DE2248423B2 - Ladungsübertragungssy stern - Google Patents
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Description
Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen
und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung in Form einer Bildaufnahmeeinrichtung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das nach Art einer mit
Ladungsübertragung arbeitenden VerzögerungsJeitung
arbeitet und eine Summierschaltung enthält
Fig. 3 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Signalen, auf die bei der Erläuterung
der Ausführungsform gemäß Fig. l Bezug genommen
wird, i,r
Fig. 4 eir~ graphische Darstellung des Verlaufes
weiterer Signale, auf die bei der Erläuterung der Arbeitsweise einer stromempfindlichen Schaltungsanordnung
in dem in Fig. 1 dargestellten Ladungsübertragungssystem Bezug genommen wird,
Fig. 5 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung, und
Fig. 6 eine graphische Darstellung des Verlaufes von Signalen, auf die bei der Erläuterung der Ausführungsform
gemäß Fig. 5 Bezug genommen wird.
Fig. 1 zeigt eine vollständige Bildaufnahmeeinrichtung, die aus Zeilen von photoempfindlichen Verzögerungsleitungen
besteht, welche als Ladungsübertragungsschaltungen ausgebildet sind. Jeder Zeile der
Bildaufnahmeeinrichtung werden gegenphasige Taktsignale A und B zugeführt. Jede Zeile hat eine
Ausgangsklemme und alle Ausgangsklemmen sind an eine gemeinsame Sammelleitung für ein sequentielles
Videosignal angeschlossen, das durch zeilenweises Übertragen der dem einfallenden Licht entsprechenden
Ladungen erzeugt wird. Das Videosignal hat Einschnitte, es besteht also aus getrennten Impulsen, wie
es in Fig 1 dargestellt ist und soll als »gezahntes Videosignal«
bezeichnet werden. Dieses Signal wird einer Videobehandlungsschaltung 40 zugeführt, die unter
Bezugnahme auf Fig. 2 nähe/ erläutert wird. Mit einer geeigneten Stufe dieser nach Art einer Verzögerungsleitung
oder Eimerkette arbeitenden Videobehandlungsschaltung 40 ist ein Summierverstärker 41
gekoppelt, mittels dessen ein Videoausgangssignal erzeugt wird, das als »aufgefülltes« Videosignal bezeichnet
wird und einem Monitor od. dgl. zugeführt werden kann.
Fig. 2 zeigt eine eimerkettenartig arbeitende Ladungsübertragungs-Verzögerungsleitung,
die in Verbindung mit der in Fig. 1 dargestellten, als Lichtwandler arbeitenden Bildaufnahmeeinrichtung verwendet
werden kann. Die Verzögerungsleitung enthält eine Anzahl von hintereinandergeschalteten
MOS-Feldeffekttransistoren 21, 22 und 23. Selbstverständlich könnte auch eine größere oder kleinere
Anzahl solcher Bauelemente verwendet werden.
Bei den Transistoren 20 bis 22 ist jeweils ein Kondensator zwischen Drain- und Gate-Elektrode gekoppelt,
während beim Ausgangstransistor 23 die Drain-Elektrode direkt mit der Gate-Elektrode verbunden
ist. Die Gate-Elektroden der Transistoren 21 und 23 sind an einen Generator der Taktimpulse A
angekoppelt, während die Gate-Elektroden der Transistoren 20 und 22 an einen Generator der Taktimpulse
B angekoppelt sind.
Der Eingang 27 ist über einen Widerstand 28 mit der Source-Elektrode des Eingangstransistors 20 verbunden.
Diesem Eingang 27 können die Videosignale zugeleitet werden. Statt der in F i g. 2 für die Ladungsübertragungsschaltung
verwendeten MOS-Transistoren können natürlich auch Bipolartransistoren oder ladungsgekoppelte Bauelemente verwendet werden.
Während der Übertragung von Ladung in der Ladungsübertragungsschaltung
arbeitet jeder MOS-Transistor als Source-Folger und nicht einfach als EIN-AUS-Schalter. Beispielsweise wird während der
negativen oder EIN-Phase des Taktimpulses B die Ladung von der Drain-Elektrode des Transistors 21
zur Drain-Elektrode des Transistors 22 übertragen, bis die Source-Gate-Potentialdifferenz des Transistors
22 sich der Schwellenspannung des Transistors nähert, wo der Stromfluß endet. Auf diese Weise wird
jeder Transistor durch die Übertragung der Signalladung zum nächstfolgenden Element gänzlich auf sein
Bezugspotential zurückgeschaltet. Mit Hilfe dieser Methode lassen sich sehr hohe Übertragungswirkungsgrade
erzielen.
Eine auf Ladungsübertragung beruhende Verzögerungsleitung von der in Fi g. 2 gezeigten Art läßt sich
auch als Lichtwandleranordnung ausbilden. Zu diesem Zweck kann man lichtempfindliche Elemente
einbauen, die vor Hern Anlegen der Taktspannungen ein Ladungsmuster i.i uie Kondensatoren 24, 25, 26
einbringen. Für jedes Paar von Kondensatoren ist nur ein solches Lichtwandlerelement erforderlich. Viele
der allgemein bekannten Lichtwandlerelemente wie Photodioden, Phototransistoren oder Photoleiter sind
an sich verwendbar; jedoch verwendet man vorzugsweise Photodioden, und zwar wegen der gegebenen
Struktur des MOS-Transistors, da bei MOS-Transistoren in integrierter Bauweise bereits sperrgespannte
Dioden unter den Source- und Drain-Elektroden vorhanden sind. Diese Dioden können dann als Photodioden
hergestellt werden, so daß sich die Lichtwandleranordnung ergibt.
Fig. 3 zeigt die verschiedenen Signal verlaufe, die
für den Betrieb der Ladungsübertragungs-Verzögerungsleitung nach Fi g. 2 erforderlich sind. (Der Einfachheit
halber ist vorausgesetzt, daß die Schwellenspannung Vlh des MOS-Transistors gleich U ist.) Zu
beachten ist, daß das durch die Ladungsübertragungs-Verzögerungsleitung
zu übertragende Signal entweder als elektrisches Eingangssignal am Eingang 27 oder als optisches Signal eingegeben werden
kann.
Es sei angenommen, daß am Eingang 27 in Fig. 2 ein Videosignal eingegeben und unter dem Einfluß
der gegenphasigen Taktsignale A und B nach F i g. 3 A und 3 B übertragen wurde. Fi g. 3 C zeigt das
an der Drain-Elektrode des MOS-Transistors 21 verfügbare Signal, während Fig. 3D das an der Drain-Elektrode
des MOS-Transistors 22 verfügbare Signal zeigt. Betrachtet man die beiden Signale, so sieht man,
daß sie wegen der gegenphasigen Taktsignale um 180° gegeneinander phasenverschoben sind und daß der
Signalinhalt nach F i g. 3 D gegenüber dem Signal nach Fig. 3C um eine halbe Taktperiode voraneilt, und
zwar wegen der konsequenten Verschiebung des Signals durch die Ladungsübertragungsschaltung.
Würde man die Signalschwankungen an der Drain-Elektrode des MOS-Transistors 21 auf einem Fernseh-Monitorgerät
wiedergeben, so würden auf dem Bildschirm des Gerätes vertikale Balken bei den Linien
At1, z\f4 und so fort erscheinen.
Würde man andererseits das Signal an der Drain-
Elektrode des MOS-Transistors 22 (Fig. 3D) wiedergeben,
so würden auf dem Bildschirm des Monitorgerätes ebenfalls vertikale Balken bei den Linien
At3, At5 und so fort erscheinen. Die gestrichelten Linien
in Fig. 3C und 3D zeigen diejenigen Teile des
Signalvf.rlaufs an, die durch die Ladungsübertragung beeinflußt worden sind.
Jedoch ergibt die Summe der Signalverläufe nach Fig. 3Cund3DdasinFig. 3Egezeigte Videosignal.
Man sieht, daß dieses Signal frei von Taktspannungsausschwingungen ist und außerdem »Auffüll«-Videosignale
aufweist, so daß es dazu dient, die Zacken oder 2'ähne zu beseitigen. Das summierte Videosignal füllt
sämtliche Zeitintervalle mit modulierter Videoinformation aus, so daß bei Betrachtung des Signals nach
F i g. 3 E auf einem Monitorgerät auf dem Bildschirm des Gerätes keine vertikalen Balken zu sehen sind.
Das summierte Signal wird mittels eines in Fig. 2 gezeigten Summierverstärkers 30 erhalten. Der Summierverstärker
ist mit seinem einen Eingang an den Verbindungspunkt zwischen der Drain-Elektrode des
MOS-Transistors 21 und der Source-Eiektrode des MOS-Transistors 22 und mit seinem anderen Eingang
an den Verbindungspunkt zwischen der Drain-Elektrode des MOS-Transistors 22 und der Source-Elektrode
des MOS-Transistors 23 angeschlossen.
Der Summierverstärker 30 liefert an seinem Ausgang die Summe seiner Eingangssignale, wobei Voul
gleich der Summe der Signale nach Fi g. 3 C und 3 D ist.
Für den Summierverstärker 30 geeignete Schaltungsanordnungen sind allgemein bekannt; beispielsweise
können Operationsverstärker usw. dafür verwendet werden. Im vorliegenden Fall besteht die
Schaltung des Summierverstärkers aus zwei MOS-Transistoren, die mit ihren Drain-Elektroden zusammengeschaltet
und über einen Arbeitswiderstand an eine Betriebsspannungsquelle angeschlossen sind. Die
Source-Elektroden sind ebenfalls gemeinsam an einen Bezugspotentialpunkt angeschlossen. Die Gate-Elektrode
des einen Transistors ist an den Punkt P1 angeschlossen,
während die Gate-Elektrode des anderen Transistors an den Punkt P, angeschlossen ist. Bei
dieser Schaltungsweise ergibt sich am Drain-Elektrodenanschluß das summierte Signal.
Die Taktspannungen sind in Fig. 3 als gegenphasige Rechteckschwingungen gezeigt. Jedoch gibt es,
wie noch erklärt wird, eine Reihe von solchen Ladungsübertragungs-Verzögerungsleitungen
oder mit Ladungskopplung arbeitenden Lichtwandlern sowie andere Arten von Anordnungen, die im wesentlichen
mit Stromtastung arbeiten.
Die Ausgangssignale solcher Schaltungsanordnungen haben die in Fig. 4 A gezeigte Form. Wie man
aus dem Signalverlauf sieht, bestehen die Videosignale aus einer Reihe oder Folge von verhältnismäßig
schmalen Impulszacken.
Bei Verwendung der gleichen Schaltungsanordnung wie nach Fig. 2 haben die Taktsignale A und
B die in Fig. 4B bzw. 4C gezeigte Form.
Das Eingangssignal nach Fig. 4A wird dem Eingang
27 in Fig. 2 zugeleitet. Der Signalverlauf nach Fig. 4D zeigt das an der Drain-Elektrode des MOS-Transistors
20 in Fig. 2 erhältliche Signal.
Fig. 4E zeigt das an der Drain-Elektrode des
MOS-Transistors 21 erhältliche Signal, während Fig. 4Fdie an der Drain-Elektrode des MOS-Transistors
22 erhältliche Spannung zeigt.
Für die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 hat da: Ausgangsvideosignal die in Fig. 4G gezeigte Form
und es wird erhalten durch Summierung der Signale nach Fig. 4E und 4F. Wiederum sieht man deutlich
aus dem Signalverlauf nach Fig. 4 G, daß die scharfer Taktimpuls-Pegelsprünge beseitigt sind und sich eir
Videosignal mit ausgefülltem Videoteil ohne Pegelsprünge ergibt, die auf Grund der angelegten Taktfrequenzen
auftreten und in der Bildwiedergabe vertikale Balken hervorrufen.
Mit Hilfe der oben beschriebenen Schaltungen lassen sich auf einfache und billige Weise die unerwünschten
Zacken oder Zahnungen beseitigen, die andernfalls in einem Videosignal, das durch ein«; Verzögerungsleitung
vom Lichtwandlertyp übertragen wird, auftreten würden. Bei diesen Schaltungen werden
die Taktsignal-Pegelsprünge beseitigt, indem die sonst vorhandenen Zwischenräume mit einem Videosignalpegel
aufgefüllt werden, der anschließend an der betreffenden Stelle erscheint.
Da auf diese Weise das gleiche Videosignal für die doppelte Zeit wiederholt wird, ergibt sich kein Verlust
an effektiver Auflösung, wie es bei Filternetzwerken der Fall wäre.
Ferner lassen sich die Summierverstärkeranordnungen vollständig in integrierter Form im Zuge des
gleichen Verfahrens herstellen, das für die Bildung der erfindungsgemäßen mehrstufigen Verzögenungsleitungs-
und Lichtwandleranordnungen verwendet wird.
Beispiele von Signalen, die mit solchen bekannten Lichtfühlanordnungen erhalten werden, sowie die
Wirkungsweise solcher Anordnungen im allgemeinen sind in der Arbeit »Multielement Self-Scanned Mosaic
Sensors« von P. K. Wei m e r, W. S. Pi ke, G. Sad asiv,
F. V. Shallcross und L. Meray-Horvath in THE IEEE SPECTRUM, Volume 6, No. 3, März
1969. Seiten 52 bis 65, beschrieben. Diese Arbeit enthält ferner eine umfangreiche Bibliographie, worin
andere Arten von Lichtwandleranordnungen und Schaltungen zum Gewinnen von Videosignalen aus
solchen Anordnungen beschrieben sind.
Fig. 5 zeigt eine andere Art von Bildaufnahme-Lichtwandler
in geschichteter Ausbildung mit einer
ersten Schicht aus Silizium 60, auf der eine Schicht aus Siliziumdioxyd angebracht ist. Auf der Oberseite
der Siliziumdioxydschicht befindet sich eine Reihe von Metallfingern 61 oder Metallstegen.
Bei dieser Anordnung wird an der Oberfläche des
Halbleiterkörpers ein tiefes Verarmungsgebiet gebildet,
in dem Minoritätsträger gespeichert und dann unter Steuerung von geeigneten, den Metallfingern 61
zugeleiteten Signalen übertragen werden können. Diesen Metallfingern 61 werden dreiphasige Taktsi-
gnale A, B, C zugeleitet. Und zwar empfängt in einer
gegebenen Folge der erste Metallfinger ein Taktsignal mit der Phase 0° (.4), der nächste Metallfinger ein
Taktsignal mit der Phase 120° (B) und der dritte Metallfinger
ein Taktsignal mit der Phase 240° (C).
Diese Elemente sind lichtempfindlich. Durch das Licht werden Ladungsträger erzeugt, die sich an der
Oberfläche des Verarmungsgebietes ansammeln, bis sie übertragen werden. Durch die dreiphasigen Taktsignale
wird die Tiefe des einen Verarmungsgebietes
gegenüber der des benachbarten Verarmungsgebietes vergrößert, so daß die angesammelten Ladungsträger
von Verarmungsgebiet zu Verarmungsgebiet übertragen werden können. Wegen der bilateralen Beschaf-
fenheit solcher Elemente wird mit dreiphasigem Takt gearbeitet, um eine Rückkopplung von einem nachfolgenden
in das vorherige Verannungsgcbiet zu verhindern. Auf Grund der Beschaffenheit der dreiphasigen
Taktsignale sind die von solchen ladungsgckoppeltcn Anordnungen erhältlichen Videosignale ebenfalls
gezackt oder gezahnt. Dabei vergrößert sich das Problem noch dadurch, daß die einzelnen Taktsignalc
eine kürzere Dauer haben als bei Anordnungen der oben beschriebenen Art, die mit Zweiphasentakt arbeiten.
Die obenerwähnte Summierfunktion wird in diesem Fall dadurch erfüllt, daß die Ausgänge dreier aufeinanderfolgender
Ladungskoppelelemente an eine entsprechende Addierschaltung angeschlossen werden,
die beispielsweise aus drei MOS-Transistoren 62, 63 und 64 besteht, die mit ihren Drain-Source-Strekken
parallel zueinander liegen und mit ihren Gate-Elektroden jeweils an ein eigenes Element in der
Lichtwandleranordnung angeschlossen sind, das durch eines der drei Taktsignale aktiviert wird.
Auf diese Weise liefert ein gemeinsamer Arbeitswiderstand 65 für die drei MOS-Transistoren ein aufgefülltes,
spannungsgetastetes Videosignal. Die Gate-Elektroden der MOS-Transistoren sind an die
Anordnung über Diffusionsgebiete angekoppelt, die so angebracht sind, daß das Oberflächenpotential unter
den entsprechenden Mctallfingern getastet wird.
Auf diese Weise kann man die obengenannte Methode der Signaladdierung in einer Ladungsübcrtragungsanordnung
in aufeinanderfolgenden Stufen dazu verwenden, ebenfalls die Taktsignal-Pegelsprünge zu
beseitigen, die andernfalls auf Grund der für die Ladungsübertragung erforderlichen mehrphasigen
Taktsignale auftreten würden.
Die Ladungskoppelanordnung kann auch mit Zweiphasentakt betrieben werden, so daß die oben
beschriebene Summiermethode auf solche Anordnungen anwendbar ist.
Fig. (i zeigt die in der Schaltung nach Fig. 5 auftretenden
und die für die Ladungsübertragung brauchbaren Signal verlaufe.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
«9545/292
Claims (5)
1. Ladungsübertragungssystem, ζ. B. für eine Bildaufnahmeeinrichtung, mit einer schieberegisterartig
arbeitenden Verzögerungsleitung, die durch ein mehrphasiges Taktsignal gesteuert ist
und für jede diskret zu speichernde Ladungsmenge eine Gruppe aus einer der Anzahl der
Taktsignalphasen gleichen Anzahl von Ladungsspeicherelementen enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ladungsspeicherelemente (25,26; P1, P1, P,) einer Gruppe mit den Eingängen
einer Summierschaltung (30; 62, 63, 64, 65) verbunden sind.
2. Ladungsübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede
Gruppe eine Anzahl von Bauelementen (20 bis 23) mit je drei Elektroden enthält, die in Kaskade
geschaltet und jeweils mit ihrer ersten Elektrode an die zweite Elektrode des nächstfolgenden Elements
angeschlossen sind; daß die dritte Elektrode jedes der Bauelemente jeweils an einen der Schaltungseingänge
(A, B) ankoppelbar ist, und daß zwischen die erste und die dritte Elektrode jedes
der Bauelemente ein Speicherkondensator (24 bis 26) gekoppelt ist, der eine einem gewünschten Signalpegel
entsprechende steuerbar von dem zum ersten der Bauelemente gehörigen Kondensator
zum letzten der Bauelemente übertragbare Ladung speichert.
3. Ladungsübertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der
Bauelemente (20 bis 23) ein MOS-Feldeffekttransistor ist, dessen Drain-Elektrode die erste
Elektrode, dessen Source-Elektrode die zweite Elektrode und dessen Gate-Elektrode die dritte
Elektrode bilden.
4. Ladungsübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektroden
eines ersten Satzes der Bauelemente an eine Quelle eines periodischen Signals mit einer
vorbestimmten Bezugsphase und die Gate-Elektroden eines zweiten Satzes der Bauelemente an
eine Quelle eines periodischen Signals, das in seiner Phase der Bezugsphase um 180° vorauseilt,
ankoppelbar sind.
5. Ladungsübertragungssystem nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Summicrschaltung (30) zwei Feldeffekttransistoren mit jeweils Gate-Elektrode als Eingang,
Drain- und Source-Elektrode enthält, daß die beiden Source-Elektroden und die beiden Drain-Elektroden
zusammengeschaltet und die Drain-Elektroden über den Arbeitswiderstand an eine Betriebsspannungsquelle angeschlossen sind; daß
die Gate-Elektrode des ersten Feldeffekttransistors mit dem Verbindungspunkt zwischen der ersten
Elektrode eines der aktiven Bauelemente urd
der zweiten Elektrode des nächstfolgenden aktiven Bauelements gekoppelt ist; und daß die
Gate-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors mit dem Verbindungspunkt zwischen der ersten
Elektrode des nächstfolgenden aktiven Bauelements und der zweiten Elektrode des darauf folgenden
aktiven Bauelements gekoppelt ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ladungs übertragungssystem, ζ. B. für eine Bildaufnahmeein
richtung, mit einer schieberegisterartig arbeitender Verzögerungsleitung, die durch ein mehrphasige!
Taktsignal gesteuert ist und für jede diskret zu spei
chernde Ladungsmenge eine Gruppe aus einer Anzah der Taktsignalphasen gleichen Anzahl von Ladungs
speicherelementen enthält.
Ladungsübertragungssysteme oder »ladungsge-
koppelte Schaltungen« können hinsichtlich ihrer Arbeitsweise mit einem Schieberegister oder einer Eimerkette
verglichen werden, bei der die Ladung vor Kondensatoren durch ein Taktsignal auf ein benachbartes
Ladungsspeicherelement übertragen werden kann.
Ladungsübertragungssysteme können fur Bddauf-
nahmeeinrichtungen (optisch-elektrische Bildwandler)
verwendet werden, indem man die in den verschiedenen Ladungsspeicherelementen gespeicherten
Ladungsmengen direkt oder indirekt durch das Licht einer in elektrische Signale umzuwandelnden Lichtverteilung
erzeugt. Die auf diese Weise erzeugten Ladungsverteilungen werden dann durch Ladungsübertragung
zeilenweise zu entsprechenden Ausgängen
übertragen. Mit solchen Anordnungen lassen sich Halbtonbilder mit hoher Auflösung in elektrische Signale
umwandeln, vorausgesetzt, daß der Übertragungswirkungsgrad der ladungsgekoppelten Schaltung
in jedem Ladungsspeicherelement hoch ist und
(o bei allen Signalpegeln hoch bleibt.
Wenn die Ladungen mittels eines Taktgebers nacheinander zu einer Ausgangsklemme übertragen werden,
erhält man ein Videosignal mit Einschnitten, also ein impulsartiges oder gezahntes Signal. Das Videosi-
gnal ähnelt einem impulsamplitudenmodulierten Signal,
bei dem die Impulsfolgefrequenz und die Impulsbreite durch die Taktfrequenz und das Tastverhältnis
bestimmt werden, während die Impulsamplitude von dem Betrag der jeweiligen Ladungsmenge
und damit von der Lichtintensität in dem entsprechenden Elementarbereich der Lichtverteilung abhängt.
Wenn eine Bildwiedergabeeinrichtung mit einem gezahnten Signal gespeist wird, so treten im Bild
gleichmäßig beabstandete vertikale Balken auf. Man
kann diese Balken zwar durch Glättung der getakteten Signale integrieren oder anderweitig filtern, hierdurch
wird jedoch die Bildauflösung beeinträchtigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-
gründe, ein Ladungsübertragungssystem zu schaffen,
das ein mehr oder weniger stetiges Ausgangssignal, also ein Ausgangssignal ohne Einschnitte liefert.
Diese Aufgabe wird durch ein Ladungsübertragungssystem der eingangs genannten Art gelöst, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ladungsspeicherelemente einer Gruppe mit den Eingängen einer
Summierschaltung verbunden sind.
Durch diese Maßnahme wird das Auftreten von Einschnitten im Ausgangssignal verhindert, ohne die
Auflösung nennenswert zu beeinträchtigen.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des vorliegenden Ladungsübertragungssystems sind Bildaufnahmeeinrichtungen;
dabei kann das Ladungsübertragungssystem einen Teil der Bildaufnahmevorrichtung bilden oder eine zusätzliche, nach Art einer Verzögerungsleitung
oder Eimerkette arbeitende Anordnung sein.
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