkt BP kleiner als beim Stand der Technik sind.
Da die Knickpunkteinstellspannung Va durch Spannungsteilung der Referenzspannung Vref und der Speisespannung Vcc gewonnen wird, erreicht man einen weiteren Vorteil. Bei der Schaltung nach Fig. 3 kann man nämlich Vref auf einen Wert setzen, der sehr dicht bei Va liegt. Dadurch wird eine Schwankung im Knickpunkt BP infolge von Veränderung der Werte für R 29 und R 30 vermindert. Ferner wird die Ausgangsspannung Vout dadurch erhalten, daß die Referenzspannung Vref als Referenz verwendet wird, so daß die Referenzspannung für die Ausgangsspannung die gleiche ist wie die Referenzspannung für das Eingangssignal, und eine Kopplung oder Verbindung mit der Schaltung der nachfolgenden Stufe ist leichter.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein einziger Knickpunkt BP vorgesehen. Es können aber mehr als ein Knickpunkt vorhanden sein.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel werden I 2 und I 4 addiert. Es kann aber auch der Fall eintreten, daß man zwischen I 2 und I 4 eine Subtraktion ausführen muß, insbesondere wenn die Polaritäten des Eingangssignals des Differenzverstärkers infolge von Q 13 und Q 16 vertauscht sind.
Wie oben erläutert, werden bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung das Eingangssignal Vin und die Knickpunkteinstellspannung Va direkt miteinander verglichen, um die Vieleck- oder Polygonkennlinie zu bestimmen. Durch diesen Vergleich wird es ermöglicht, eine Polygonschaltung zu erhalten, bei dem Schwankungen des Eck- oder Knickpunkts vermindert sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand von Fig. 5 erläutert. In Fig. 5 sind Bauteile, die mit Bauteilen nach Fig. 1 identisch oder gleichartig sind, mit denselben Bezugszeichen versehen. Eine Einzelbeschreibung dieser Bauteile entfällt.
Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung enthält Transistoren Q 101 bis Q 128 sowie Widerstände R 101 bis R 121. Q 101 und R 101, Q 102 und R 102, Q 103 und R 103, Q 104 und R 104, Q 105 und R 105, Q 106 und R 106, Q 107 und R 107 sowie Q 108 und R 108 bilden jeweils eine Stromquelle, die gemäß der Stromquellen-Stromeinstellspannung Vb an einem Eingangsanschluß 101 das Fließen eines konstanten Stroms zuläßt. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird unterstellt, daß R 101, R 102, R 103, R 104, R 105, R 106, R 107 und R 108 jeweils den gleichen Wert haben und daß durch die Transistoren R 101 bis R 108 jeweils der gleiche Kollektorstrom I 0 fließt.
Q 109 und R 109 sowie Q 110 und R 110 bilden jeweils Stromquellen, deren Stromwerte gemäß einer Stromquellen-Stromeinstellspannung Vc bestimmt sind.
Q 125 und R 125 sowie Q 126 und R 126 bilden eine erste Stromspiegelschaltung, und der Kollektorstrom I 1 von Q 125 und der Kollektorstrom I 2 von Q 126 sind gegeben durch:
Somit bilden I 1 = I 2 einen ersten Strom, der (Vref - Vin) proportional ist.
Q 111 und Q 112 bilden eine erste Kapp- oder Klippschaltung 51, in der ein Paar Transistoren mit identischen Kennwerten oder Eigenschaften verwendet wird. Die Eingangssignalspannung Vin und die Knickpunkteinstellspannung V 1 werden direkt miteinander verglichen, und am Ausgang einer gemeinsamen Emitterverbindung A von Q 111 und Q 112 tritt eine Spannung auf, die gleich dem Wert der kleineren der beiden miteinander verglichenen Spannungen plus der Basis-Emitter-Spannung von Q 111 bzw. Q 112 (etwa 0,6 Volt im Falle von Siliciumtransistoren) ist.
Q 113 arbeitet als Emitterfolger, dessen am Emitter auftretende Ausgangsspannung gleich seiner an der Basis liegenden Eingangsspannung minus seiner Basis-Emitter-Spannung (etwa 0,6 Volt) ist.
Die Arbeitsweise von Q 111, Q 112 und Q 113 soll für den Fall von Vin < V 1 und für den Fall von Vin < V 1 nachstehend beschrieben werden.
(1) Vin < V 1:
Die Basis-Emitter-Spannungen von Q 112 und Q 113 können als gleich angenommen werden, so daß V 1 am Emitter von Q 113 auftritt.
(2) Vin < V 1:
Die Basis-Emitter-Spannungen von Q 111 und Q 113 können als gleich angenommen werden, so daß Vin am Emitter von Q 113 auftritt.
Q 117 und Q 118 bilden eine zweite Kapp- oder Klippschaltung, die von einem Paar Transistoren Gebrauch macht, die gleiche Kennwerte oder Eigenschaften haben. Die Eingangssignalspannung Vin und eine zweite Eck- oder Knickpunkteinstellspannung V 2 (V 1 < V 2) werden direkt miteinander verglichen, und am gemeinsamen Emitterverbindungspunkt B tritt eine Spannung auf, die gleich der höheren der beiden miteinander zu vergleichenden Spannungen minus der Basis-Emitter-Spannung von Q 117 bzw. Q 118 ist.
Q 119 arbeitet als Emitterfolger, an dessen Emitter eine Spannung auftritt, die gleich der Eingangsspannung an der Basis plus der Basis-Emitter-Spannung von Q 119 ist.
Die Betriebsweise von Q 117, Q 118 und Q 119 wird für den Fall Vin < V 2 und für den Fall Vin < V 2 nachstehend beschrieben.
(1) Vin < V 2:
Die Basis-Emitter-Spannungen von Q 118 und Q 119 können als annähernd gleich angenommen werden, so daß am Emitter von Q 119 die Spannung V 2 ausgegeben wird.
(2) Vin < V 2:
Die Basis-Emitter-Spannungen von Q 117 und Q 119 können als annähernd gleich angenommen werden, so daß am Emitter von Q 119 die Spannung Vin als Ausgangsspannung auftritt.
Q 116 und R 112 sowie Q 122 und R 113 bilden eine zweite Stromspiegelschaltung, so daß der Kollektorstrom von Q 116, d. h. die Summe von I 3 + I 4, also des zweiten Stroms I 3, der durch den Kollektor von Q 121 fließt, sowie der Strom I 5, der durch den Kollektor von Q 122 fließt, wie folgt von den Beziehungen zwischen Vin, V 1 und V 2 abhängen:
(1) V 1 < Vin < V 2:
Die Basisspannung von Q 114 und die Basisspannung von Q 115 sind beide gleich V 1 und sind gleich zueinander, so daß: I 3 = I 0.
Die Basisspannung von Q 120 und die Basisspannung von Q 121 sind beide gleich V 2 und sind gleich zueinander, so daß: I 4 = I 0.
Daraus folgt: I 5 = 2 I 0.
(2) Vin < V 1:
Die Basisspannung von Q 114 ist gleich V 1, und die Basisspannung von Q 115 ist gleich Vin, so daß:
Die Basisspannung von Q 120 und die Basisspannung von Q 121 sind beide einander gleich, und zwar gleich V 2, so daß: I 4 = I 0.
Damit gilt:
(3) Vin < V 2:
Die Basisspannung von Q 114 und die Basisspannung von Q 114 sind beide gleich, und zwar gleich V 1, so daß: I 3 = I 0.
Die Basisspannung von Q 120 ist gleich V 2, und die Basisspannung von Q 121 ist gleich Vin, so daß:
Damit gilt:
Bezeichnet man den durch R 116 fließenden Strom mit I 6, dann gilt, weil Q 127 und Q 128 eine Stromspiegelschaltung bilden:
I 6 = I 2 + I 5
Die Ausgangsssignalspannung Vout, die an einem Ausgangsanschluß 107 auftritt, ist gegeben durch:
Vout = Vcc - R 118 · I 6.
Die Ausgangssignalspannung Vout kann daher wie folgt angegeben werden:
(1) V 1 < Vin < V 2: (2) Vin < V 1: (3) Vin < V 2:
Die erste Knickpunkteinstellspannung V 1 und die zweite Knickpunkteinstellspannung V 2 werden dadurch gewonnen, daß die Differenz zwischen Vref und Vcc unter Verwendung der Widerstände R 119, R 120 und R 121 spannungsgeteilt wird. Dies bedeutet im einzelnen:
Unter Bezugnahme auf die oben beschriebene Arbeitsweise hat die Eingangs/Ausgangs-Kennlinie des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 den in Fig. 6 dargestellten Verlauf.
Der Gradient G der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie für den Fall Vin < V 2 ist gleich:
Der Gradient G der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie für das Fall V 1 < Vin < V 2 ist gleich:
Der Gradient G der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie für das Fall V 2 < Vin ist gleich:
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung erhält man somit die Position der Eck- oder Knickpunkte BP in bezug auf die Eingangssignalspannung Vin durch direkten Vergleich zwischen Vin und V 1 bzw. V 2. Selbst wenn daher die Stromquellen-Stromeinstellspannung Vb schwankt, ist die Veränderung im Knickpunkt herabgesetzt.
Der Abschnitt im Bereich V 1 < Vin < V 2, der den Hauptabschnitt des Videosignals bildet, und der Abschnitt im Bereich Vin < V 1 und der Abschnitt im Bereich Vin < V 2 werden durch separate Schaltungen verarbeitet, so daß die Stromwerte unabhängig voneinander bestimmt werden können, um Frequenzkennlinien, den dynamischen Bereich und dergleichen bereitzustellen.
Da die Differenz zwischen der Referenzspannung Vref und der Speisespannung Vcc spannungsgeteilt wird, um die Knickpunkteinstellspannungen V 1 und V 2 zu gewinnen, ändern sich V 1 und V 2 aufgrund von Schwankungen in Vref, so daß nachteilige Auswirkungen aufgrund von Schwankungen in Vref vermieden werden, obgleich diese Maßnahme nicht unabdingbar ist.
Bei dem zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiel sind zwei Eck- oder Knickpunkte BP vorgesehen. Die Anzahl dieser Punkte kann allerdings auch mehr als zwei sein.
Bei dem zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Eingangssignalspannung und eine Vielzahl von Knickpunkteinstellspannungen direkt miteinander verglichen, um den Polygonzug oder die Polygonkennlinie zu erhalten. Bei der so ausgebildeten Polygon- oder Polygonzugschaltung sind Schwankungen im Knickpunkt in bezug auf den Referenzpegel reduziert.

Claims (2)

1. Polygonschaltung, enthaltend:
eine Einrichtung zum Erzeugen eines ersten Stroms, der der Differenz zwischen einer Eingangssignalspannung Vin und einer Referenzspannung Vref proportional ist,
eine Klippschaltung zum Klippen der Eingangssignalspannung Vin bei einer Knickpunkteinstellspannung Va,
eine Einrichtung zum Erzeugen eines zweiten Stroms, der der Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Klippschaltung und der Knickpunkteinstellschaltung proportional ist, und
eine Einrichtung zum Durchführen einer Addition oder Subtraktion mit dem ersten Strom und dem zweiten Strom zur Ausgabe eines Spannungssignals, das der Summe oder der Differenz proportional ist.
2. Polygonschaltung, enthaltend:
eine Einrichtung zum Erzeugen eines ersten Stroms, der der Differenz zwischen einer Eingangssignalspannung und einer Referenzspannung proportional ist,
eine erste Klippschaltung zum Klippen der Eingangssignalspannung bei einer ersten Knickpunkteinstellspannung,
eine Einrichtung zum Gewinnen eines zweiten Stroms, der der Differenz zwischen der Ausgangsspannung der ersten Klippschaltung und der ersten Knickpunkteinstellschaltung proportional ist,
eine zweite Klippschaltung zum Klippen der Eingangssignalspannung bei der zweiten Knickpunkteinstellspannung,
eine Einrichtung zum Gewinnen eines dritten Stroms, der der Differenz zwischen der Ausgangsspannung der zweiten Klippschaltung und der zweiten Knickpunkteinstellschaltung proportional ist,
eine erste Summen/Differenzbildungseinrichtung zum Ausführen einer Addition oder Subtraktion mit dem zweiten Strom und dem dritten Strom,
eine zweite Summen/Differenzbildungseinrichtung zum Ausführen einer Addition oder Subtraktion zwischen dem Ausgangsstrom der ersten Summen/Differenzbildungseinrichtung und dem ersten Strom, und
eine Einrichtung zum Ausgeben einer Signalspannung, die proportional zum Ausgangsstrom der zweiten Summen/Differenzbildungseinrichtung ist.
DE4006416A 1989-03-02 1990-03-01 Polygonschaltung Granted DE4006416A1 (de)

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