專利名稱：高速限制視頻信號振幅的方法和器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及限幅器，特別涉及適宜與寬帶(即視頻)信號源配用的一種高速限幅器。
精確限制上升時(shí)間快、振幅較低(例如小于1伏)的窄(例如短于100毫微秒)脈沖的振幅是當(dāng)前的一個(gè)技術(shù)課題，特別是當(dāng)現(xiàn)行的硬件受到造價(jià)、板面積或其它制造上應(yīng)考慮的因素的限制時(shí)，更是如此。從來應(yīng)用二極管或齊納二極管、晶體管的結(jié)構(gòu)特性或飽和特性的限幅器，不是在極窄和極小振幅脈沖(例如100毫微秒，1伏)的情況下完全不能工作就是保證不了過得去的性能。這類脈沖在例如視頻信號處理電路中經(jīng)常遇到。
舉例說，為提高圖象邊緣的視在清晰度，通常的作法是使亮度信號的脈沖峰化。然而，某些類型的峰化電路產(chǎn)生的過沖量在大多數(shù)視頻信號電平下是可以接受的，但在信號處在或接近白色峰值時(shí)就可能超過100IRE(無線電工程師協(xié)會)電平。超過白色峰值電平又可能導(dǎo)致產(chǎn)生不希望有的飽和或“圖象開花”效應(yīng)，因而總希望能將超過白色峰值電平的過沖量加以限制或“限定”。在振幅上限制持續(xù)時(shí)間短、振幅較小的脈沖的具體問題是響應(yīng)上的延遲。其它要求快速限制脈沖振幅的應(yīng)用場合包括通信設(shè)備中的限噪器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器中的輸入信號調(diào)節(jié)器等等。
本發(fā)明旨在滿足適用于限制一般信號的振幅、特別適用于限制振幅可能較小(例如在毫伏范圍)但較快的脈沖(例如在毫微秒范圍)諸如視頻信號處理的限幅器的要求。
本發(fā)明限制輸入信號振幅的方法包括下列步驟通過第一晶體管的基極/射極通路將輸入信號耦合到輸出端子；通過第二晶體管的基極/發(fā)射極通路將閾值信號耦合到所述輸出端子；將電源電壓加到第一和第二晶體管的集電極；通過第一電阻器將所述輸出端子耦合到基準(zhǔn)電壓源，通過第二電阻器將所述輸出端子耦合到第二晶體管經(jīng)選取的基極或集電極；在所述第二晶體管的基極與集電極之間耦合一個(gè)電容器。
本發(fā)明的脈沖限幅器件的第一和第二雙極晶體管，其集電極都接電源端子，發(fā)射極都接通過發(fā)射極電阻器Re耦合到基準(zhǔn)電壓源的輸出端子。第二晶體管的基極接輸出阻抗Ro預(yù)定的閾值電壓源，第一晶體管的基極耦合到待限制的輸入信號源。第二晶體管的集電極與基極之間耦合有一個(gè)電容器，第二晶體管的發(fā)射極通過另一個(gè)電阻器Rd耦合到其給定的基極或集電極。
按照本發(fā)明的另一特點(diǎn)，發(fā)射極電阻器Re、另一個(gè)電阻器Rd和閾值電壓源的輸出阻抗Ro三者的大小取得使Re＞Rd，Rd＞Ro。
附圖中示出了本發(fā)明的上述和其它特點(diǎn)，其中

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例的詳細(xì)原理圖；圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例的詳細(xì)原理圖。
圖1的限幅電路，其第一和第二雙極晶體管Q1和Q2的集電極都接供電端子3，以接收供電電壓源(+Vcc)，兩晶體管的發(fā)射極在電路節(jié)點(diǎn)“A”共同接輸出端子2，并通過第一電阻器Re耦合到基準(zhǔn)電壓源4(地)。閾值電壓源5在電路節(jié)點(diǎn)“B”接第二晶體管Q2的基極。電容器C1耦合在第二晶體管Q2的集電極與基極之間，第二電阻器Rd耦合在第二晶體管的發(fā)射極與集電極之間。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，第二電阻器Rd接在第二晶體管的基極與集電極之間。
閾值信號源5(用虛線框起來)由第三電阻器R1和第四電阻器R2組成，前者耦合在第二晶體管Q2的基極與集電極之間，后者耦合在第二晶體管Q2的基極與地電壓源4之間。這樣，電阻器R3和R4連接起來形成分壓器，供產(chǎn)生限幅器的閾值電壓Vt用。
我們總希望以最佳狀態(tài)補(bǔ)償晶體管Q2的延遲情況，因此晶體管Q2的基極來自集電極供電電壓Vcc的源電阻取得小于電阻器Rd的阻值，電阻器Rd的阻值又選取得使其小于電阻器Re的阻值，用數(shù)學(xué)式表示為Re＞Rd＞R1。近似的作法是選擇信號源5的戴維南等效阻抗值使其小于電阻器Rd的阻值。等效阻抗值或信號源5的“輸出”阻抗可用關(guān)系式Ro＝(R1)(R2)/(R1＋R2)求出。應(yīng)用此關(guān)系式，選取Ro小于Rd，選取Rd小于Re。最好是電容器C1選取得基本上大于包括第二晶體管Q2的基極與發(fā)射極之間的雜散電容(圖中未示出)在內(nèi)的總電容值。
在上面的說明中，端子1和2以及晶體管Q1形成第一電路通路，其作用是將輸入信號IN通過第一晶體管Q1的基極發(fā)射極通路耦合到輸出端子2。輸出端子2、閾值信號源5和晶體管Q2三者連接起來，形成第二電路通路，其作用是將閾值信號Vt通過第二晶體管Q2的基極發(fā)射極通路耦合到輸出端子2。供電端子3和晶體管Q1和Q2連接起來，形成第三電路通路，其作用是將供電電壓Vcc加到第一和第二晶體管的集電極上。輸出端子2和第一和第二電阻器Re和Rd連接起來，形成第四電路通路，其作用是將輸出端子通過第一電阻器耦合到基準(zhǔn)電壓源，并通過第二電阻器耦合到所選取的第二晶體管的基極或集電極。在本實(shí)例中，所選取的電極是集電極。最后，電容器C1和晶體管Q2連接起來，形成第五電路通路，其作用是將電容器耦合在第二晶體管的基極與集電極之間。如上所述，第二和第四電路通路各元件的值最好選取得使各阻抗不相等，即Re＞Rd＞R1，其中Re和Rd分別為第一和第二電阻器的阻值，R1是晶體管Q2的基極來自供電電壓Vcc的源阻抗。有用的近似情況是Re＞Rd＞Ro，其中Ro是閾值信號源的輸出阻抗。
前面說過，限制小而快的脈沖的振幅的主要問題是限幅器的延遲。這里從圖1的實(shí)例可以看出，延遲的主要來源主要是由第二晶體管Q2的輸入電容引起的。此晶體管通過發(fā)射極電阻器Re和閾值源阻抗R1得到供電，因而加到晶體管Q1發(fā)射極上的反饋電壓比輸入信號電壓IN延遲的時(shí)間等于給晶體管Q2的基極/發(fā)射極間電容及其有關(guān)的任何雜散電容充電所需要的時(shí)間。若電路中沒有電阻器Rd和電容器C1，這個(gè)充電引起的延遲可能會使輸入的脈沖被大幅度削減而不是被削得恰到好處。此外，在沒有Rd和C1時(shí)，在脈沖非常窄的情況下，上述削減甚至永遠(yuǎn)達(dá)不到源5的預(yù)定閾值電壓Vt。
為加快響應(yīng)，用電容器C1將源5的輸出阻抗旁路，且由電阻器Rd給電路節(jié)點(diǎn)“A”提供電流，這里就將此舉稱之為“初步”限定。這個(gè)初步限定的程度是通過選擇電阻器Rd和Re來加以控制，以便在節(jié)點(diǎn)A產(chǎn)生電平略低于所要求閾值的電壓(小于Vt減去Q2的Vbe)。
最后，為達(dá)到最高的響應(yīng)速度，我們發(fā)現(xiàn)最好按上述那樣取電阻值的大小，使其滿足不等式Re＞Rd＞R1，或起碼Re＞Rd＞Ro。各元件值的例子如下電阻器Re為15千歐，電阻器Rd為9.1千歐，R1為200歐，電容器C1約為1000皮法。其它合適的值當(dāng)然可在具體的應(yīng)用場合選取得使其滿足供電電壓、電路功率耗散、閾值電壓的要求等而加以選擇。電容器C1的電容值最好選擇得基本上大于第二晶體管Q2的基極與發(fā)射極之間的總電容值。上述數(shù)值的例子是比大于晶體管Q2有關(guān)的基極發(fā)射極電容和雜散電容的幅值還大一個(gè)數(shù)量級。
為提高精確度，可以把圖1的實(shí)例改成圖2所示的電路。圖2中，電阻器Rd耦合在第二晶體管Q2的發(fā)射極與基極之間，且整個(gè)電路制成集成電路200。集成化使晶體管閾值電壓和電阻器容差值和阻值之間的匹配更緊密，而且還提高了可靠性。
此外，還可以對這里所述的諸如實(shí)施例進(jìn)行其它修改。例如，在圖1限幅器的個(gè)別形式下可以用電位計(jì)來代替閾值電壓源，以便精確調(diào)節(jié)閾值電壓Vt。在圖2的集成電路形式下也可以作同樣的修改，即令電路節(jié)點(diǎn)B與外部的電位計(jì)連接，同時(shí)取消源5。電位計(jì)可以跨接在端子3和4兩端，電位計(jì)的滑塊耦合到節(jié)點(diǎn)B。
此外還可以這樣修改所公開的上述實(shí)施例用PNP晶體管代替NPN晶體管Q1和Q2。這樣修改(并適當(dāng)改變有關(guān)電源的極性)可以快速限制轉(zhuǎn)入正向的脈沖的振幅，而采用NPN晶體管(如圖中所示)可以快速限制轉(zhuǎn)入負(fù)向的脈沖的振幅。
權(quán)利要求
1.一種限制輸入信號(IN)振幅的方法，其特征在于，它包括下列頻通過第一晶體管(Q1)的基極/發(fā)射極通路將所述輸入信號(IN)耦合到輸出端子(2)；通過第二晶體管(Q2)的基極/發(fā)射極通路將閾值信號(Vt)耦合到所述輸出端子(2)；將供電電壓(+Vcc)加到所述第一和第二晶體管的集電極上；通過第一電阻器(Re)將所述輸出端子(2)耦合到基準(zhǔn)電壓源(4)，并通過第二電阻器(Rd)耦合到所選取的第二晶體管(Q2)的基極或集電極；將電容器(C1)耦合在第二晶體管(Q2)的基極與集電極之間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于，它包括下列步驟選取所述第一電阻器(Re)的阻值使其大于所述第二電阻器(Rd)阻值；和選取所述限制信號源輸出阻抗使其阻抗值小于所述第二電阻器的阻值。
3.一種用以限制輸入信號振幅的器件，其特征在于，它包括第一電路通路，供將所述輸入信號通過第一晶體管的基極/發(fā)射極通路耦合到一個(gè)輸出端子；第二電路通路，供將閾值信號通過第二晶體管的基極/發(fā)射極通路耦合到所述輸出端子；第三電路通路，供將供電電壓加到第一和第二晶體管的集電極上；第四電路通路，供將所述輸出端子通過第一電阻器耦合到一個(gè)基準(zhǔn)電壓源，并通過第二電阻器耦合到第二晶體管經(jīng)選取的基極或集電極上；第五電路通路，供將一個(gè)電容器耦合在所述第二晶體管的基極與集電極之間。
4.如權(quán)利要求3所述的限幅器，其特征還在于，所述第二電路通路和所述第四電路通路系選擇得使阻抗不相等，即Re＞Rd＞Ro，其中Re和Rd分別為第一和第二電阻器的阻值，Ro為閾值信號源的輸出阻抗。
5.一種脈沖限幅器，其特征在于，它包括第一(Q1)和第二(Q2)雙極晶體管，其集電極接供電端子(3)，其發(fā)射極共同接輸出端子(2)，且通過第一電阻器(Re)耦合到基準(zhǔn)電壓源(5)；閾值電壓源(5)，接所述第二晶體管(Q2)的基極；和第二電阻器(Rd)，耦合在基極與所述第二晶體管(Q2)經(jīng)選擇的基極或集電極之間。
6.如權(quán)利要求5所述的脈沖限幅器，其特征還在于所述第一電阻器(Re)的阻值大于所述第二電阻器(Rd)；所述閾值電壓源(5)的輸出阻抗是給定的；所述第二電阻器(Rd)的阻值大于所述閾值電壓源(5)的所述給定的輸出阻抗。
7.如權(quán)利要求5所述的脈沖限幅器，其特征還在于所述電容器(C1)的電容值選取得基本上大于包括所述第二晶體管(Q2)的基極與發(fā)射極之間的雜散電容值在內(nèi)的總電容值。
8.如權(quán)利要求5所述的脈沖限幅器，其特征還在于，所述閾值電壓源(5)包括第三(R1)和第四(R2)電阻器，耦合在所述第二晶體管(Q2)的基極與相應(yīng)的所述供電端子(3)或所述基準(zhǔn)電壓源(4)之間；且所述第三電阻器(R1)的阻值選取得小于所述第二電阻器(Rd)的阻值。
9.如權(quán)利要求5-8的任一項(xiàng)所述的脈沖限幅器，其特征在于，所述第一(Q1)和第二(Q2)晶體管、所述第一(Re)和第二(Rd)電阻器、所述閾值電壓源(5)和所述電容器(C1)都在集成電路中形成且所述第二電阻器(Rd)耦合在所述第二晶體管(Q2)的基準(zhǔn)與發(fā)射極之間。
10.如權(quán)利要求5-8的任一項(xiàng)所述的脈沖限幅器，其特征還在于，所述第一(Q1)和第二晶體管(Q2)，所述第一(Re)和第二(Rd)電阻器，所述閾值電壓源(5)和所述電容器(C1)都在集成電路(200)中形成，且所述第二電阻器(Rd)耦合在所述第二晶體管(Q2)的基極與集電極之間。
全文摘要
輸入信號(IN)和閾值信號(Vt)都通過第一(Q1)和第二(Q2)晶體管的基極/發(fā)射極通路耦合到輸出端子(2)上，該兩晶體管各自的集電極都接供電電壓源(3)。輸出端子(2)通過第一電阻器(Re)耦合到基準(zhǔn)電壓源(4)，并通過第二電阻器(Rd)耦合到連接在第二晶體管(Q2)的集電極與基極之間的電容器(C1)經(jīng)選擇的一個(gè)極片上。電路阻抗值取得使Re＞Rd＞Ro，其中Re和Rd分別為第一和第二電阻器的阻值，Q1為閾值信號源(5)輸出阻抗的一個(gè)分量。
文檔編號H04N5/14GK1131368SQ9512181
公開日1996年9月18日 申請日期1995年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月30日
發(fā)明者I·M·貝爾 申請人:湯姆森消費(fèi)電子有限公司