专利名称：高速限制视频信号振幅的方法和器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及限幅器，特别涉及适宜与宽带(即视频)信号源配用的一种高速限幅器。
精确限制上升时间快、振幅较低(例如小于1伏)的窄(例如短于100毫微秒)脉冲的振幅是当前的一个技术课题，特别是当现行的硬件受到造价、板面积或其它制造上应考虑的因素的限制时，更是如此。从来应用二极管或齐纳二极管、晶体管的结构特性或饱和特性的限幅器，不是在极窄和极小振幅脉冲(例如100毫微秒，1伏)的情况下完全不能工作就是保证不了过得去的性能。这类脉冲在例如视频信号处理电路中经常遇到。
举例说，为提高图象边缘的视在清晰度，通常的作法是使亮度信号的脉冲峰化。然而，某些类型的峰化电路产生的过冲量在大多数视频信号电平下是可以接受的，但在信号处在或接近白色峰值时就可能超过100IRE(无线电工程师协会)电平。超过白色峰值电平又可能导致产生不希望有的饱和或“图象开花”效应，因而总希望能将超过白色峰值电平的过冲量加以限制或“限定”。在振幅上限制持续时间短、振幅较小的脉冲的具体问题是响应上的延迟。其它要求快速限制脉冲振幅的应用场合包括通信设备中的限噪器、模/数转换器中的输入信号调节器等等。
本发明旨在满足适用于限制一般信号的振幅、特别适用于限制振幅可能较小(例如在毫伏范围)但较快的脉冲(例如在毫微秒范围)诸如视频信号处理的限幅器的要求。
本发明限制输入信号振幅的方法包括下列步骤通过第一晶体管的基极/射极通路将输入信号耦合到输出端子；通过第二晶体管的基极/发射极通路将阈值信号耦合到所述输出端子；将电源电压加到第一和第二晶体管的集电极；通过第一电阻器将所述输出端子耦合到基准电压源，通过第二电阻器将所述输出端子耦合到第二晶体管经选取的基极或集电极；在所述第二晶体管的基极与集电极之间耦合一个电容器。
本发明的脉冲限幅器件的第一和第二双极晶体管，其集电极都接电源端子，发射极都接通过发射极电阻器Re耦合到基准电压源的输出端子。第二晶体管的基极接输出阻抗Ro预定的阈值电压源，第一晶体管的基极耦合到待限制的输入信号源。第二晶体管的集电极与基极之间耦合有一个电容器，第二晶体管的发射极通过另一个电阻器Rd耦合到其给定的基极或集电极。
按照本发明的另一特点，发射极电阻器Re、另一个电阻器Rd和阈值电压源的输出阻抗Ro三者的大小取得使Re＞Rd，Rd＞Ro。
附图中示出了本发明的上述和其它特点，其中
图1是本发明第一实施例的详细原理图；图2是本发明第二实施例的详细原理图。
图1的限幅电路，其第一和第二双极晶体管Q1和Q2的集电极都接供电端子3，以接收供电电压源(+Vcc)，两晶体管的发射极在电路节点“A”共同接输出端子2，并通过第一电阻器Re耦合到基准电压源4(地)。阈值电压源5在电路节点“B”接第二晶体管Q2的基极。电容器C1耦合在第二晶体管Q2的集电极与基极之间，第二电阻器Rd耦合在第二晶体管的发射极与集电极之间。在本发明的另一个实施例中，第二电阻器Rd接在第二晶体管的基极与集电极之间。
阈值信号源5(用虚线框起来)由第三电阻器R1和第四电阻器R2组成，前者耦合在第二晶体管Q2的基极与集电极之间，后者耦合在第二晶体管Q2的基极与地电压源4之间。这样，电阻器R3和R4连接起来形成分压器，供产生限幅器的阈值电压Vt用。
我们总希望以最佳状态补偿晶体管Q2的延迟情况，因此晶体管Q2的基极来自集电极供电电压Vcc的源电阻取得小于电阻器Rd的阻值，电阻器Rd的阻值又选取得使其小于电阻器Re的阻值，用数学式表示为Re＞Rd＞R1。近似的作法是选择信号源5的戴维南等效阻抗值使其小于电阻器Rd的阻值。等效阻抗值或信号源5的“输出”阻抗可用关系式Ro＝(R1)(R2)/(R1＋R2)求出。应用此关系式，选取Ro小于Rd，选取Rd小于Re。最好是电容器C1选取得基本上大于包括第二晶体管Q2的基极与发射极之间的杂散电容(图中未示出)在内的总电容值。
在上面的说明中，端子1和2以及晶体管Q1形成第一电路通路，其作用是将输入信号IN通过第一晶体管Q1的基极发射极通路耦合到输出端子2。输出端子2、阈值信号源5和晶体管Q2三者连接起来，形成第二电路通路，其作用是将阈值信号Vt通过第二晶体管Q2的基极发射极通路耦合到输出端子2。供电端子3和晶体管Q1和Q2连接起来，形成第三电路通路，其作用是将供电电压Vcc加到第一和第二晶体管的集电极上。输出端子2和第一和第二电阻器Re和Rd连接起来，形成第四电路通路，其作用是将输出端子通过第一电阻器耦合到基准电压源，并通过第二电阻器耦合到所选取的第二晶体管的基极或集电极。在本实例中，所选取的电极是集电极。最后，电容器C1和晶体管Q2连接起来，形成第五电路通路，其作用是将电容器耦合在第二晶体管的基极与集电极之间。如上所述，第二和第四电路通路各元件的值最好选取得使各阻抗不相等，即Re＞Rd＞R1，其中Re和Rd分别为第一和第二电阻器的阻值，R1是晶体管Q2的基极来自供电电压Vcc的源阻抗。有用的近似情况是Re＞Rd＞Ro，其中Ro是阈值信号源的输出阻抗。
前面说过，限制小而快的脉冲的振幅的主要问题是限幅器的延迟。这里从图1的实例可以看出，延迟的主要来源主要是由第二晶体管Q2的输入电容引起的。此晶体管通过发射极电阻器Re和阈值源阻抗R1得到供电，因而加到晶体管Q1发射极上的反馈电压比输入信号电压IN延迟的时间等于给晶体管Q2的基极/发射极间电容及其有关的任何杂散电容充电所需要的时间。若电路中没有电阻器Rd和电容器C1，这个充电引起的延迟可能会使输入的脉冲被大幅度削减而不是被削得恰到好处。此外，在没有Rd和C1时，在脉冲非常窄的情况下，上述削减甚至永远达不到源5的预定阈值电压Vt。
为加快响应，用电容器C1将源5的输出阻抗旁路，且由电阻器Rd给电路节点“A”提供电流，这里就将此举称之为“初步”限定。这个初步限定的程度是通过选择电阻器Rd和Re来加以控制，以便在节点A产生电平略低于所要求阈值的电压(小于Vt减去Q2的Vbe)。
最后，为达到最高的响应速度，我们发现最好按上述那样取电阻值的大小，使其满足不等式Re＞Rd＞R1，或起码Re＞Rd＞Ro。各元件值的例子如下电阻器Re为15千欧，电阻器Rd为9.1千欧，R1为200欧，电容器C1约为1000皮法。其它合适的值当然可在具体的应用场合选取得使其满足供电电压、电路功率耗散、阈值电压的要求等而加以选择。电容器C1的电容值最好选择得基本上大于第二晶体管Q2的基极与发射极之间的总电容值。上述数值的例子是比大于晶体管Q2有关的基极发射极电容和杂散电容的幅值还大一个数量级。
为提高精确度，可以把图1的实例改成图2所示的电路。图2中，电阻器Rd耦合在第二晶体管Q2的发射极与基极之间，且整个电路制成集成电路200。集成化使晶体管阈值电压和电阻器容差值和阻值之间的匹配更紧密，而且还提高了可靠性。
此外，还可以对这里所述的诸如实施例进行其它修改。例如，在图1限幅器的个别形式下可以用电位计来代替阈值电压源，以便精确调节阈值电压Vt。在图2的集成电路形式下也可以作同样的修改，即令电路节点B与外部的电位计连接，同时取消源5。电位计可以跨接在端子3和4两端，电位计的滑块耦合到节点B。
此外还可以这样修改所公开的上述实施例用PNP晶体管代替NPN晶体管Q1和Q2。这样修改(并适当改变有关电源的极性)可以快速限制转入正向的脉冲的振幅，而采用NPN晶体管(如图中所示)可以快速限制转入负向的脉冲的振幅。
权利要求
1.一种限制输入信号(IN)振幅的方法，其特征在于，它包括下列频通过第一晶体管(Q1)的基极/发射极通路将所述输入信号(IN)耦合到输出端子(2)；通过第二晶体管(Q2)的基极/发射极通路将阈值信号(Vt)耦合到所述输出端子(2)；将供电电压(+Vcc)加到所述第一和第二晶体管的集电极上；通过第一电阻器(Re)将所述输出端子(2)耦合到基准电压源(4)，并通过第二电阻器(Rd)耦合到所选取的第二晶体管(Q2)的基极或集电极；将电容器(C1)耦合在第二晶体管(Q2)的基极与集电极之间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征还在于，它包括下列步骤选取所述第一电阻器(Re)的阻值使其大于所述第二电阻器(Rd)阻值；和选取所述限制信号源输出阻抗使其阻抗值小于所述第二电阻器的阻值。
3.一种用以限制输入信号振幅的器件，其特征在于，它包括第一电路通路，供将所述输入信号通过第一晶体管的基极/发射极通路耦合到一个输出端子；第二电路通路，供将阈值信号通过第二晶体管的基极/发射极通路耦合到所述输出端子；第三电路通路，供将供电电压加到第一和第二晶体管的集电极上；第四电路通路，供将所述输出端子通过第一电阻器耦合到一个基准电压源，并通过第二电阻器耦合到第二晶体管经选取的基极或集电极上；第五电路通路，供将一个电容器耦合在所述第二晶体管的基极与集电极之间。
4.如权利要求3所述的限幅器，其特征还在于，所述第二电路通路和所述第四电路通路系选择得使阻抗不相等，即Re＞Rd＞Ro，其中Re和Rd分别为第一和第二电阻器的阻值，Ro为阈值信号源的输出阻抗。
5.一种脉冲限幅器，其特征在于，它包括第一(Q1)和第二(Q2)双极晶体管，其集电极接供电端子(3)，其发射极共同接输出端子(2)，且通过第一电阻器(Re)耦合到基准电压源(5)；阈值电压源(5)，接所述第二晶体管(Q2)的基极；和第二电阻器(Rd)，耦合在基极与所述第二晶体管(Q2)经选择的基极或集电极之间。
6.如权利要求5所述的脉冲限幅器，其特征还在于所述第一电阻器(Re)的阻值大于所述第二电阻器(Rd)；所述阈值电压源(5)的输出阻抗是给定的；所述第二电阻器(Rd)的阻值大于所述阈值电压源(5)的所述给定的输出阻抗。
7.如权利要求5所述的脉冲限幅器，其特征还在于所述电容器(C1)的电容值选取得基本上大于包括所述第二晶体管(Q2)的基极与发射极之间的杂散电容值在内的总电容值。
8.如权利要求5所述的脉冲限幅器，其特征还在于，所述阈值电压源(5)包括第三(R1)和第四(R2)电阻器，耦合在所述第二晶体管(Q2)的基极与相应的所述供电端子(3)或所述基准电压源(4)之间；且所述第三电阻器(R1)的阻值选取得小于所述第二电阻器(Rd)的阻值。
9.如权利要求5-8的任一项所述的脉冲限幅器，其特征在于，所述第一(Q1)和第二(Q2)晶体管、所述第一(Re)和第二(Rd)电阻器、所述阈值电压源(5)和所述电容器(C1)都在集成电路中形成且所述第二电阻器(Rd)耦合在所述第二晶体管(Q2)的基准与发射极之间。
10.如权利要求5-8的任一项所述的脉冲限幅器，其特征还在于，所述第一(Q1)和第二晶体管(Q2)，所述第一(Re)和第二(Rd)电阻器，所述阈值电压源(5)和所述电容器(C1)都在集成电路(200)中形成，且所述第二电阻器(Rd)耦合在所述第二晶体管(Q2)的基极与集电极之间。
全文摘要
输入信号(IN)和阈值信号(Vt)都通过第一(Q1)和第二(Q2)晶体管的基极/发射极通路耦合到输出端子(2)上，该两晶体管各自的集电极都接供电电压源(3)。输出端子(2)通过第一电阻器(Re)耦合到基准电压源(4)，并通过第二电阻器(Rd)耦合到连接在第二晶体管(Q2)的集电极与基极之间的电容器(C1)经选择的一个极片上。电路阻抗值取得使Re＞Rd＞Ro，其中Re和Rd分别为第一和第二电阻器的阻值，Q1为阈值信号源(5)输出阻抗的一个分量。
文档编号H04N5/14GK1131368SQ9512181
公开日1996年9月18日 申请日期1995年12月29日 优先权日1994年12月30日
发明者I·M·贝尔 申请人:汤姆森消费电子有限公司