DK164429B - Videosignalbehandlingsanlaeg - Google Patents

Description

i

DK 164429 B

Opfindelsen angår et videosignalbehandlingsanlæg ifølge indledningen til krav 1.

Videodrivforstærkere med et tilhørende modkoblingskredsløb anvendes ofte til tilførsel af højniveauvideosig-5 naler til intensitetsstyreelektroder (eksempelvis katoder) ‘ i et billedror i en fjernsynsmodtager. Eksempler herpå er omtalt i DE patentansøgninger nr. 2.220.024 og nr. 2.732.625, eller i US patentskrifter nr. 3.668.540 og nr. 4.184.176. Tilbagekoblinskredsløbet med en eller flere serieforbundne 10 modstande medvirker til fastlæggelse af forstærkerens signalforstærkning og stabiliserer driftjævnspændingen ved forstærkerudgangen. Tilbagekoblingskredsløbet tjener også til at formindske forstærkerens udgangsimpedans og derved forbedre forstærkerens båndbredde og højfrekvenssvar ved at formindske 15 den båndbreddebegrænsende virkning af til forstærkerens udgangskredsløb knyttede parasitkapacitanser. En yderligere forbedring af forstærkerens højfrekvenssvar kan frembringes ved at anvende en eller flere "højdehævningsspoler" i forstærkerens udgangskredsløb. Anvendelsen af høj frekvenshøjde-20 hævningsspoler i forstærkerens udgangskredsløb anses imidlertid for uønskelig som følge af de forøgede driftsomkostninger og den forøgede kredsløbskompleksitet, som indføres ved anvendelsen af sådanne elementer.

En billedrørsdrivforstærker af kendt art er behæf-25 tet med den ulempe, at drivforstærkerens højfrekvenssvar forringes som følge af virkningen af de til forstærkerens udgangskredsløb knyttede parasitkapac.itanser sammen med de til de i tilbagekoblingskredsløbet indgående modstande knyttede parasitkapacitanser.

30 Det er opfindelsens formål at afhjælpe denne ulem pe ved at anvise en billedrørsdrivforstærker, hvorved opnås den størst mulige overføringsbåndbredde uden at der optræder oversvingninger i det forstærkede signal. Det angivne formål opnås ifølge opfindelsen som anført i krav l's kendetegnende 35 del ved anvendelse af flere tilbagekoblingsmodstande, som er serieforbundet fra forstærkerens udgang til forstærkerens indgang. Den samlede modstandsværdi af antallet af modstande er i hovedsagen lig med værdien af en enkelt modstand, som 2

DK 164429 B

ellers ville kræves til at fastlægge forstærkerens ønskede signalforstærkning. Det har vist sig, at dersom antallet af modstande har indbyrdes uens værdi, idet modstanden med den største modstandsværdi er forbundet direkte med forstærkerens 5 udgang, kan forstærkerens højfrekvenssvar forøges betydeligt * * uden frembringelse af betydende uønsket oversvingning (ringning) i det forstærkede udgangssignal.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken 10 fig. 1 viser en del af en fjernsynsmodtager, som indbefatter en billedrørsdrivforstærker med et tilhørende tilbagekoblingsmodstandskredsløb ifølge opfindelsen, fig. 2 viser et diagram, som anskueliggør et aspekt af en forstærker ifølge opfindelsen, og 15 fig. 3 af bilder signalformer der er nyttige ved forståelsen af frekvensgangen for en forstærker ifølge opfindelsen.

Som vist i fig. 1 føres videosignaler fra en kilde 10 til en billedrørsdrivforstærker via en indgangssignalvej, 20 <jer indbefatter et indgangssignalkoblingsnetværk 12. Bil-ledrørsdrivforstærkeren omfatter en kaskodeforstærker, som indbefatter transistorer 20 og 22. Indgangsforstærkertransistoren 20 er udformet som et fælles emitterforstærkertrin, og udgangsforstærkertransistoren er udformet som et fælles 25 basisforstærkertrin. Forstærkede videosignaler frembringes over en belastningsmodstand 24 (eksempelvis 12 kiloohm) i transistoren 22's kollektorudgangskredsløb og påtrykkes en billedintensitetsstyrekatodeelektrode 30 i et billedgengi-vende billedrør 35 gennem en udgangssignalvej, der indbefat-30 ter en strømbegrænsende modstand 38 (eksempelvis 2,2 kiloohm). Modstanden 38 virker som et beskyttelsesorgan som forhindrer at billedrørsdrivforstærkeren beskadiges af højspændings-transienter frembragt af billedrørets gnistdannelse. En ar-bejdsforsyningsspænding for billedrørsdrivtrinnet tilvejebrin-35 ges af en jævnspændingskilde B+ (eksempelvis +230 volt).

3

DK 164429 B

O

I tilfælde af en farvefjernsynsmodtager kræves tre billed-rørsforstærkere til at føre røde, grønne henholdsvis blå farvebilledrepræsenterende videosignaler til de tilhørende katodeelektroder i farvebilledrøret. De af billedrørsfor-5 stærkertransistorerne 20,22 forstærkede videosignaler, så-ledes som de er afledet fra et udsendt fuldstændigt fjernsynssignal, omfatter en frekvensbåndbredde fra 0Hz til omtrent 4 MHz.

Billedrørsdrivforstærkerens modkobling tilvejebrin-10 ges ved hjælp af et modstandskredsløb 50, der omfatter modstande RI og R2, som er serieforbundet fra transistoren 22's videosignalkollektorudgang til videosignalindgangskoblingsvejen ved transistoren 20's basisindgang. Transistoren 20's basisindgang repræsenterer et virtuelt jordpunkt, dvs.

15 transistoren 20's basishvilespænding svarer til en forholdsvis lille, fast spænding, der er lig med summen af jordpotentialet ved transistoren 20's emitter plus transistoren 20's i hovedsagen konstante basis-emitter spændingsfald på +0,7 volt.

20 Signalforstærkningen for forstærkeren 20,22 be stemmes af forholdet mellem summen af værdierne af tilbagekoblingsmodstandene Ri og R2 og værdien af indgangsimpedansen (eksempelvis 3 kiloohm) for indgangskoblingsnetværket 12 over for forstærkertransistoren 20's indgang. Værdien af 25 denne indgangsimpedans, der repræsenterer en udgangsbelastning for signalkilden 10 bør være høj nok til at forhindre at kilden 10's udgangskredsløb leder for store strømme med ledsagende stort effektforbrug. Dette er særlig vigtigt, når videosignalkilden 10 svarer til et integreret kredsløbsorgan, 30 eftersom for stor strømledning og for stort effektforbrug er unyttigt og kan frembringe eventuelt ødelæggende termiske belastninger i et integreret kredsløbsorgan. I dette eksempel er tilbagekoblingsmodstandsværdien, som er bestemt af summen af værdierne af modstandene RI og R2, på omtrent 160 kiloohm, 35 hvilket frembringer en signalspændingsforstærkning for forstærkeren på omtrent 54. Forholdsvis større værdier for tilbagekob-linasmodstandsværdien hjælper til på fordelagtig måde at o 4

DK 164429 B

formindske drivforstærkerens effektforbrug.

Den ønskede signalforstærkning for forstærkeren kan også frembringes ved anvendelse af en enkelt tilbagekoblingsmodstand (eksempelvis en 160 kiloohm, 1/2 watt kul-5 filmmodstand) i stedet for et antal modstande RI og R2.

* * Det har imidlertid vist sig, at der opnås betydeligt forøgede højfrekvenssvar for forstærkeren, når et antal (eksempelvis 2) modstande anvendes i stedet for en enkelt tilbagekoblingsmodstand. I tilfælde af et tilbagekoblings-10 kredsløb med en enkelt modstand er parasitkapacitanser mere effektivetil uønsket at begrænse forstærkerens højfrekvenssvar. Det forøgede høj frekvenssvar, som fremkommer ved anvendelse af et antal tilbagekoblingsmodstande, kan imidlertid have uønskede tilknyttede egenskaber såsom "ringning" 15 i forbindelse med amplitudeovergange i det forstærkede signal. Det er ønskeligt med en stor båndbredde ved mange videosignalbehandlingsanvendelser, eftersom det medvirker til at forøge billedopløsningen i et gengivet videobillede. Den "ringning", som kan forekomme i et bredbåndsforstærkersy-20 stem, forringer på uønsket måde den ellers af bredbåndsbehandlingen tilvejebragte gode billedopløsning. Den synlige virkning af denne signalringning i et fremvist billede ligner en "ekkobillede" eller "stribe" effekt langs billed-overgangenes kanter.

25 Tilbagekoblingskredsløbet 50's modstande RI og R2 er anbragt på en sådan måde, at der fremkommer en betydelig forbedring af højfrekvenssvaret for billedrørsdrivforstær keren 20,22, og således at billedforvrængningsvirkningerne som følge af ringning i forstærkerudgangssignalet i hovedsagen 30 elimineres. Dette opnås ved anvendelse af et antal tilbagekoblingsmodstande RI og R2 med forskellige værdier og ved at anbringe modstanden med den største modstandsværdi (RI) nærmest ved udgangstransistoren 22's udgangskredsløb.

I denne udføreisesform svarer modstande RI til 1/2 watt 35 kulfilmmodstand med en værdi på 130 kiloohm, og modstanden R2 svarer til 1/4 watt kulfilmmodstand med en værdi på 33 kiloohm.

o

DK 164429B

En nærmere forklaring af den måde, på hvilken ovennævnte resultat opnås, vil nu blive givet.

Flere typer parasitkapacitanser påvirker tilbagekoblingskredsløbet 50's frekvenssvar. De mere betydende 5 af de parasitkapacitanser er de i fig. 1 viste Cl, C2 og C3. Kapacitansen Cl omfatter den til selve modstanden RI knyttede parasitkapacitans ( omtrent 0,3 picofarad for 1/2 watt modstand) sammen med eventuelle sprednings- og ledningska-pacitanser, der kan optræde mellem kredsløbsforbindelserne 10 ved transistoren 22's kollektor og kredsløbsforbindelserne ved fællespunktet mellem modstandene RI og R2. Kapacitansen C2 omfatter den til selve modstanden R2 knyttede parasitkapacitans (omtrent 0,2 picofarad for 1/4 watt modstand) sammen med eventuelle sprednings- og ledningskapacitanser.

15 Kapacitansen C3 omfatter en parasitkapacitans til jord, hvilken kapacitans hører til kredsløbsforbindelserne ved fællespunktet mellem modstandene RI og R2. Værdierne af disse parasitkapacitanser påvirkes f.eks. af den type kredsløbsforbindelser, som anvendes og af kredsløbsudlægningen 20 (eksempelvis med hensyn til punkter med jordpotentiale og fysisk nærhed af kredsløbselementerne).

Det er i mange tilfælde vanskeligt nøjagtigt at bestemme eller måle værdierne af sådanne parasitkapacitanser, men de kan undertiden beregnes med tilfredsstillende 25 nøjagtighed. I dette tilfælde er kapacitansen Cl betydeligt større end kapacitansen C2, fordi modstanden RI fysisk er en større 1/2 watt modstand end 1/4 watt modstanden R2, og fordi en betydelig parasitkapacitans optræder ved udgangstransistoren 22's kollektor. I sidstnævnte forbindelse be-30 mærkes det, at forstærkerens belastningsmodstand 24 typisk er en forholdsvis stor (eksempelvis 2 watt eller større) effektmodstand med forbindelseskomponenter af tilsvarende størrelse som kan indbefatte organer til at hæve modstanden 24 over et tilhørende kredsløbskort med henblik på bedre 35 varmeafgivelse. En sådan forbindelseskomponent føjer en betydelig kapacitans til parasitkapacitansen Cl. En faktor der

O

, DK 164429 B

6 desuden har indflydelse her, er den måde, på hvilken transistoren 22's kollektor og modstandene 24,38 og RI indbyrdes er forbundet og positioneret. Det har endvidere vist sig, at værdierne af kapacitanserne Cl og C2 er forholdsvis 5 uafhængige af modstandsværdierne af de pågældende modstande ‘ RI og R2.

Som tidligere omtalt kan højfrekvensgangen for en billedrørsdrivforstærker forbedres ved anvendelse af to tilbagekoblingsmodstande i stedet for én. Til almen grafisk 10 illustrering af denne effekt viser figur 2 den omtrentlige høj frekvensgangydeevne for drivforstærkeren ved højfrekvens -3 db punktet ved forskellige kombinationer af tilbagekoblingsmodstandens værdier. For enkelthedens skyld antages anvendelse af 1/4 watt modstande med en tilhørende parasit-15 kapacitans på 0,02.picofarad og der ses bort fra andre spredningskapacitanseffekter.

I fig. 2 betegner den vandrette akse et forhold K i området fra 0,01 til 100 mellem værdierne af tilbagekoblingsmodstandene. Den lodrette akse betegner et normalise-20 ret forstærkerhøj frekvenssvar i forhold til en højfrekvensreference "f" (eksempelvis på omtrent 4 MHz). Et største højfrekvenssvar (svarende til den øvre frekvensgrænse ved -3db punktet) på mellem 1,75 f og 2f hører til et modstandsforhold K = 1 svarende til to ens værdier for tilbagekob-25 lingsmodstandene, eksempelvis to 1/4 watt, 82 kiloohm modstande.Et mindste højfrekvenssvar hører til modstandsforhold i nærheden af K = 0,01 og K = 100). Denne tilstand svarer til anvendelsen af en enkelt tilbagekoblingsmodstand på 160 kiloohm.

30 Et forbedret højfrekvenssvar kan således opnås ved anvendelse af to tilbagekoblingsmodstande i stedet for én, navnlig når værdierne af disse modstande har et forhold mellem 1:10 (K = 0,1) og 10:1 (K = 10) . Eksempelvis kan en øvre frekvensgrænse på l,35f (eksempelvis 5,4 MHz i for-35 hold til en referencefrekvens f på 4 MHz) forventes, når de to tilbagekoblingsmodstande har værdier svarende til et forhold på K = 0,25.

DK 164429B

7

O

Det har imidlertid vist sig, at når der anvendes to tilbagekoblingsmodstande med ens værdi for at opnå størst højfrekvenssvar for forstærkeren, fremkommer "ringning" af forstærkerudgangssignalet som angivet med 5 kurveform A i fig. 3. Kurveform A svarer til udgangssignalet .* fra billedrørsdrivforstærkeren frembragt som svar på et forstærkerindgangssignal, der er vist med punkteret streg. Indgangssignalet og et tilsvarende udgangssignal A omfatter en højde hævet amplitudeovergang fra sort til hvidt niveau, io idet højdehævningen er tilvejebragt ved hjælp af signalkomponenter med forsving ("pre-shoot") og oversving. Til udgangssignalet A' s hvidniveau er knyttet en uønsket ringningskomponent, som forringer kvaliteten og detailjerne i et i svar på udgangssignal A gengivet billede. Der er ble-15 vet iagttaget ringningskomponenter med store amplituder omfattende 40% af videosignalamplitudeovergangen fra sort niveau til hvidt niveau.

Billedrørsdrivforstærkerens højfrekvenssvar kan formindskes fra den størst mulige højfrekvensgrænse (2f i 20 fig. 2) ved at ændre modstandsforholdet mellem tilbagekoblingsmodstandene. Det har imidlertid vist sig, at ringningsproblemet ikke løses, når den mindste modstand på 33 kiloohm er anbragt nærmest ved forstærkerudgangen. Når nærmere bestemt en 1/4 watt modstand på 33 kiloohm blev valgt til tiJ-25 bagekoblingsmodstanden RI i fig. 1, og en 1/2 watt modstand på 130 kiloohm blev valgt til modstandaiR2 fandtes en ringningskomponent med en amplitude på omtrent 25% af videosignalovergangen.

Det har imidlertid vist sig, at amplituden af 30 ringningskomponenten formindskes betydeligt, når den større modstand er anbragt nærmest ved forstærkerudgangen, dvs. når den i fig. 1 viste modstand RI svarer til modstanden på 130 kiloohm. I dette tilfælde viste det sig at ringningskomponenten havde en ubetydelig amplitude på mindre end 10% 35 af videosignalovergangen fra sort niveau til hvidt niveau som angivet ved kurveform B i fig. 3.

8

DK 164429 B

O

I forbindelse med ovenstående bemærkes, at drivforstærkerens signalforstærkning er bestemt ved hjælp af følgende udtryk i det komplekse frekvens - (eller "S")-plan: 5 1_ * -1 Cl + C2 + C3 S + Rn (Cl + C2 + C3) RIN Cl C2 (S + RlCl) (S + Ι2δ2} hvor 10 RIN er den indgangsimpedans indgangstransistoren 20 ser ind i, RI henholdsvis R2 svarer til modstandsværdierne af modstandene RI og R2,

Cl, C2 henholdsvis C3 svarer til værdierne af 15 kapacitanserne Cl, C2 og C3,

Rp svarer til parallelforbindelsen af modstandene RI og R2, og S svarer til j2hf, hvor "f" er frekvensen.

I dette udtryk definerer leddene 20 S + RlCl °g S + R2C2 hver en særskilt frekvenspol, hvorfra frekvenssvaret aftager med -6db/octav.

Udtrykket 25 5 + _1. - 6 R (Cl + C2 + C3)

P

definerer en enkelt "nul" frekvensbeliggenhed, hvorfra frekvenssvaret vokser med +6db/octav. Frekvenspolleddet 30 forårsager således en forringelse af forstærkerens højfrekvenssvar. "Nul" frekvensleddet forøger derimod forstærkerens højfrekvenssvar og hjælper med til at forøge forstærkerens båndbredde.

For givne beliggenheder af frekvenspolen vil for-35 mindskelse af "nul" frekvensen forøge forstærkerens båndbredde og højfrekvensgrænsen ved -3db punktet. Dvs., at det voksende "nul" frekvenssvar sker tidligere, og for-

O

9

DK 164429B

stærkerens frekvensgang begynder at forøges tidligere (dvs. ved en lavere frekvens). Tilstanden med en størst mulig båndbredde og højfrekvensgrænse ved -3db punktet indtræffer, når der anvendes tilbagekoblingsmodstande med ens 5 modstandsværdi for i dette tilfælde er Hp størst mulig og .* den tilhørende "nul" frekvens er mindst mulig.

Forstærkerens højfrekvenssvar kan formindskes ved, at lade det voksende "nul" frekvenssvar virke senere (dvs. ved en forholdsvis højere frekvens). Denne virkning kan 10 frembringes ved at vælge modstandene RI og R2 med indbyrdes forskellige modstandsværdier, således at "nul" frekvensen i ovenstående udtryk forøges. I dette tilfælde er R ikke

Jr længere størst mulig, eftersom modstandsværdien af parallelforbindelsen RI og R2 bliver stadigt mindre, når disse -i5 modstandes modstandsværdi bevæger sig bort fra hinanden.

Det er ikke tilstrækkeligt at eliminere det tidligere beskrevne signalringningsproblem ved helt enkelt at reducere forstærkerens højfrekvensgrænse på denne måde. Dette gælder især, når samvirken af det voksende "nul" frekvenssvar 20 og det aftagende frekvenspolsvar frembringer en spids i højfrekvensdelen af frekvensspektret (eksempelvis en spids mellem 3-4 MHz).

Dersom tilbagekoblingsmodstanden med den største værdi (RI) anbringes nærmest ved forstærkerudgangen, frem-25 bringes en frekvenspol i nærheden af forstærkerens ønskede øvre frekvensområde (3-5 MHz). Følgelig forskyder en sådan opstilling den til det voksende "nul" frekvenssvar hørende spidseeqenskab med en værdi, som er tilstrækkeligt til at bevirke en betydelig reduktion af ringningskomponentens am-30 plitude.

Det har vist sig, at en billedrørsdrivforstærker af den i fig. 1 viste art med modstande RI og R2 på 100 kiloohm henholdsvis 33 kiloohm, havde en båndbredde på 5,5 MHz som nævnt uden nogen betydende udgangssignalringningskompo-35 nent. Modstandsforhold på K * 0,14 (for RI = 139 kiloohm og R2 = 20 kiloohm) til K = 0,43 (for RI = 110 kiloohm og R2 = 47 kiloohm) vise sig at tilvejebringe en forbedret o 10

DK 164429 B

forstærkerbåndbredde og et forbedret højfrekvenssvar uden at indføre uacceptable mængder signalringning. Forholdet K = 0,14 frembragte mindre ringning, men en del mindre båndbredde sammenlignet med det valgte foretrukne modstands-5 forhold på K = 0,25, mens forholdet K = 0,43 frembragte større båndbredde med en del mere signalringning.

10 15 20 i 25 1 35

Claims (8)

1. Videosignalbehandlingsanlæg med en videosignalkilde (10), som tilfører videosignaler over en indgangssignalvej til et drivforstærkertrin, som over en signaludgang styrer 5 et billedgengivende organ (35), med en modkoblingsvej (50), som er forbundet fra forstærkerudgangen (KOLLEKTOR 22) til indgangssignalvejen (BASIS 20), hvilken modkoblingsvej (50) indbefatter et antal serieforbundne modstande (R1,R2) med indbyrdes forskellige modstandsværdier, kendeteg-10 net ved, at den samlede modstandsværdi i rækken af serieforbundne modstande er fordelt på de enkelte modstande (R1,R2) i rækken i et sådant forhold, at der opnås minimale oversvingninger, og at den modstand i den seriefgrbundne række af modstande, som har den største modstandsværdi, er 15 forbundet nærmest ved forstærkerudgangen.

2. Forstærkertrin ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den ene (RI) af antallet af modstande, der har den største værdi, er anbragt nærmest ved forstærkerudgangen (KOLLEKTOR 22).

3. Forstærkertrin ifølge krav 1 eller 2, ken detegnet ved, at modkoblingsvejen (50) omfatter en første modstand (RI) og en anden modstand (R2) med mindre modstandsværdi sammenlignet med modstandsværdien af den første modstand, hvilke første og anden modstand er seriefor-25 bundne fra forstærkerudgangen til indgangssignalvejen på en sådan måde, at den første modstand er anbragt nærmest ved forstærkerudgangen.

4. Forstærkertrin ifølge krav 3, kendetegne t ved, at forholdet mellem modstandsværdien af den 30 første modstand (RI) og modstandsværdien af den anden modstand (R2) ligger i et område mellem 2:1 og 10:1.

5. Forstærkertrin ifølge krav 1-4, kendetegnet ved, at forstærkerindgangen (BASIS 20) repræsenterer et virtuelt jordpunkt.

6. Forstærkertrin ifølge krav 1-5, kendete g- DK 164429 B O net ved, at modstandene (R1,R2) indbefatter kulfilmmod-stande.

7. Forstærkertrin ifølge krav 1, kendetegnet ved, at forstærkertrinnet omfatter en kaskodeforstær- 5 ker af den art, der omfatter: * en første transistor (20) med en første elek trode (BASIS), en anden elektrode (EMITTER) og en tredie elektrode (KOLLEKTOR), som fastlægger en hovedstrømledningsvej i den første transistor, 10 en anden transistor (22) med en første elektrode (BASIS), en anden elektrode (EMITTER) og en tredie elektrode (KOLLEKTOR), som fastlægger en hovedstrømvej for den anden transistor, hvilke hovedstrømveje i den første og anden transistor er serieforbundne, 15 organer (12) til at føre videosignaler, der skal forstærkes, til den første elektrode i den første transistor, organer til tilførsel af en forspændingsjævnspænding til den første elektrode i den anden transistor, 20 organer til afledning af forstærkede videosig naler fra den tredie elektrode i den anden transistor, og organer til at forbinde modkoblingsvejen fra den tredie elektrode i den anden transistor til den første elektrode i den første transistor, idet modstanden med 25 den største modstandsværdi (RI) er anbragt nærmest ved den tredie elektrode i den anden transistor.

8. Forstærkertrin ifølge krav 7, kendetegne t ved, at: den første, anden henholdsvis tredie elektrode 30 svarer til basiselektrode, emitterelektrode henholdsvis kollektorelektrode, og at basiselektroden i den første transistor (20) repræsenterer et virtuelt jordpunkt. 35