專利名稱：非線性信號處理器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般性地涉及非線性地處理信號的信號處理系統(tǒng)，更具體地說，涉及在部分差分結構中非線性地處理信號的系統(tǒng)。
背景技術：
在信號處理系統(tǒng)中經常需要提供非線性變換功能從而以不同的放大量放大信號動態(tài)范圍的各部分。由于一種或多種原因這種非線性處理經常是需要的。例如，在視頻信號處理系統(tǒng)中，非線性處理可以用來(1)提高顯示的視頻圖像的主觀吸引力，(2)補償攝像機和顯示設備的不同“伽馬”特征，或(3)適應彩色視頻顯示設備的各種光輸出頻道的不同非線性光輸出特征。
視頻信號處理系統(tǒng)的一個公共問題是“噪聲”信號的拾取，原因是(1)雜散靜電場和/或電磁場，(2)系統(tǒng)不同級之間的地電位差以及(3)系統(tǒng)不同級之間的電源電壓差。在非線性處理級中，如果信號的偏置參考與非線性拐點閾值的偏置參考不同，也是成問題的，還會將“噪聲”的一種形式疊加到信號。
為了將級間連接點的雜散靜電和/或電磁拾取減小到最小和/或將由信號處理系統(tǒng)中電路間地電位差導致的地引入噪聲減小到最小，經常是這種情況，即，經常是與雙絞線布線一起使用部分差分信號處理技術。在部分差分信號設備中，一個連接點與時變信號的公模偏置通信，而該時變信號與部分差分對的第二個連接點通信。隨后的信號處理，比如能夠抑制加在部分差分連接點間的公模變量的差分放大器，將被使用。經常是這樣一種情況，即，集成電路視頻放大器中包括信號處理的各部分(比如由東芝公司制造的TDA6120Q CRT驅動器IC)，其中電壓增益由具有外部增益調節(jié)射極負反饋電阻的差分放大器提供。包括這樣的IC并且表現(xiàn)出上述問題的特定信號處理系統(tǒng)應用的一個例子是電視系統(tǒng)中的顯像管驅動器放大器。

發(fā)明內容
本發(fā)明部分地在于認識到了上述問題，以及部分地在于提供了解決問題的非線性信號處理系統(tǒng)。這種系統(tǒng)包括處理器，用于放大部分差分信號，部分差分信號包括時變信號和公模偏置，以及用于抑制加在部分差分信號上的時變公模信號；用于建立代表公模偏置的閾值電平的裝置；用于改變所述處理器增益以響應存在于時變信號和閾值電平之間的預定關系的裝置；以及用于充分地防止時變公模信號修改預定關系的裝置。


通過參考附圖及下面詳細描述，將會更好地理解本發(fā)明，附圖中圖1以電路圖的形式說明差分放大器的一個實施例；圖2以電路圖的形式說明一個信號處理系統(tǒng)，它有兩個增益區(qū)，拐點位于輸入公模偏置點并且第二增益區(qū)的增益高于第一區(qū)的增益；圖3以電路圖的形式說明一個信號處理系統(tǒng)，它有兩個增益區(qū)，拐點低于輸入公模偏置點并且第二增益區(qū)的增益高于第一區(qū)的增益；圖4是說明如圖3所示的系統(tǒng)的典型特征響應的曲線圖。
圖5以電路圖的形式說明一個信號處理系統(tǒng)，它有三個增益區(qū)，兩個拐點都低于輸入公模偏置點并且第二和第三增益區(qū)的增益逐次地高于第一區(qū)的增益；圖6以電路圖的形式說明一個信號處理系統(tǒng)，它有兩個增益區(qū)，拐點高于輸入公模偏置點并且第二增益區(qū)的增益高于第一區(qū)的增益；圖7以電路圖的形式說明一個信號處理系統(tǒng)，它有三個增益區(qū)，拐點分別高于和低于輸入公模偏置點并且第二和第三增益區(qū)的增益逐次地高于第一區(qū)的增益；圖8以電路圖的形式說明一個信號處理系統(tǒng)，它有兩個增益區(qū)，拐點高于輸入公模偏置點并且第二增益區(qū)的增益低于第一區(qū)的增益；圖9以電路圖的形式說明一個信號處理系統(tǒng)，它有三個增益區(qū)，兩個拐點都高于輸入公模偏置點并且第二和第三增益區(qū)的增益逐次地低于第一區(qū)的增益；圖10以電路圖的形式說明一個信號處理系統(tǒng)，它有三個增益區(qū)，拐點分別高于和低于輸入公模偏置點并且第二和第三增益區(qū)的增益逐次地低于第一區(qū)的增益；圖11以電路圖的形式說明一個信號處理系統(tǒng)，它有三個增益區(qū)，拐點分別高于和低于輸入公模偏置點并且第二增益區(qū)的增益高于或第三區(qū)的增益或第一區(qū)的增益；以及圖12以電路圖的形式說明一個信號處理系統(tǒng)，它有三個增益區(qū)，拐點分別高于和低于輸入公模偏置點并且第二增益區(qū)的增益低于或第三區(qū)的增益或第一區(qū)的增益。
附圖中，在一個以上圖中使用同樣的參考標志表明圖中相同的或相似的部件。
具體實施例方式
本發(fā)明在下面包含一個電視信號處理系統(tǒng)的示范實施例的上下文中說明。但是，本發(fā)明可以應用到其它類型的信號處理系統(tǒng)。
信號處理系統(tǒng)比如電視信號處理系統(tǒng)典型地包括用于放大電壓信號、例如，或者解調后的亮度信號或者分量顏色信號的裝置。經常期望為該放大器提供非線性增益特性。如圖1所示，經常是這種情況，即，使用差分放大器10，其中一個到放大器10的輸入12包含期望的時變信號并且另一個輸入14為放大器10提供公模偏置。時變公模分量存在于這兩個輸入信號中的每一個上也是常見的。在圖1的電路中公模偏置14施加到晶體管16的基極，并且時變輸入信號12施加到放大器10中晶體管18的基極。放大器10的增益由電阻20和電阻22的比率確定。在放大器10中包括電流源24和26用以為放大器提供操作電流并提高其公模抑制率。
當期望為如此構造的放大器提供非線性特性時，通常，需要既為放大提供直流(DC)偏置又提供非線性增益電路的途徑。圖2的電路導出了經過緩沖器30的閾值信號28，閾值信號28與公模偏置有預定的關系。閾值信號28包含與公模偏置相關的直流分量并可能包含一些時變公模分量。由圖2中說明的電路產生的閾值信號28可以用來偏置包含晶體管36和次級增益調節(jié)電阻34的非線性網絡32。非線性網絡32構造成使施加到放大器10的輸入端的時變公模信號得到緩沖并且出現(xiàn)在晶體管18的發(fā)射極和晶體管36的基極之間。施加到晶體管16的公模偏置信號14由緩沖器30緩沖并且也出現(xiàn)在晶體管18發(fā)射極和晶體管36基極之間。因為晶體管36的導通由其基極-射極結的前向偏置決定，晶體管36的導通閾值可以由對應于公模偏置14的輸入端12的電平決定。當時變信號12的電平低于閾值信號28時，晶體管36不導通，放大器10的增益由電阻20與電阻22的比率決定。在時變信號12的電平高于閾值信號28的情況政，當晶體管36導通時，放大器10的增益由電阻20與電阻22及34的并聯(lián)的比率決定。
在圖3所示的實施例中，緩沖器30由晶體管38構成的射極跟隨器級實現(xiàn)，該晶體管38驅動包含由電阻42及44和旁路電容46組成的電阻性分壓器的分壓器網絡40。在圖3的實施例中，閾值信號在由電阻42和44的結點組成的分壓點導出。該電路結構允許閾值位于輸入信號動態(tài)范圍內任何電平，該輸入信號動態(tài)范圍低于公模偏置14的值。旁路電容46的存在使時變公模信號無衰減地出現(xiàn)在非線性網絡32的輸入端28。這樣一來可以得到如圖4所示的放大器轉移函數(shù)，其輸入信號有高于預設閾值的相對高一些的增益。注意圖3為紅、綠和藍通道放大器的每一個都說明了不同的轉移函數(shù)。眾所周知，對于每個通道，放大器增益變化以提供非線性處理的點可能在不同的預設電平。因為時變公模信號直接施加在晶體管36基極和晶體管18射極之間，故它不改變晶體管36的導通閾值。非線性拐點參考的第一階溫度補償由晶體管36和38的基極-射極結的結構提供。如果非線性拐點非常接近于輸入公模偏置14的電平，即，電阻42＜＜電阻44，溫度補償將與晶體管36和38之間的熱匹配一樣地好。當電阻42的值相對于電阻44增加時，溫度補償將變得不甚理想，但由于晶體管38基極-射極結變化與晶體管36基極-射極結的變化相當，溫度補償仍將有良好的結果。
圖5說明了一個與圖3所述相似的信號處理系統(tǒng)實施例，但它提供了兩個非線性拐點，兩者都與輸入公模偏置電壓14相同或低于它。在圖5所示的電路中使用了分壓網絡51，網絡51有一個額外的閾值信號52在由電阻44和48組成的分壓點引出。在該實施例中增加旁路電容50以確保未衰減時變公模信號出現(xiàn)在由晶體管58和第二次級增益調節(jié)電阻56組成的非線性網絡54的輸入端52。與圖5相關的三個增益區(qū)發(fā)生在(1)當晶體管36和晶體管58都不導通并且放大器10的增益由電阻20和22的比率決定時，(2)當晶體管58導通并且放大器10的增益由電阻20和電阻22與電阻56的并聯(lián)的比率決定時，以及(3)當晶體管36和58都導通并且放大器10的增益由電阻20和電阻22、34及56的并聯(lián)的比率決定時。
圖6中的實施例提供了與圖3中所示電路相似的性能，但它有一個高于輸入公模偏置電壓的非線性拐點。在圖6的電路中，分壓網絡40參考至正電源電壓并且添加了射極負載電阻60從而為晶體管38和分壓網絡40提供偏置電流。兩個增益區(qū)的增益與圖3中的說明的電路有相同的特征。
圖7的實施例將為增加的輸入信號電平提供兩個逐次增加的增益區(qū)，該增益區(qū)與圖5中說明的電路有相同的特征。圖7電路中的拐點分別高于和低于輸入公模偏置電平，低拐點由閾值信號28決定并且高拐點由閾值52決定，閾值信號52由包含電阻64和68的一個額外分壓網絡62的分壓點決定。這里同樣添加旁路電容70以確保未衰減時變公模變化出現(xiàn)在非線性網絡54的輸入端52。
在圖8中說明的信號處理系統(tǒng)實施例將提供一個非線性特性的系統(tǒng)，它有單獨一個高于輸入公模電壓的電平的拐點。在這種情況下，使用包含NPN晶體管76的非線性網絡72，并且緩沖器30使用PNP晶體管70從而為非線性網絡72提供閾值信號28。操作與前面的例子相似除了晶體管76的導通偏置設置為輸入時變信號電壓的較低電平，從而為放大器10提供由電阻20和電阻22與74的并聯(lián)的比率決定的增益。在輸入信號增加到高于由分壓網絡40設置的閾值28時，晶體管76截止并且放大器10的增益由電阻20和22的比率決定。如此就決定了其輸入信號增益減小但高于一個閾值的非線性特性，該閾值高于輸入公模偏置電平或與之相等。
以與上述實施例相似的方式，圖9中說明的實施例提供了兩個逐次減小的增益區(qū)，該兩個增益區(qū)都發(fā)生在高于輸入公模偏置電壓的電平。對于時變電壓輸入的最低值，晶體管76和82都導通并且放大器10的增益由電阻20和電阻22、74及80的并聯(lián)的比率決定。當時變信號12高于閾值信號28時，晶體管76變得不導通并且放大器10的增益由電阻20和電阻22與80的并聯(lián)的比率決定。然而當時變信號12處于更高的由閾值52決定的電平時，晶體管82變得不導通并且放大器10的增益由電阻20和22的比率決定。
在圖10中說明的實施例提供兩個逐次減小的增益區(qū)，一個開始低于并且一個開始高于輸入公模偏置電平，它們分別由閾值信號28和52決定；另外圖11的實施例提供一個由閾值信號28決定的拐點，該閾值信號28低于輸入公模偏置電壓并且提供從相對低的增益區(qū)到相對高的增益區(qū)的轉換，然后提供第二個由閾值信號52決定的拐點，該閾值信號52高于輸入公模偏置電壓并且提供從相對高的增益區(qū)到相對低的增益區(qū)的轉換。
圖12中說明的實施例提供一個由閾值信號52決定的拐點，該閾值信號52低于輸入公模偏置電壓并且通過使晶體管76變得不導通提供從第一增益區(qū)到相對低的增益區(qū)的轉換，然后提供第二個由閾值信號28決定的拐點，該閾值信號28高于輸入公模偏置電壓并且提供到相對高的增益區(qū)的轉換，該較高增益由晶體管36的導通決定。第一和第三區(qū)中的增益可以獨立地分別由電阻74和34的值設置。如所有其它示例實施例中說明的，通過為緩沖器及其對應的非線性晶體管使用PNP/NPN對，可以為每個非線性拐點維持最佳溫度跟蹤。
如這里所描述的，體現(xiàn)本發(fā)明原理的信號處理系統(tǒng)提供了用于級間通信的部分差分信令信號處理，其后為對信號的微分放大處理，該處理包括用于生成所述非線性特征的裝置。通過使用用于信號放大和非線性閾值確定的公共偏置，消除了許多噪聲源。對半導體類型和電路結構的選擇有助于大量減小或消除非線性閾值的溫度相關變化。并且，非線性拐點參考跟蹤在其上有視頻信號偏置的公模分量。這些系統(tǒng)還為以下項目提供一階溫度補償引出的拐點參考、由于時變公模放大器輸入信號而對這些拐點參考變化的消除、以及具有不同的電壓增益量的信號動態(tài)范圍的一個或多個區(qū)域。
盡管已經提供了對包含一個或兩個非線性拐點的電路的明確說明，仍應明白所述概念可以擴展到提供任何數(shù)量的含拐點的增加了的和減小了的增益區(qū)，該拐點可以位于輸入信號動態(tài)范圍的任何地方。并且，盡管是在電視信號處理系統(tǒng)的上下文中進行說明，本領域的技術人員仍需明白所述本發(fā)明的原理適用于其它包括非線性處理的信號處理系統(tǒng)。
權利要求
1.一種非線性處理器，包括處理器，用于放大部分差分信號，所述部分差分信號包括時變信號和公模偏置，以及用于抑制加在所述部分差分信號上的時變公模信號；用于建立代表所述公模偏置的閾值電平的裝置；用于改變所述處理器的增益以響應存在于所述時變信號和所述閾值電平之間的預定關系的裝置；以及用于充分地阻止所述時變公模信號修改所述預定關系的裝置。
2.如權利要求1所述的非線性處理器，其中使用用于改變增益的兩個或多個所述裝置并且從第一區(qū)增益到增益相對較高的增益區(qū)產生增益改變。
3.如權利要求1所述的非線性處理器，其中使用用于改變增益的兩個或多個所述裝置并且從第一區(qū)增益到增益相對較低的增益區(qū)產生增益改變。
4.如權利要求1所述的非線性處理器，其中使用用于改變增益的三個或多個所述裝置并且從第一區(qū)增益到增益相對較低的第二區(qū)再到比所述第二區(qū)增益相對較高的第三區(qū)產生增益改變。
5.如權利要求1所述的非線性處理器，其中使用用于改變增益的三個或多個所述裝置并且從第一區(qū)增益到增益相對較高的第二區(qū)再到比所述第二區(qū)增益相對較低的第三區(qū)產生增益改變。
6.如權利要求1、2、3、4或5所述的非線性處理器，其中所述閾值代表衰減后并且直流轉換后的所述公模偏置。
7.如權利要求6所述的非線性處理器，其中將一個或多個所述閾值處理成低于所述公模偏置的值。
8.如權利要求6所述的非線性處理器，其中將一個或多個所述閾值處理成高于所述公模偏置的值。
9.一種用于非線性地處理信號的方法，包括以下步驟處理部分差分信號，該信號包括時變信號和所述部分差分信號的公模偏置，所述處理抑制施加在所述部分差分信號上的時變公模信號；引出代表所述公模偏置的閾值；非線性地改變對所述部分差分信號的所述處理以響應存在于所述時變信號和所述閾值電平之間的預定關系；以及防止對所述預定關系的改變以響應所述時變公模信號。
10.一種用于非線性地放大電子信號的裝置，包括第一輸入，輸入到第一個晶體管的基極；第二輸入，輸入到第二個晶體管的基極；第一電阻，連接于所述第一個和第二個晶體管射極之間；所述第一個晶體管的集電極，連接到足以反向偏置所述第一個晶體管的基極-集電極結的直流電源；所述第二個晶體管的集電極，通過第二個電阻連接到足以反向偏置所述第一個晶體管的基極-集電極結的直流電源；輸出終端，在所述第二個晶體管集電極與所述第二個電阻的一端的結點處連接到所述第二個晶體管集電極；電流源，分別從第一個和第二個晶體管的射極連接到第二個直流電源；第一個次級增益調節(jié)電阻，從所述第一個晶體管的射極連接到第四個晶體管的射極，所述第四晶體管的集電極連接到足以反向偏置所述第四晶體管的基極-集電極結的直流電源；以及所述第四晶體管的基極，連接到閾值電壓源。
11.如權利要求10所述的裝置，還包括緩沖器，所述緩沖器的輸入端連接到所述第二個晶體管的射極，所述緩沖器的輸出端提供所述的閾值電壓源。
12.如權利要求10所述的裝置，還包括緩沖器，所述緩沖器的輸入端連接到所述第二個晶體管的射極，所述緩沖器的輸出端驅動包含一個或多個分壓點的電阻性分壓器，所述電阻性分壓器的一端連接到所述緩沖器的輸出端，所述電阻性分壓器的另一端連接到直流偏置電位源；所述分壓網絡的第一個分壓點，提供所述的閾值電壓源；以及旁路電容，連接在所述緩沖器的輸出端和所述第四個晶體管基極之間。
13.如權利要求12所述的裝置，其中所述直流偏置電位源低于所述緩沖器輸出端的直流電位。
14.如權利要求12所述的裝置，其中所述直流偏置電位源高于所述緩沖器輸出端的直流電位。
15.如權利要求13或14所述的裝置，其中極化所述第四個晶體管以使所述第四個晶體管處于導通狀態(tài)以響應所述的到所述第一晶體管基極的信號輸入超過所述第四晶體管基極電位的情況。
16.如權利要求15所述的裝置，還包括第二個次級增益調節(jié)電阻，它從所述第二個晶體管的射極連接到第五個晶體管的射極，所述第五個晶體管的集電極連接到足以反向偏置所述第五個晶體管的基極-集電極結的集電極直流電源，所述第五個晶體管的基極連接到所述電阻性分壓器的第二個分壓點；以及第五個晶體管，極化該第五個晶體管以使所述第五個晶體管處于導通狀態(tài)以響應所述的到所述第一晶體管基極的信號輸入超過所述第五晶體管基極電位的情況。
17.如權利要求15所述的裝置，還包括第二個次級增益調節(jié)電阻，它從所述第二個晶體管的射極連接到第五個晶體管的射極，所述第五個晶體管的集電極連接到足以反向偏置所述第五個晶體管的基極-集電極結的集電極直流電源，所述第五個晶體管的基極連接到所述電阻性分壓器的第二個分壓點；以及第五個晶體管，極化該第五個晶體管以使所述第五個晶體管處于非導通狀態(tài)以響應所述的到所述第一晶體管基極的信號輸入超過所述第五晶體管基極電位的情況。
18.如權利要求13或14所述的裝置，其中極化所述第四個晶體管以使所述第四個晶體管處于非導通狀態(tài)以響應所述的到所述第一晶體管基極的信號輸入超過所述第四晶體管基極電位的情況。
19.如權利要求18所述的裝置，還包括第二個次級增益調節(jié)電阻，它從所述第二個晶體管的射極連接到第五個晶體管的射極，所述第五個晶體管的集電極連接到足以反向偏置所述第五個晶體管的基極-集電極結的集電極直流電源，所述第五個晶體管的基極連接到所述電阻性分壓器的第二個分壓點；以及第五個晶體管，極化該第五個晶體管以使所述第五個晶體管處于導通狀態(tài)以響應所述的到所述第一晶體管基極的信號輸入超過所述第五晶體管基極電位的情況。
20.如權利要求18所述的裝置，還包括第二個次級增益調節(jié)電阻，它從所述第二個晶體管的射極連接到第五個晶體管的射極，所述第五晶體管的集電極連接到足以反向偏置所述第五個晶體管的基極-集電極結的集電極直流電源，所述第五個晶體管的基極連接到所述電阻性分壓器的第二個分壓點；以及第五個晶體管，極化該第五個晶體管以使所述第五個晶體管處于非導通狀態(tài)以響應所述的到所述第一晶體管基極的信號輸入超過所述第五晶體管基極電位的情況。
全文摘要
一種提供非線性轉移函數(shù)的信號處理器，它提供一個處理器輸出及多個參考到公共偏置的非線性拐點。該處理器輸出和非線性拐點都對時變公模變化進行抑制。
文檔編號H03G7/06GK1402905SQ00816628
公開日2003年3月12日 申請日期2000年12月1日 優(yōu)先權日1999年12月1日
發(fā)明者達爾·F·格里彭特羅格 申請人:湯姆森特許公司