Brevet FR2689705A1 — publié le 19931008

La présente invention concerne un circuit amplificateur vidéo à commande de gain et d'alignement, pour transformer un signal d'entrée en un signal de sortie ayant une valeur moyenne égale à une tension de consigne et des variations amplifiées par rapport aux variations du signal d'entrée avec un gain commandé par un signal de commande de gain. Ce circuit a une application particulière dans la mise en forme de signaux de télévision, par exemple à la norme D 2 MAC, destinés à être traités numériquement pour produire une image de télévision Un tel signal de télévision inclut habituellement des séquences de référence permettant de situer les valeurs du signal qui peuvent varier entre un niveau minimum, dit "niveau de noir", et un niveau maximum, dit "niveau de blanc" Pour optimiser la définition de l'image, on souhaite que ce signal analogique soit amplifié de façon que l'intervalle entre les niveaux minimum et maximum couvre sensiblement la pleine échelle des convertisseurs analogique/numérique qui transforment le signal en données numériques à traiter Ceci nécessite d'une part une amplification avec un gain commandé en fonction de l'amplitude du signal d'entrée, cette amplitude pouvant varier du fait de la source du signal ou de ses conditions de transmission, et d'autre part un réglage de niveau destiné à aligner le signal amplifié par rapport aux seuils des convertisseurs analogique/numérique. Pour aligner le signal, on utilise habituellement une technique de verrouillage (clamp), technique de "pincement", dans laquelle le signal passe par un condensateur qui est chargé sous une tension de verrouillage incluse dans une séquence de référence identifiable de chaque ligne du signal d'entrée Le condensateur est chargé pendant la séquence de référence et doit conserver une charge constante pendant le reste de la ligne Cette condition est très difficile à remplir de façon satisfaisante lorsque la séquence de référence est très courte par rapport à la durée d'une ligne, ce qui est le cas notamment pour les signaux à la norme D 2 MAC pour lesquels une ligne dure 64 iis et inclut une séquence de référence d'environ 750 ns. Les présents inventeurs ont adopté une approche consistant à commander la valeur moyenne du signal de sortie et le gain d'amplification Ces deux grandeurs sont déterminées par les processeurs numériques qui analysent le signal de sortie du circuit La valeur moyenne à appliquer dépend du contenu de l'image à présenter, plus précisément de la proportion de blanc dans l'image Le gain à appliquer dépend de l'amplitude des variations du signal d'entrée entre les niveaux minimum et maximum, qui est indépendante du contenu de l'image. Pour commander la valeur moyenne d'un signal, on connaît une technique de compensation par boucle en continu dans laquelle on échantillonne périodiquement le signal pour produire une tension d'erreur en cas de dérive par rapport à la tension de consigne, une boucle de contre- réaction agissant pour ajouter une composante continue adaptée lorsqu'une dérive est détectée Lorsque la commande d'alignement par boucle en continu a lieu avant l'amplification, la tension de consigne doit dépendre du gain d'amplification et donc de l'amplitude du signal d'entrée alors que la tension d'erreur en est indépendante, ce qui est inacceptable Lorsqu'on réalise d'abord l'amplification à gain commandé, puis la commande d'alignement par boucle en continu, on rend certes indépendantes les deux commandes, mais la variation de la valeur moyenne du signal d'entrée par rapport à la tension d'alimentation du circuit provoque des phénomènes de blocage et de saturation inacceptables. Le but de la présente invention est de proposer un amplificateur vidéo à commande de gain et d'alignement permettant de commander indépendamment la valeur moyenne du signal de sortie et le gain d'amplification. L'invention propose ainsi un circuit amplificateur vidéo à commande de gain et d'alignement, pour transformer un signal d'entrée en un signal de sortie ayant une valeur moyenne égale à une tension de consigne et des variations amplifiées par rapport aux variations du signal d'entrée avec un gain commandé par un signal de commande de gain, caractérisé en ce qu'il comprend un premier étage et un second étage sensiblement identique au premier étage, en ce que chacun de ces deux étages comprend respectivement un point d'entrée et un point de sortie et est agencé pour produire à son point de sortie respectif une tension ayant une valeur moyenne réglable et des variations amplifiées par rapport aux variations de la tension à son point d'entrée respectif avec le gain commandé par le signal de commande de gain, en ce que le point d'entrée du premier étage est relié à un condensateur de découplage recevant le signal d'entrée, en ce que le point de sortie du premier étage fournit le signal de sortie du circuit, et en ce que le circuit comprend en outre un comparateur ayant une entrée reliée au point de sortie du second étage et une entrée recevant la tension de consigne, ce comparateur répondant à un écart entre la tension de consigne et la tension au point de sortie du second étage en produisant un signal de réglage d'alignement qui est adressé aux deux étages pour modifier identiquement la valeur moyenne de la tension aux points de sortie des deux étages, de manière à rendre la tension au point de sortie du second étage égale à la tension de consigne. Les deux étages sont identiques, et seul le premier étage reçoit la composante variable du signal d'entrée, sa composante continue (valeur moyenne) étant éliminée par le condensateur de découplage Par conséquent le point de sortie de second étage est à une tension qui reproduit la valeur moyenne de la tension au point de sortie du premier étage Le comparateur reçoit des informations du second étage et agit en contre- réaction sur les deux étages, pour que la tension au point de sortie du second étage et donc la valeur moyenne de la tension au point de sortie du premier étage soient égales à la tension de consigne, quel que soit le gain commandé. On obtient ainsi l'indépendance désirée entre les deux commandes sans observer de blocage ou de saturation inacceptable. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci- après d'un exemple de réalisation préféré et non limitatif, lue conjointement au dessin annexé, dans lequel la figure unique représente un schéma électrique d'un circuit amplificateur vidéo selon l'invention. Le circuit préféré représenté à la figure comprend: une borne de masse 1 portée au potentiel de la masse Gnd, une borne d'alimentation 2 portée à une tension d'alimentation Vdd, par exemple de + 5 V; une borne d'entrée 3 recevant le signal de tension d'entrée Vin à mettre en forme par le circuit; une borne de sortie 4 délivrant le signal de tension de sortie mis en forme Vout; deux bornes de commande de gain 5, 6 recevant un signal de commande de gain composé de deux tensions Vcgl, Vcg 2 appliquées respectivement aux bornes , 6; et une borne de commande d'alignement 7 recevant une tension de consigne Vref. Le circuit est conçu pour que le signal de sortie Vout ait une valeur moyenne égale à la tension de consigne Vref et des variations amplifiées par rapport à celles du signal d'entrée Vin avec un gain commandé par le signal de commande de gain Vcgl, Vcg 2, plus précisément par la différence Vcgl Vcg 2 entre les deux tensions de commande de gain. Le circuit comprend un premier étage Sa et un second étage 8 b identique au premier étage 8 a Dans la description ci-après, les symboles de référence se terminant par "a" désignent des composants du premier étage 8 a, et ceux se terminant par "b" désignent des composants identiques du second étage 8 b Par "identique", on entend qu'à chaque composant du premier étage 8 a correspond un composant du second étage 8 b ayant sensiblement les mêmes caractéristiques électriques Pour remplir cette condition, on peut réaliser le circuit sur une même puce de silicium en formant de façon classique, les composants correspondants des deux étages Sa, 8 b (qui sont essentiellement des résistances et des transistors) au cours des mêmes étapes d'implantation de dopants. Chacun des deux étages 8 a, 8 b comprend respectivement un point d'entrée 10 a, lob, un point de sortie lia, llb, de moyens de conversion tension/courant, un générateur de courant réglable 12 a, 12 b, et des moyens de multiplication de courant. Pour chaque étage 8 a, 8 b, les moyens de conversion tension/courant comprennent respectivement une première résistance de polarisation 13 a, 13 b montée entre le point d'entrée 10 a, l Ob et borne de masse 1, une seconde résistance de polarisation 14 a, 14 b montée entre le point d'entrée 10 a, l Ob et la borne d'alimentation 2, et une résistance de conversion 15 a, 15 b ayant une première extrémité reliée à l'entrée 16 a, 16 b des moyens de multiplication de courant et une seconde extrémité reliée au point d'entrée l Oa, l Ob de l'étage par l'intermédiaire d'un tampon d'isolement Le tampon d'isolement comprend un générateur de courant constant 17 a, 17 b et un transistor bipolaire npn 18 a, 18 b monté en émetteur suiveur Le transistor 18 a, 18 b a son collecteur relié à la borne d'alimentation 2, sa base reliée au point d'entrée l Oa, l Ob de l'étage, et son émetteur relié à la seconde extrémité de la résistance de conversion l 5 a, 15 b Le générateur de courant constant 17 a, 17 b est monté entre la borne de masse 1 et l'émetteur du transistor 18 a, 18 b et délivre un courant Il, identique pour les deux étages, suffisant pour rendre conducteur la jonction base/émetteur du transistor 18 a, 18 b Ainsi, les moyens de conversion tension/courant de chaque étage 8 a, 8 b produisent, à travers la résistance de conversion 15 a, b, un courant I 3 a, I 3 b ayant des variations proportionnelles aux éventuelles variations de la tension Vla, Vlb au point d'entrée l Oa, l Ob de l'étage Dans le cas du second étage 8 b, la tension V 2 b au point d'entrée l Ob ne comporte pas de composante variable Le courant I 3 b dans la résistance de conversion 15 b est donc continu Ce courant I 3 b a une valeur égale à la valeur moyenne du courant I 3 a dans la résistance de conversion a du premier étage 8 a. Le générateur de courant réglable 12 a, 12 b de chaque étage 8 a, 8 b est monté entre la borne de masse 1 et l'entrée 16 a, 16 b des moyens de multiplication de courant respectifs Il délivre un courant réglable I 2 identique pour les deux étages Les moyens de multiplication de courant de chaque étage reçoivent donc à leur entrée une combinaison Iea = I 2-I 3 a, Ieb = I 2-I 3 b du courant I 2 produit par le générateur de courant réglable 12 a, 12 b et du courant I 3 a, I 3 b produit par les moyens de conversion tension/courant. Pour chaque étage 8 a, 8 b, les moyens de multiplication de courant sont de préférence réalisés sous la forme d'un amplificateur différentiel Cet amplificateur comprend deux transistors bipolaires npn identiques 20 a et 21 a, 20 b et 21 b et deux résistances identiques 22 a et 23 a, 22 b et 23 b Les résistances identiques 22 a et 23 a, 22 b et 23 b sont respectivement montées entre la borne d'alimentation 2 et les collecteurs des transistors 20 a et 21 a, 20 b et 21 b Les transistors 20 a et 21 a, 20 b et 21 b ont leurs émetteurs respectifs reliés conjointement à l'entrée 16 a, 16 b des moyens de multiplication de courant La base du transistor 20 a, 20 b est reliée à la borne de commande de gain 5 et reçoit donc la tension de commande de gain Vcgl La base du transistor 21 a, 21 b est reliée à la borne de commande de gain 6 et reçoit donc la tension de commande de gain Vcg 2 L'amplificateur ainsi agencé produit à travers la résistance 22 a, 22 b un courant Ica, Icb égal au courant Iea, Ieb reçu à l'entrée 16 a, 16 b de l'amplificateur, multipliée par un facteur k, compris entre O et 1, imposé par le signal de commande de gain Vcgl, Vcg 2, plus précisément par la différence Vcgl - Vcg 2 entre les deux tensions de commande de gain. Le point de sortie lla, llb de chaque étage 8 a, 8 b est directement relié au collecteur du transistor 20 a, b Le point de sortie lla, llb de chaque étage est ainsi disposé pour être à une tension V 2 a, V 2 b, ayant, par rapport au courant Ica, Icb produit par les moyens de multiplication de courant, une dépendance linéaire donnée par: V 2 a = Vdd R x Ica V 2 b = Vdd R x Icb o R désigne la valeur ohmique des résistances 22 a, 22 b Par conséquent, la tension V 2 a, V 2 b au point de sortie lla, llb de chaque étage a une valeur moyenne qui peut être réglée en modifiant le courant I 2 delivré par le générateur de courant réglable 12 a, 12 b, et des variations amplifiées par rapport aux variations de la tension Vla, Vlb au point d'entrée 10 a, 10 b de l'étage avec un gain g commandé par le signal de commande de gain Vcgl, Vcg 2 Le gain g est donné par l'expression g = k x R/R 3, o R 3 désigne la valeur ohmique de la résistance de conversion 15 a, 15 b de chaque étage Le signal de commande de gain Vcgl, Vcg 2 sera donc déterminé pour obtenir un facteur de multiplication k donnant le gain g désiré. Le point de sortie lla du premier étage 8 a est relié à la borne de sortie 4 du circuit pour fournir un signal de sortie Vout correspondant à la tension V 2 a en ce point lla. Le point d'entrée 10 a du premier étage 8 a est relié à la borne d'entrée 3 du circuit par l'intermédiaire d'un condensateur de découplage 30 Le condensateur 30 filtre la composante continue du signal d'entrée Vin qu'il reçoit et communique au point d'entrée a du premier étage les variations du signal d'entrée Vin Le condensateur 30 doit donc avoir une capacité C telle que la constante de temps Ri x R 2 x C/(Rl + R 2) soit grande par rapport à l'échelle de temps des variations du signal d'entrée, Ri et R 2 désignant respectivement les valeurs ohmiques des première et seconde résistances de polarisation 13 a, 14 a du premier étage On pourra choisir typiquement une capacité C de l'ordre de quelques microfarads, et des résistances Ri, R 2 de l'ordre de quelques centaines d'ohms pour un signal d'entrée ayant une fréquence de l'ordre du mégahertz ou d'une dizaine de mégahertz. La tension Vla au point d'entrée 10 a du premier étage, qui est égale à la tension aux bornes de la résistance de conversion 15 a du premier étage, est donnée par Vla = VP + VA, o VP = Vdd x Rl/(Rl + R 2) est une tension de polarisation constante et VA désigne la composante variable du signal d'entrée Vin La tension V 2 a au point de sortie lla du premier étage est donc donnée par: V 2 a = VM + g x VA o VM = Vdd + g x (VP Vbe) R x k x I 2 représente la valeur moyenne de la tension V 2 a (Vbe désignant la tension de la jonction base/émetteur du transistor 18 a) On voit que cette valeur moyenne peut être réglée en modifiant le courant I 2 délivré par le générateur de courant réglable 12 a. Comme le second étage 8 b ne reçoit pas de signal variable à son point d'entrée l Ob, son point de sortie llb est à une tension stable V 2 b égale à la valeur moyenne VM de la tension V 2 a au point de sortie du premier étage. Pour fixer cette valeur de tension V 2 b = VM, le circuit comprend un comparateur 40 ayant une entrée positive reliée au point de sortie llb du second étage 8 b, et une entrée négative reliée à la borne de commande d'alignement 7 pour recevoir la tension de consigne Vref. Lorsqu'il existe un écart entre la tension V 2 b au point llb et la tension de consigne Vref, le comparateur 40 répond en produisant un signal de réglage d'alignement Verr qui est adressé aux deux étages 8 a, 8 b pour modifier identiquement la valeur moyenne VM de la tension aux points de sortie lia, llb des deux étages. Le comparateur 40 est de préférence réalisé sous la forme d'un amplificateur à fort gain à réponse rapide réalisé en technologie BICMOS, c'est-à-dire combinant des transistors bipolaires et des transistors CMOS (métal-oxyde-semiconducteur complémentaires) Un tel amplificateur opérationnel, connu en lui-même, peut avoir un temps de réponse d'environ 100 ns avec un faible courant de polarisation (environ lp A) La sortie de l'amplificateur 40 est reliée aux entrées de commande des générateurs de courant réglable 12 a, 12 b des deux étages. Ces générateurs 12 a, 12 b augmentent ou diminuent le courant I 2 qu'ils délivrent lorsqu'ils reçoivent un signal de réglage d'alignement Verr positif ou négatif. Le comparateur 40 est ainsi monté dans une boucle de contre-réaction qui agit sur le second étage 8 b pour forcer la tension V 2 b à son point de sortie llb à la valeur de consigne Vref Il agit également sur le premier étage 8 a de façon que la valeur moyenne VM de la tension de sortie Vout fournie par le point de sortie lia soit égale à la tension de consigne Vref Cette action du comparateur 40 et des générateurs de courant réglable 12 a, 12 b est indépendante de la valeur commandée du gain g En réalisant le comparateur 40 en technologie BICMOS, on peut répondre en environ 100 ns à une modification de la tension de consigne Vref de l'ordre d'un volt sans affecter la commande de gain. Dans l'application particulière du circuit à la mise en forme de signaux de standard D 2 MAC, le signal d'entrée Vin est le signal analogique présent en sortie du démodulateur (dans le cas d'une transmission hertzienne), ou de l'interface du câble (dans le cas d'une transmission par câble) Le signal de sortie Vout est adressé à un convertisseur analogique/numérique qui le convertit en vue du traitement par un processeur spécialisé Ce processeur analyse le signal Vout pour déterminer le signal de commande de gain Vcgl, Vcg 2 et la tension de référence Vref à appliquer aux bornes de commande 5, 6, 7 du circuit Lorsque c'est nécessaire, le processeur fait varier la tension de consigne Vref, et le circuit selon l'invention est capable de s'adapter pratiquement instantanément à cette variation. Bien qu'on ait décrit l'invention en référence à un exemple de réalisation préféré, on comprendra que cet exemple n'est pas limitatif et que diverses il mnodifications peuvent lui être apportées sans-sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Circuit amplificateur vidéo à commande de gain et d'alignement, pour transformer un signal d'entrée (Vin) en un signal de sortie (Vout) ayant une valeur moyenne égale à une tension de consigne (Vref) et des variations amplifiées par rapport aux variations du signal d'entrée (Vin) avec un gain (g) commandé par un signal de commande de gain (Vcgl, Vcg 2), caractérisé en ce qu'il comprend un premier étage ( 8 a) et un second étage ( 8 b) sensiblement identique au premier étage, en ce que chacun de ces deux étages ( 8 a, 8 b) comprend respectivement un point d'entrée (O 10 a, 10 b) et un point de sortie ( 11 a, 11 b) et est agencé pour produire à son point de sortie respectif ( 11 a, 11 b) une tension (V 2 a, V 2 b) ayant une valeur moyenne réglable et des variations amplifiées par rapport aux variations de la tension (Vla, Vlb) à son point d'entrée respectif ( 10 a, 10 b) avec le gain (g) commandé par le signal de commande de gain (Vcgl, Vcg 2), en ce que le point d'entrée ( 10 a) du premier étage ( 8 a) est relié à un condensateur de découplage ( 30) recevant le signal d'entrée (Vin), en ce que le point de sortie ( 11 a) du premier étage ( 8 a) fournit le signal de sortie du circuit (Vout), et en ce que le circuit comprend en outre un comparateur ( 40) ayant une entrée reliée au point de sortie ( 11 b) du second étage ( 8 b) et une entrée recevant la tension de consigne (Vref), ce comparateur ( 40) répondant à un écart entre la tension de consigne (Vref) et la tension (V 2 b) au point de sortie ( 11 b) du second étage en produisant un signal de réglage d'alignement (Verr) qui est adressé aux deux étages ( 8 a, 8 b) pour modifier identiquement la valeur moyenne de la tension aux points de sortie ( 11 a, 11 b) des deux étages, de manière à rendre la tension (V 2 b) au point de sortie ( 11 b) du second étage ( 8 b) égale à la tension de consigne (Vref). 2 Circuit conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des deux étages ( 8 a, 8 b) comprend des moyens de conversion tension/courant pour transformer la tension (Vla, Vlb) au point d'entrée respectif ( 10 a, lob) en un courant (I 3 a, I 3 b) ayant des variations proportionnelles aux variations de la tension (Via, Vlb) au point d'entrée ( 10 a, lob), un générateur de courant réglable ( 12 a, 12 b), et des moyens de multiplication de courant dont l'entrée ( 16 a, 16 b) reçoit une combinaison (Iea, Ieb) du courant (I 3 a, I 3 b) produit par les moyens de conversion tension/courant et du courant (I 2) produit par le générateur de courant réglable ( 12 a, 12 b) et qui multiplient cette combinaison de courants (Iea, Ieb) par un facteur (k) imposé par le signal de commande de gain (Vcgl, Vcg 2), le point de sortie ( 11 a, lib) de chacun des étages ( 8 a, 8 b) étant disposé poui être à une tension (V 2 a, V 2 b) dépendant linéairement du courant (Ica, Icb) produit par les moyens de multiplication de courant respectifs. 3 Circuit conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de conversion tension/courant de chaque étage ( 8 a, 8 b) comprennent respectivement une résistance ( 13 a, 13 b) montée entre le point d'entrée ( 10 a, lob) et une borne de masse ( 1), une résistance ( 14 a, 14 b) montée entre le point d'entrée ( 10 a, lob) et une borne d'alimentation ( 2) du circuit, et une résistance ( 15 a, 15 b) ayant une extrémité reliée à l'entrée ( 16 a, 16 b) des moyens de multiplication de courant et une autre extrémité reliée au point d'entrée ( 10 a, lob) par l'intermédiaire d'un tampon d'isolement. 4 Circuit conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que le tampon d'isolement comprend un transistor bipolaire ( 18 a, 18 b) monté en émetteur suiveur. Circuit conforme à l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens de multiplication de courant de chaque étage ( 8 a, 8 b) comprennent deux transistors bipolaires identiques ( 20 a et 21 a, 20 b et 21 b) ayant leurs émetteurs respectifs reliés conjointement à l'entrée ( 16 a, 16 b) des moyens de multiplication de courant, et deux résistances identiques ( 22 a et 23 a, 22 b et 23 b) reliées respectivement aux collecteurs des deux transistors bipolaires ( 20 a et 21 a, b et 21 b), le signal de commande de gain comprenant deux tensions (Vcgl, Vcg 2) respectivement appliquées aux bases des deux transistors bipolaires ( 20 a et 21 a, 20 b et 21 b). 6 Circuit conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que le point de sortie (lia, 11 b) de chaque étage (Sa, 8 b) est relié au collecteur de l'un des transistors bipolaires ( 20 a, 20 b) des moyens de multiplication de courant respectifs. 7 Circuit conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le comparateur comprend un amplificateur à fort gain, faible consommation à réponse rapide ( 40). 8 Circuit conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que l'amplificateur à fort gain ( 40) est réalisé en technologie BICMOS.