NL193336C - Videosignaalverwerkingsinrichting. - Google Patents

Description

1 193336

Videosignaalverwerkingsinrichting

De uitvinding heeft betrekking op een videosignaalverwerkingsinrichting, omvattende een videosignaalbron voor het toevoeren van videosignalen via een ingangssignaalkoppelbaan aan een aandrijfversterkertrap, die 5 via een versterkeruitgang een beeldweergeefinrichting aandrijft, waarbij een degeneratieve terugkoppelbaan vanaf de versterkeruitgang is gekoppeld met de ingangssignaalkoppelbaan en een aantal serie-gekoppelde weerstanden met verschillende waarden omvat.

Een dergelijke video-aandrijfversterker die een terugkoppelnetwerk bevat, is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 3.823.264.

10 Hierin is sprake van een video-uitgangsversterker, die gebruik maakt van twee transistoren, die zijn opgesteld in een cascode-configuratie voor het aandrijven van de kathode van een kleurentelevisie-kinescoop. Een negatief terugkoppelnetwerk koppelt de collector van de uitgangstransistor van de cascode-configuratie met de basis van de ingangstransistor van het paar, en omvat een boogstroom-begrenzingsweerstand die de uitgangstransistor in serie koppelt met de kinescoop-kathode. De boogstroom-15 begrenzingsweerstand heeft een betrekkelijk lage waarde, vergeleken met de terugkoppel- versterkingsbepalende weerstand en werkt samen met de collector van de versterkeruitgangstransistor om een laagdoorlaatfilter te vormen voor elke spanningsboog, die kan optreden aan de kathode van de kinescoop, waardoor de uitgangstransistor tegen dergelijke bogen wordt beschermd.

Het nadeel van een dergelijke inrichting is dat de hoogfrequentieresponsie van een aandrijfversterker 20 echter nadelig beïnvloed wordt door de effecten van parasitaire capaciteiten. Voorts is gebleken dat een betere hoogfrequentieresponsie kan worden verkregen door het gebruik van een aantal versterkings-bepalende terugkoppelweerstanden in plaats van een enkele weerstand met een betrekkelijk hoge waarde.

Er is echter gebleken dat op deze wijze ongewenste eigenschappen zoals ’’oscillatie” ("ringing”) kunnen optreden, die samenhangen met amplitudeovergangen van het versterkte signaal. Het visuele effect van een 25 dergelijke signaaloscillatie in een weergegeven beeld lijkt op een echo- of streepeffect langs de randen van de beeldovergangen.

Het is nu een doel van de onderhavige uitvinding om deze bezwaren te overwinnen en te voorzien in een aandrijfversterker met goede hoogfrequentieresponsie en met minimale oscillatie-effecten.

De inrichting volgens de uitvinding wordt daartoe gekenmerkt, doordat de totale weerstand van de 30 seriekoppeling voor de afzonderlijke serieweerstanden is onderverdeeld in een verhouding, die een minimum "oscillatie” ("ringing”) geeft; en dat de serieweerstand met de grootste waarde zich het dichtst bij de versterkeruitgang bevindt.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: 35 figuur 1 een gedeelte van een televisie-ontvanger met een kinescoop aandrijfversterker voorzien van een bijbehorend terugkoppelweerstandsnetwerk volgens de uitvinding; figuur 2 een diagram ter illustratie van een aspect van een versterker volgens de uitvinding; en figuur 3 signaalgolfvormen, welke bijdragen tot een juist begrip omtrent de responsie van een versterker volgens de uitvinding.

40

In figuur 1 worden videosignalen uit een bron 10 aan een kinescoopaandrijfversterker toegevoerd via een ingangssignaalbaan, welke een ingangssignaalkoppelnetwerk 12 omvat. De kinescoopaandrijfversterker omvat een cascodeversterker met transistoren 20 en 22. De ingangsversterker transistor 20 is uitgevoerd als een versterkertrap met gemeenschappelijke emitter en de uitgangsversterkertransistor 22 is uitgevoerd 45 als een versterkertrap met gemeenschappelijke basis. Versterkte videosignalen worden opgewekt over een belastingsweerstand 24 (b.v. 12 kilohm in de collectoruitgangsketen van de transistor 22, en worden aan een kathode-beeldintensiteitsbesturingselektrode 30 van een beeld weergevend kinescoop 35 toegevoerd via een uitgangssignaalbaan, welke een stroom begrenzingsweerstand 38 (t.b. 2,2 kilohm) bevat. De weerstand 38 dient als een beveiligingsinrichting om te beletten, dat de kinescoop aandrijfversterker wordt 50 beschadigd door hoogspanningsovergangsverschijnselen, welke optreden door boogtrekking in de kinescoop. Een bedrijfsvoedingsspanning voor de kinescoopaandrijftrap wordt geleverd door een gelijk-spanningsbron B+ (bijvoorbeeld +230 volt). In het geval van een kleurentelevisieontvanger, zouden drie kinescoopaandrijfversterkers nodig zijn om respectievelijk rode, groene en blauwe kleurbeeld representatieve videosignalen aan bijbehorende kathoden van de kleurkinescoop toe te voegen. De door de kinescoop 55 aandrijfinrichtingen 20, 22 versterkte videosignalen, als afgenomen uit een samengesteld uitgezonden televisiesignaal, omvat een frequentiebandbreedte van 0 Hz tot bij benadering 4 MHz.

De degeneratieve terugkoppeling voor de kinescoop aandrijfversterker wordt verkregen door middel van 193336 2 een resistief netwerk 50, dat voorzien is van weerstanden R1 en R2, welke in serie zijn gekoppeld tussen de videosignaalcollectoruitgang van de transistor 22 en de videosignaalingangskoppelbaan bij de basisingang van transistor 20. De basisingang van transistor 20 vormt een virtueel aardpunt, d.w.z. dat de rustbasis potentiaal van de transistor 20 overeenkomt met een betrekkelijk kleine, constante potentiaal, 5 gelijk aan de som van de aardpotentiaal op de emitter van transistor 20 en de in hoofdzaak constante basis-emitter junctie verschuivingsspanning van +0,7 volt van de transistor 20.

De signaalversterking van versterker 20, 22 wordt bepaald door de verhouding van de som van de waarden van terugkoppelweerstanden R1 en R2 en de waarde van de ingangsimpedantie (van b.v.

3 kilohm) welke door het ingangskoppelnetwerk 12 aan de ingang van de versterker transistor 20 wordt 10 aangeboden. De waarde van deze ingangsimpedantie, welke een uitgangsbelasting van de signaalbron 10 vormt, dient zo groot te zijn, dat belet wordt dat de uitgangsketens van de bron 10 excessieve stromen voeren met een daarmede gepaard gaande excessieve energiedissipatie. Deze overweging is van bijzonder belang wanneer de videosignaalbron 10 overeenkomt met een geïntegreerde keteninrichting, aangezien een excessieve stroomgeleiding en energiedissipatie schadelijk is en kan leiden tot potentieel destructieve 15 thermische belastingen in een geïntegreerde keteninrichting. Bij dit voorbeeld is de terugkoppeiweerstand, bepaald door de som van de waarden van de weerstanden R1 en R2, van de orde van 160 kilohm, waardoor men een versterkersignaal spanningsversterking van bij benadering 54 verkrijgt. Relatieve grotere waarden van terugkoppeiweerstand dragen voorts op gunstige wijze bij tot het reduceren van het energieverbruik van de aandrijfversterker.

20 De gewenste versterkersignaalversterking kan ook worden verkregen door gebruik te maken van een enkele terugkoppeiweerstand (b.v. een koolfilminrichting van 160 kilohm en 0,5 watt) in plaats van de weerstanden R1 en R2. Het is evenwel gebleken, dat men een aanmerkelijk vergrote hoogfrequentie-responsie van de versterker verkrijgt, wanneer meer (b.v. twee) weerstanden worden gebruikt ter vervanging van de enkele terugkoppeiweerstand. In het geval van een terugkoppel netwerk met enkelvoudige weerstand 25 zijn de parasitaire capaciteiten meer in staat tot het op ongewenste wijze beperken van de hoogfrequentie-responsie van de versterker. De grotere hoogfrequentieresponsie, welke een gevolg is van het gebruik van meer terugkoppelweerstanden kan evenwel gepaard gaan met ongewenste eigenschappen, zoals ’’oscilleren”, dat zich voordoet bij amplitudeovergangen in het versterkte signaal. In vele videosignaalverwer-kingstoepassingen is een grote bandbreedte gewenst aangezien hierdoor een grotere definitie van het 30 weergegeven videobeeld wordt bevorderd. Het ’’oscilleren”, dat zich kan voordoen bij een breedband-versterkerstelsel degradeert op een ongewenste wijze de anders goede beeldendefinitie, welke door breedbandsignaalverwerking wordt verkregen. Het zichtbare effect van een dergelijke signaalosciNatie in een weergegeven beeld komt overeen met een "geest"- of ”strook”-effect langs de randen van beeldovergangen.

35 De weerstanden R1 en R2 van terugkoppelnetwerk 50 zijn opgesteld op een wijze, welke leidt tot een significante verbetering in de hoogfrequentieresponsie van de kinescoopaandrijfversterker 20, 22 en waarbij de beeldvervormingseffecten van oscilleren in het versterkeruitgangssignaal in wezen worden geëlimineerd. Dit geschiedt door gebruik te maken van een paar terugkoppelweerstanden R1 en R2 van verschillende waarden en door de weerstand met de grootste waarde (R1) het dichtstbij de uitgangsketen van de 40 uitgangstransistor 22 op te stellen. Bij deze uitvoeringsvorm komt de weerstand R1 overeen met een koolfilminrichting van 0,5 watt met een waarde van 130 kilohm en komt de weerstand R2 overeen met een koolfilminrichting van 0,25 watt met een waarde van 33 kilohm.

Thans zal een toelichting worden gegeven ten aanzien van de wijze waarop het bovengenoemde resultaat wordt verkregen.

45 Parasitaire capaciteiten van verschillende typen beïnvloeden de frequentieresponsie van het terugkoppelnetwerk 50. Tot de meer significante van deze parasitaire capaciteiten behoren C1, C2 en C3, als aangegeven in figuur 1. De capaciteit C1 omvat de parasitaire capaciteit behorende bij de weerstand R1 zelf (bij benadering 0,3 pF voor een inrichting van 0,5 watt), tezamen met eventuele lekverbindings- en bedradingscapaciteiten, welke kunnen optreden tussen ketenaansluitingen bij de collector van de transistor 50 22 en ketenaansluitingen bij het verbindingspunt van de weerstanden R1 en R2. De capaciteit C2 omvat de parasitaire capaciteit behorende bij de weerstand R2 zelf (bij benadering 0,2 pF voor een inrichting van 0,25 watt), tezamen met eventuele bijbehorende rekaansluit- en bedradingscapaciteiten. De capaciteit C3 omvat een parasitaire capaciteit van haar aarde behorende bij de ketenverbindingen in het verbindingspunt van de weerstanden R1 en R2. De waarden van deze parasitaire capaciteiten worden bijvoorbeeld beïnvloed door 55 het gebruikte type ketenverbindingen en door het ketenontwerp (b.v. ten aanzien van punten met aardpotentiaal, en de fysische nabijheid van ketenelementen).

De waarden van dergelijke parasitaire capaciteiten kunnen in vele gevallen moeilijk nauwkeurig worden 3 193336 bepaald of gemeten doch kunnen soms met een acceptabele nauwkeurigheid worden geschat. Bij dit voorbeeld is de capaciteit C1 aanmerkelijk groter dan de capaciteit C2 omdat de weerstand R2 een grotere inrichting van 0,5 watt is vergeleken met de weerstand R2 van 0,25 watt en omdat een grote parasitaire capaciteit bij de collector van de uitgangstransistor 22 optreedt. In het laatste geval wordt er op gewezen, 5 dat de versterkerbelasting 24 meer in het bijzonder een weerstand met een betrekkelijk groot vermogen (b.v. 2 watt of meer) is met op een overeenkomstige wijze gedimensioneerde verbindingsonderdelen, welke kunnen zijn voorzien van organen om de weerstand 24 boven een bijbehorend gedrukt ketenpaneel te ondersteunen voor een betere warmtedissipatie. Dergelijke verbindingsonderdelen dragen een belangrijke component bij aan de parasitaire capaciteit C1. Ook is een factor hier de wijze waarop de collector van de 10 transistor 22 en de weerstanden 24, 38 en R1 met elkaar zijn verbonden en opgesteld. Het is verder gebleken, dat de waarden van de capaciteiten C1 en C2 relatief onafhankelijk zijn van de weerstands-waarden van de respectieve weerstanden R1 en R2.

Zoals reeds is vermeld, kan de hoogfrequentieresponsie van een kinescoopaandrijverversterker worden verbeterd door twee terugkoppelweerstanden in plaats van één terugkoppelweerstand te gebruiken. Om dit 15 effect in een algemene zin grafisch te illustreren toont figuur 2 het benaderde hoogfrequentieresponsie-vermogen van de aandrijfversterker bij het hoogfrequente punt van -3db voor verschillende combinaties van terugkoppelweerstandswaarden. Tenwille van de eenvoud is aangenomen, dat weerstanden van 0,25 watt met een bijbehorende parasitaire capaciteit van 0,2 picofarad aanwezig zijn en zijn andere lekcapaciteit-effecten verwaarloosd.

20 In figuur 2 geeft de horizontale as een verhouding K, variërend van 0,01 tot 100 aan tussen de waarden van de terugkoppelweerstanden. De verticale as geeft een genormaliseerde hoogfrequentieresponsie van de versterker ten opzichte van een hoogfrequente referentie ”f” (b.v. van de orde van 4 MHz) aan. Een maximale hoogfrequentieresponsie (overeenkomende met de bovenste frequentiegrens bij het punt van -3db) gelegen tussen 1,75f en 2f behoort bij een weerstandsverhouding K = 1, overeenkomende met twee 25 terugkoppelweerstanden met gelijke waarde, b.v. twee inrichtingen van 0,25 watt, 82 kilohm. Een minimale hoogfrequentieresponsie behoort bij weerstandsverhoudingen in de buurt van K = 0,01 en K = 100. Deze toestand komt overeen met het gebruik van een enkele terugkoppelweerstand van 160 kilohm.

Derhalve kan een verbeterde hoogfrequentieresponsie worden verkregen door twee terugkoppelweerstanden in plaats van één terugkoppelweerstand te gebruiken, meer in het bijzonder wanneer de 30 waarden van deze weerstanden een verhouding bezitten welke is gelegen tussen 1:10 (K = 0,1) en 10:1 (K = 10). Ter illustratie kan in een algemene zin een bovenste frequentiegrens van 1,35f (bijvoorbeeld 5,4 MHz ten opzichte van een referentie frequentie f van 4 MHz) worden verwacht wanneer de twee terugkoppelweerstanden waarden bezitten, welke overeenkomen met een verhouding van K = 0,25.

Het is evenwel gebleken, dat wanneer twee terugkoppelweerstanden met gelijke waarde worden gebruikt 35 voor het verkrijgen van een maximale hoogfrequentieresponsie van de versterker ’’oscilleren” van het versterkte uitgangssignaal optreedt, aangegeven door de golfvorm A in figuur 3. De golfvorm A komt overeen met het uitgangssignaal van de kinescoop aandrijfversterker, welk signaal wordt opgewekt in responsie op een versterkeringangssignaal, dat met een stippellijn is aangegeven. Het ingangssignaal en het overeenkomstige uitgangssignaal A bezitten een zwart-wit-piekniveau amplitudeovergang, waarbij de 40 piekwerking wordt veroorzaakt door voorschiet- en doorschietsignaalcomponenten. Bij het witte niveau van het uitgangssignaal A treedt ongewenste oscillatiecomponent op, die de kwaliteit en detail van een beeld dat in responsie op het uitgangssignaal A wordt weergegeven, degradeert. Oscillatiecomponenten met grote amplituden, die 40% van de videosignaalamplitudeovergang van zwart niveau naar wit niveau omvatten, zijn waargenomen.

45 De hoogfrequentieresponsie van de kinescoopaandrijfversterker kan ten opzichte van de maximale hoogfrequentiegrens (2f in figuur 2) worden gereduceerd door de weerstandsverhouding K tussen de terugkoppelweerstanden te wijzigen. Het is evenwel gebleken, dat het oscillatieprobleem niet wordt opgelost wanneer de kleinste weerstand van 33 kilohm zich het dichtst bij de uitgang van de versterker bevindt. Meer in het bijzonder is wanneer een weerstand van 33 kilohm en 0,25 watt wordt gekozen voor de terugkoppel-50 weerstand R1 in figuur 1 en een weerstand van 130 kilohm en 0,5 watt wordt gekozen voor de weerstand R2, een oscillatiecomponent met een amplitude van bij benadering 25% van het videosignaalovergang aanwezig is.

Het is evenwel gebleken, dat de amplitude van de oscillatiecomponent op een significante wijze wordt gereduceerd wanneer de grootste weerstand zich het dichtst bij de uitgang van de versterker bevindt, d.w.z. 55 wanneer R1, aangegeven in figuur 1, overeenkomt met de weerstand van 130 kilohm. In een dergelijk geval blijkt de oscillatiecomponent een verwaarloosbare amplitude van minder dan 10% van de videosignaalovergang van zwart niveau naar wit niveau te vertonen, zoals aangegeven door de golfvorm B in figuur 3.

193336 4

In verband met het bovenstaande wordt opgemerkt, dat de signaalversterking van de aandrijfversterker kan worden gedefinieerd door de volgende uitdrukking in het complexe frequentie-(of ”S"-)vlak: -1 C1 + C2 + C3 s + Rp (C1 + C2 + C3) 5 RIN C1C2 (s + rïWhs + ^) waarbij R1N de ingangsimpedantie is die aan de ingangstransistor 20 wordt aangeboden; 10 R1, R2 respectievelijk overeenkomend met de waarden van de weerstanden R1 en R2; C1, C2, C3 respectievelijk komen met de waarden van de capaciteiten C1, C2 en C3 overeen;

Rp overeenkomt met de parallelcombinatie van de weerstanden R1 en R2; en S overeenkomt met j2πf waarbij ”f” overeenkomt met de frequentie.

In deze uitdrukking bepalen de termen 15 ~ 1 - 1 b + R1C1 e ö R2C2 elk een afzonderlijke ’’pool” frequentieplaats van waaruit de frequentieresponsie met -6db/octaaf afneemt. De uitdrukking 20 s + !_1_

Rp (C1 + C2 + C3) bepaalt een enkele ”nul”-frequentieplaats van waaruit de frequentieresponsie met +6db/octaaf toeneemt. Derhalve veroorzaken de ”pool”-frequentietermen een degradatie van de hoogfrequentieresponsie van de 25 versterker. In tegenstelling daarmede verbetert de ”nul”-frequentieterm de hoogfrequentieresponsie van de versterker en draagt deze bij tot het vergroten van de versterkerbandbreedte.

Voor bepaalde poolfrequentieplaatsen wordt door het verlagen van de ”nul”-frequentie de versterkerbandbreedte en de hoogfrequentiegrens bij het punt van -3db vergroot. Dat wil zeggen, dat de toenemende ”nul”-frequentieresponsie sneller effect sorteert en de amplitude-versus-frequentieresponsie van de 30 versterker sneller begint toe te nemen (d.w.z. bij een lagere frequentie). De omstandigheid van een maximale bandbreedte en hoogfrequentiegrens bij het punt van -3db, doet zich voor wanneer gebruik wordt gemaakt van terugkoppelweerstanden met gelijke waarde aangezien in een dergelijk geval Rp maximaal is en de bijbehorende ”nul”-frequentie zich op een minimum bevindt.

De hoogfrequentieresponsie van de versterker kan worden verminderd door er voor te zorgen, dat de 35 toenemende ”nul”-frequentieresponsie later effect sorteert (d.w.z. bij een relatief hogere frequentie). Dit effect kan worden verkregen door de weerstanden R1 en R2 met onderling verschillende waarden zodanig te kiezen, dat de ”nur’-frequentie in de bovenstaande uitdrukking wordt vergroot. In dit geval is Rp niet langer maximaal aangezien de weerstandswaarde van de parallelcombinatie van R1 en R2 steeds kleiner wordt naarmate de waarden van deze weerstanden uit elkaar gaan. Door de hoogfrequentiegrens van de 40 versterker eenvoudig op deze wijze te reduceren is niet voldoende om het eerder beschreven ’’oscillatie-probleem” te elimineren. Dit geldt meer in het bijzonder wanneer door de samenwerking van de toenemende ”nul”-frequentieresponsie en de afnemende ”pool”-frequentieresponsies een piek in het hoog-frequentiegedeelte van het frequentiespectrum optreedt (b.v. een piek tussen 3-4 MHz).

Door de terugkoppelweerstand met de grootste waarde (R1) het dichtst bij de uitgang van de versterker 45 op te stellen verkrijgt men een poolfrequentie in de buurt van het gewenste bovenste frequentiegebied (3-5 MHz) van de versterker. Derhalve reduceert een dergelijke opstelling de piekkarakteristiek, behorende bij de toenemende ”nul”-frequentieresponsie in een mate welke voldoende is om een significante reductie in de amplitude van de oscillatiecomponent te veroorzaken.

Een kinescoopaandrijfversterker van het in figuur 1 afgebeelde type met weerstanden R1 en R2 van 50 respectievelijk 130 kilohm en 33 kilohm, bleek een bandbreedte van bij benadering 5.5 MHz te vertonen zonder praktisch een oscillatiecomponent in het uitgangssignaal, zoals boven is besproken. Weerstands-verhoudingen van K = 0,14 (voor R1 = 139 kilohm en R2 = 20 kilohm) tot K = 0,43 (voor R1 = 110 kilohm en R2 = 47 kilohm) bleken te voorzien in een verbeterde aandrijfversterkerbandbreedte en hoogfrequentieresponsie zonder dat storende hoeveelheden oscillaties optraden. De verhouding K = 0,14 leidde tot minder 55 oscillaties doch een iets kleinere bandbreedte vergeleken met de gekozen voorkeursweerstandsverhouding van K = 0,25, terwijl bij de verhouding K = 0,43 een grotere bandbreedte met iets meer oscillaties werd verkregen.

Claims (4)

5 193336

1. Videosignaalverwerkingsinrichting, omvattende een videosignaalbron voor het toevoeren van videosignalen via een ingangssignaalkoppelbaan aan een aandrijfversterkertrap, die via een versterkeruitgang 5 een beeldweergeefinrichting aandrijft, waarbij een degeneratieve terugkoppelbaan vanaf de versterkeruitgang is gekoppeld met de ingangssignaalkoppelbaan en een aantal serie-gekoppelde weerstanden met verschillende waarden omvat, met het kenmerk, dat de totale weerstand van de seriekoppeling voor de afzonderlijke serieweerstanden (R1, R2) is onderverdeeld in een verhouding, die een minimum ’’oscillatie” (’’ringing”) geeft; en dat de serieweerstand met de grootste waarde zich het dichtst bij de versterkeruitgang 10 bevindt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verhouding tussen de waarde van de eerste weerstand (R1) en de waarde van de tweede weerstand (R2) gelegen is tussen 2:1 en 10:1.

3. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de versterkeringang (BASIS 20) een virtueel aardpunt vormt.

4. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het aantal weerstanden (R1, R2) koolfilmweerstanden omvat. Hierbij 2 bladen tekening