AT393190B - Breitband-bildroehrentreiberverstaerkerstufe - Google Patents

Description

AT 393 190 B

Die Erfindung betrifft eine Breitband-Bildröhrentreiberverstärkerstufe, welche über einen Signalausgang eine Bildwiedergabeeinrichtung ansteuert, wobei zwischen dem Signalausgang und einem Signaleingang des Verstärkers ein Gegenkopplungszweig mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Widerständen mit unterschiedlich»! Widerstandswerten geschaltet ist.

Man benützt häufig Videotreiberverstärker mit Gegenkopplung zur Lieferung von Videosignalen hohen Pegels an die Intensitätssteuerelektroden (beispielsweise die Kathoden) einer Bildröhre in einem Fernsehempfänger. Die Gegenkopplungsschaltung hilft die Signalverstärkung des Verstärkers festzulegen und die im Betrieb am Verstärkerausgang auftretende Gleichspannung zu stabilisieren. Die Gegenkopplungsschaltung dient auch der Verringerung der Ausgangsimpedanz des Verstärkers und damit der Verbesserung seiner Bandbreite und seines Hochfrequenzverhaltens durch Herabsetzung der bandbreitenbegrenzenden Wirkungen parasitärer Kapazitäten, die in der Ausgangsschaltung des Verstärkers vorhanden sind. Eine weitere Verbesserung des Hochfrequenzverhaltens des Verstärkers kann man durch Verwendung einer oder mehrerer Frequenzganganhebungsspulen in der Ausgangsschaltung des Verstärkers erreichen. Jedoch ist diese Maßnahme wegen der zusätzlich»! Schaltungskosten und der durch solche Elemente vergrößerten Komplexität unerwünscht.

Es sei hier festgestellt, daß das Hochfrequenzverhalten eines Bildröhrentreiberverstärkers beeinträchtigt werden kann durch die Auswirkungen parasitärer Kapazitäten der Ausgangsschaltung des Verstärkers zusammen mit parasitären Kapazitäten der in der Gegenkopplungsschaltung verwendeten Widerstände.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Breitband-Bildröhientreiberverstäikerstufe mit verbessert» Bandbreite und verbessertem Hochfrequenzverhalten zu schaffen, welche die oben beschriebenen Nachteile bekannter Verstärker vermeidet

Diese Aufgabe wird bei einer Breitband-Bildröhrentreiberverstärkerstufe der eingangs angeführten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung in einem solchen Verhältnis auf die einzelnen Reihenwiderstände verteilt ist daß Überschwingungen auf ein Minimum begrenzt sind, und daß der Reihenwiderstand mit dem größten Widerstandswert unmittelbar an den Verstärkerausgang angeschlossen ist

Es hat sich gezeigt daß bei Widerständen mit untereinander ungleichen Werten das Hochfrequenzverhalten des Verstärkers erheblich verbessert werden kann, ohne daß nennenswerte unerwünschte Überschwingungen im verstärkten Ausgangssignal auftreten, wenn man den Widerstand mit dem größten Wert unmittelbar an den Ausgang des Verstärkers anschaltet

Eine Gegenkopplung für den Bildröhrentreiberverstärk» wird von einer Widerstandsschaltung (50) mit den Widerständen (RI und R2) gebildet die in Reihe zwischen dem als Videosignalausgang dienenden Kollektor des Transistors (22) und der als Eingang dienenden Basis des Transistors (20) geschalt» sind. D» Basiseingang des Transistors (20) stellt einen virtuellen Massepunkt dar, das heißt das Basisruhepotential des Transistors (20) entspricht einem relativ kleinen festen Potential, welches gleich der Summe von Massepotential am Emitter des Transistors (20) mit der im wesentlich»! konstanten Basis-Emitter-Offsetspannung des Transistors (20) von + 0,7 V ist

Die Signalverstärkung des Verstärkers (20, 22) wird durch das Verhältnis der Summe der Werte der Gegenkopplungswiderstände (RI und R2) zum Wert der Eingangsimpedanz (beispielsweise 3 k£2) bestimmt welche die Eingangskoppelschaltung (12) für den Eingang des Verstärkertransistors (20) hat Der Wert dieser Eingangsimpedanz, die eine Ausgangslast für die Signalquelle (10) darstellt sollte hoch genug sein, um zu verhindern, daß die Ausgangsschaltungen der Quelle (10) übermäßige Ströme führen, welche übermäßige Leistungsverluste mit sich bringen. Dieser Gesichtspunkt ist besonders wichtig, wenn die Videosignalquelle (10) durch eine integrierte Schaltung gebildet wird, da übermäßige Stromführung und Leistungsv»luste nicht nur Energie verbrauchen, sondern auch möglicherweise zu z»störenden thermischen Belastungen in der integrierten Schaltung führen können. Beim hier beschriebenen Beispiel liegt d» Gegenkopplungswiderstand, d» durch die Summe d» Werte der Widerstände (RI und R2) bestimmt wird, in d» Größenordnung von 160 kß, und damit »gibt sich eine Spannungsverstärkung des Verstärk»s von etwa 54.

Auch relativ größere Werte des Gegenkopplungswiderstandes können zur Verringerung des Leistungsveibrauchs des Treiberverstäfkers vorteilhafterweise beitragen.

Die gewünschte Signalverstärkung läßt sich auch mit einem einzigen Gegenkopplungswiderstand (beispielsweise 1/2 W-Kohleschichtwiderstand von 160 kß) anstelle der mehreren Widerstände (RI und R2) erhalten, jedoch hat es sich gezeigt, daß das Hochfrequenzv»halten des Verstärkers »heblich bess» wird, wenn man den einzigen Gegenkqpplungswiderstand durch mehrere (beispielsweise zwei) Widerstände ersetzt. Im Falle ein» Gegenkopplungsschaltung mit nur einem Widerstand wirken parasitäre Kapazitäten viel stärker im Sinne ein» unerwünscht»! Begrenzung des Frequenzgangs am ob»en Ende. Die Verbesserung dieses Frequenzgangs bei Verwendung mehrerer Gegenkopplungswiderstände kann jedoch zu unerwünschten Eigenschaften wie Überschwingungen bei Amplitudenübergängen im verstärkten Signal führen. Bei vielen Videosignalverarbeitungsanwendungen ist eine große Bandbreite wünschenswert, weil diese eine größere Auflösung eines wiedergegebenen Bildes bringt Die Üb»schwingungen, die in einem Breitbandv»stärk»system auftreten können, beeinträchtigen die andernfalls infolge d» Breitbandsignalverarbeitung gute Bildauflösung in unerwünscht» Weise.

Solche Signalüberschwingungen im wiedergegebenen Bild äußern sich in Form von Streifenkanten oder Geisteikanten an Bildütergängen. -2-

AT393 190 B

Die Widerstände (RI und R2) der Gegenkopplungsschaltung (50) sind so angeordnet, daß sich eine erhebliche Verbesserung des Hochfrequenzverhaltens des Bildröhrentreiberverstärkers (20,22) ergibt, wodurch die das Bild störenden Auswirkungen von Überschwingungen im Verstärkerausgangssignal eliminiert werden. Hierzu wählt man die Gegenkopplungswiderstände (RI und R2) mit unterschiedlichen Werten und schließt den Widerstand mit dem größeren Wert (RI) direkt an die Ausgangsschaltung des Ausgangstransistors (22) an. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform entspricht der Widerstand (RI) einem 1/2 W-Kohleschichtwiderstand mit einem Wert von 130 kQ, und der Widerstand (R2) ist 1/4 W-Kohleschichtwiderstand von 33 kD.

Es sei nun »läutert, wie sich das obengenannte Resultat ergibt

Parasitäre Kapazitäten verschiedener Arten beeinflussen das Frequenzverhalten der Gegenkopplungsschaltung (50). Die in Fig. 1 gezeigten Kapazitäten (CI, C2 und C3) gehören zu den wichtigsten. Die Kapazität (CI) ist die parasitäre Kapazität des Widerstandes (RI) selbst (etwa 0,3 pF bei einem 1/2 W-Widerstand) zusammen mit den Schaltkapazitäten, die zwischen den Verbindungsleitungen am Kollektor des Transistors (22) und den Verbindungsleitungen am Verbindungspunkt der Widerstände (RI und R2) auftreten. Die Kapazität (C2) umfaßt die parasitäre Kapazität des Widerstandes (R2) selbst (bei einem 1/4 W-Widerstand etwa 0,2 pF) zusammen mit Schaltkapazitäten. Die Kapazität (C3) umfaßt eine parasitäre Kapazität der Leitungen am Verbindungspunkt der Widerstände (RI und R2) nach Masse. Die Werte dieser parasitären Kapazitäten werden beispielsweise durch die Art der benutzten Leitungen und den Schaltungsentwurf bestimmt (beispielsweise hinsichtlich Massepotentialpunkten und räumlicher Nähe der Schaltungselemente).

Die Werte solcher parasitärer Kapazitäten lassen sich in vielen Fällen schwer genau bestimmen oder messen, jedoch können sie manchmal mit akzeptabler Genauigkeit geschätzt werden. Bei dem hier beschriebenen Beispiel ist die Kapazität (CI) nennenswert größer als die Kapazität (C2), weil der Widerstand (R2) ein räumlich größerer 1/2 W-Widerstand verglichen mit dem 1/4 W-Widerstand (R2) ist und weil am Kollektor des Ausgangstransistors (22) eine erheblich größere Kapazität auftritt. In letztgenannter Hinsicht ist zu bemerken, daß der Verstärkerlastwiderstand (24) typischerweise ein relativ großer (beispielsweise 2 W oder größer) Widerstand mit Anschlußleitem »«sprechender Größe ist, welche so ausgebildet sein können, daß der Widerstand (24) zur besseren Wärmeableitung oberhalb der gedruckten Schaltungskarte sitzt. Solche Verbindungsleiter liefern einen erheblichen Beitrag zur parasitären Kapazität (CI). Von Einfluß ist hier auch die Art der Verbindung und Anordnung vom Kollektor des Transistors (22) und den Widerständen (24,38) und (RI). Es hat sich ferner gezeigt, daß die Werte der Kapazitäten (CI und C2) relativ unabhängig von den Widerstandswerten der jeweiligen Widerstände (RI und R2) sind.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß das Hochfrequenzverhalten eines Bildröhrentreiberverstärkers sich durch die Verwendung zweier Gegenkopplungswiderstände anstatt nur eines verbessern läßt. Um diese Wirkung graphisch allgemein zu veranschaulichen, zeigt Fig. 2 die angenäherte Hochfrequenzcharakteristik für den Treiberverstärker beim hochfrequenten - 3 dB-Punkt für verschiedene Kombinationen von Gegenkopplungswiderstandswerten. Einfachheitshalber seien 1/4 W-Widerstände mit einer parasitären Kapazität von 0,2 pF angenommen und sonstige Streukapazitäten vernachlässigt

In Fig. 2 ist längs der Horizontalachse ein Verhältnis K von 0.01 bis 100 zwischen den Werten der Gegenkopplungswiderstände aufgetragen. Die Vertikalachse gibt den normierten Hochfrequenzübertragungsfaktor bezogen auf eine Bezugshochfrequenz f (beispielsweise in der Größenordnung von 4 MHz) an. Ein maximaler Hochfrequenzübertragungsfaktor (entsprechend der oberen Frequenzgrenze am - 3 dB-Punkt) zwischen 1,75 f und 2 f ergibt sich bei einem Widerstandsverhältnis von 1 entsprechend zwei Gegenkopplungswiderständen gleichen Wertes (beispielsweise zwei 1/4 W-Widerstände mit je 82 k£2). Ein minimaler Hochfrequenzübertragungsfaktor ergibt sich bei Widerstandsverhältnissen in der Nähe von K - 0,01 und K -100: Dies entspricht der Verwendung eines einzigen Gegenkopplungswiderstandes von 160 k&

Das verbesserte Hochfrequenzverhalten läßt sich erreichen durch Verwenden zweier Gegenkopplungswiderstände anstelle nur eines, insbesondere wenn ihre Werte in einem Verhältnis zwischen 1:10 (K=0,1) und 10:1 (K = 10) stehen. Beispielsweise kann in einem allgemeineren Sinne die obere Frequenzgrenze von 1,35 f (beispielsweise 5,4 MHz relativ zu ein» Bezugsfrequenz von f=4 MHz) erwartet w»den, wenn die beiden Gegenkopplungswiderstände in einem Verhältnis von K=0,25 stehen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei Benutzung zweier Gegenkopplungswiderstände gleichen Wertes zur Erzeugung eines maximalen Hochfrequenzübertragungsfaktors des Verstärkers in seinem Ausgangssignal Überschwingungen auftreten, wie dies in Fig. 3 durch die Signalform (A) gezeigt ist. Die Signalform (A) entspricht dem Ausgangssignal des Bildröhrentreiberverstärkers aufgrund eines gestrichelt gezeichneten Verstärkereingangssignals. Das Eingangssignal und das entsprechende Ausgangssignal (A) stellen einen Amplitudenübergang von Schwarz- zu Weißpegel bei Frequenzanhebung durch Vor- und Nachüberschwingkomponenten dar. Bei dem Weißpegel des Ausgangssignals (A) tritt eine unerwünschte Überschwingkomponente auf, welche Qualität und Detail eines aufgrund des Ausgangssignals (A) erzeugten Bildes beeinträchtigen. Man hat Üb»schwingkomponenten mit großen Amplituden beobachtet, die 40 % des Videosignalamplitudenübergangs von Schwarz- zu Weißpegel darstellten.

Der Frequenzgang des Bildröhientreiberverstäikers läßt sich von der maximalen oberen Frequenzgrenze (2f in Fig. 2) durch Veränderung des Widerstandsverhältnisses K der Gegenkopplungswiderstände verringern. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich das Überschwingproblem nicht lösen läßt, wenn man den kleineren 33 Hi-Widerstand an -3-

AT 393 190 B den Verstärkerausgang legt Wählt man speziell für den Widerstand (RI) in Fig. I einen 1/4 W-Widerstand von 33 kß und für den Widerstand (R2) einen 1/2 W-Widerstand von 130 kß, dann tritt eine Überschwingkomponente mit einer Amplitude von etwa 25 % des Videosignalsprungs auf.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Amplitude der Überschwingkomponente tatsächlich erheblich reduziert wird, wenn man den größeren Widerstand am Verstärkerausgang anordnet, also wenn in Fig. 1 (RI) dem 130 kß-Widerstand entspricht In diesem Fall hat die Überschwingkomponente eine vemachlässigbare Amplitude von weniger als 10 % des Videosignalsprungs vom Schwarzpegel zum Weißpegel, wie die Kurvenform B in Fig. 3 zeigt

Im Zusammenhang mit dem Vorstehenden sei bemerkt, daß die Signalverstärkung des Treiberverstäikers sich in der komplexen Frequenzebene (auch S-Ebene genannt) durch die folgende Gleichung ausdrücken läßt: 1 S + - -1 C1+C2 + C3 Rp(Cl + C2 + C3) RIN CI C2 1 1 (S +-) (S +-) R1C1 R2C2

Hierbei ist RIN die für den Eingang des Transistors (20) erscheinende Eingangsimpedanz; RI bzw. R2 die Werte der Widerstände (RI und R2; CI, C2 und C3) die Werte der Kapazitäten (CI, C2 bzw. C3);

Rp die Parallelschaltung der Widerstände (RI und R2) und S gleich j2nf mit f als Frequenz.

In der Gleichung bedeuten die Ausdrücke 1 1 S +- und S +- R1C1 R2C2 jeweils separate Polstellen, von denen der Frequenzgang mit - 6 dB pro Oktave abnimmt. Der Ausdruck 1 S + -

Rp (CI + C2 + C3) definiert die einzige Nullstelle, von welcher der Frequenzgang mit+6 dB/Oktave ansteigt Damit verursachen die Polstellenausdrücke eine Verschlechterung des Verstärkerfrequenzganges für hohe Frequenzen. Im Gegensatz dazu verbessert der Nullstellen-Term den Verstärkerfrequenzgang bei hohen Frequenzen und trägt zur Vergrößerung der Verstärkerbandbreite bei.

Bei gegebenen Polfrequenzstellen erhöht sich durch Erniedrigung der Nullstellen-Frequenz die Verstärkerbandbreite und die obere Frequenzgrenze am - 3 dB-Punkt. Das Heraufsetzen des Nullstellen-Frequenz-Übertragungsfaktors zeigt also eher Wirkung, und der Amplituden-Frequenzgang des Verstärkers beginnt eher anzusteigen (also bei einer niedrigeren Frequenz). Der Zustand einer maximalen Bandbreite und oberen Frequenzgrenze beim - 3dB-Punkt ergibt sich, wenn man Gegenkopplungswiderstände gleichen Wertes verwendet, weil in diesem Falle Rp ein Maximum und die zugehörige Nullstellen-Frequenz ein Minimum ist.

Der Verstärkerfrequenzgang bei hohen Frequenzen läßt sich herabsetzen, wenn man den Nullstellen-Frequenzübertragungsfaktor später wirksam werden läßt (also bei einer relativ höheren Frequenz). Diese Wirkung läßt sich erreichen durch Wahl der Widerstände (RI und R2) mit unterschiedlichen Werten, so daß die Nullstellen-Frequenz im obengenannten Ausdruck ansteigt. In diesem Fall hat Rp kein Maximum mehr, da der Widerstandswert der Parallelschaltung von (RI und R2) zunehmend kleiner wird, wenn die Werte dieser Widerstände auseinanderstreben. Zur Ausschaltung des erläuterten Signalüberschwingproblems genügt es nicht, die obere Frequenzgrenze des Verstärkers lediglich herabzusetzen. Dies gilt insbesondere, wenn das Zusammenwirken des ansteigenden Nullstellen-Frequenz-Übertragungsfaktors mit den abnehmenden Polstellenfrequenzübertragungsfaktoren zu einer Anhebung im hochfrequenten Teil des Frequenzspektrums führt (beispielsweise einer Überhöhung zwischen 3 bis 4 MHz).

Legt man den Gegenkopplungswiderstand (RI) mit dem größeren Wert an den Verstärkerausgang, dann ergibt sich eine Polstellenfrequenz in da1 Nähe des gewünschten oberen Frequenzbereiches (3 bis 5 MHz) des Verstärkers. Eine solche Anordnung wirkt da* Anhebung infolge des wachsenden Nullstellen-Übertragungsfaktors genügend stark entgegen, um eine erhebliche Verringerung der Amplitude der Überschwingkomponente zu -4-

Claims (2)

1. AT393 190 B bewirken. Bei einem Bildröhrentreiberverstärker der in Fig. 1 gezeigten Art mit Widerständen ((RI und R2) von 100 kß bzw. 33 kß ergab sich eine Bandbreite von etwa 5,5 MHz ohne nennenswerte Überschwingkomponente im Ausgangssignal. Widerstandsverhältnisse von K = 0,14 (für (RI) = 139 kß und (R2) = 20 kß) bis K = 0,43 (für (RI) = 110 kß und (R2) = 47 kß) ergaben eine verbesserte Treiberverstäikerbandbreite und einen verbesserten Übertragungsfaktor bei hohen Frequenzen, ohne daß zu beanstandende Signalüberschwingungen aufträten. Das Verhältnis K = 0,14 erzeugte weniger Überschwingen, jedoch eine etwas geringere Bandbreite verglichen mit dem gewählten bevorzugten Widerstandsverhältnis von K = 0,25, während das Verhältnis K=0,43 eine größere Bandbreite mit etwas mehr Signalüberschwingen ergab. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen Teil eines Fernsehempfängers mit einem Bildröhrentreiberverstärker und zugehöriger Gegenkopplungsschaltung; Fig. 2 eine Kennlinie, die eine Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verstärkers veranschaulicht; und Fig. 3 Signalformen zur Erläuterung der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verstärkers. Gemäß Fig. 1 gelangen Videosignale von einer Quelle (10) über einen Eingangssignalweg, der eine Eingangssignalkoppelschaltung (12) enthält, an einen Bildröhrentreiberverstärker, der einen Kaskodeverstärker mit den Transistoren (20 und 22) enthält Der Eingangsverstärkertransistor (20) ist als Verstärkerstufe in Emittergrundschaltung und der Ausgangsverstärkertransistor (22) als Verstärkerstufe in Basisgrundschaltung geschaltet Über einem Lastwiderstand (24) (beispielsweise 12 kß) im Kollektorausgangskreis des Transistors (22) entstehen verstärkte Videosignale, die einer Kathode (30) als Bildintensitätssteuerelektrode einer Bildwiedergaberöhre (35) über einen Ausgangssignalweg zugeführt werden, der einen Strombegrenzungswiderstand (38) (beispielsweise 2,2 kß) enthält Der Widerstand (38) wirkt als Schutz zur Verhinderung von Beschädigungen des Bildröhrentreiberverstärkers bei infolge von Bildröhrenüberschlägen auftretenden Hochspannungen. Die Betriebsspannung für die Bildröhrentreiberstufe wird von einer Gleichspannungsquelle (B+) (beispielsweise +230 V) geliefert Im Falle eines Farbfernsehempfängers sind drei Bildröhrentreiberverstärker erforderlich, um die Rot-, Grün- und Blaufarbbilder darstellenden Videosignale den zugehörigen Kathoden der Farbbildröhre zuzuführen. Die vom Bildröhrentreiber (20, 22) verstärkten Videosignale, die aus einem gesendeten Femsehsignalgemisch abgeleitet sind, umfassen eine Frequenzbandbreite von 0 Hz bis etwa 4 MIL·:. PATENTANSPRÜCHE 1. Breitband-BUdröhrentreiberverstärkerstufe, welche über einen Signalausgang eine Bildwiedergabeeinrichtung ansteuert, wobei zwischen dem Signalausgang und einem Signaleingang des Verstärkers ein Gegenkopplungszweig mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Widerständen mit unterschiedlichen Widerstandswerten geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung in einem solchen Verhältnis auf die einzelnen Reihenwiderstände (RI, R2) verteilt ist, daß Überschwingungen auf ein Minimum begrenzt sind, und daß der Reihenwiderstand mit dem größten Widerstandswert unmittelbar an den Verstärkerausgang angeschlossen ist.
2. 2. Verstärkerstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungszweig (50) aus einem ersten Widerstand (RI) und einem zweiten Widerstand (R2) mit kleinerem Widerstandswert als der erste Widerstand besteht und daß die beiden Widerstände derart vom Verstärkerausgang zum Signaleingang in Reihe geschaltet sind, daß der erste Widerstand (RI) unmittelbar beim Verstärkerausgang angeordnet ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-