DE2326875A1

DE2326875A1 - Transversalfrequenzfilteer

Info

Publication number: DE2326875A1
Application number: DE2326875A
Authority: DE
Inventors: Dennis Darcy Buss
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1972-05-26
Filing date: 1973-05-25
Publication date: 1973-12-06
Also published as: JPS4943549A; NL7306902A; US3997973A

Description

Transversalfrequenzfilter

Die Erfindung bezieht sich auf Frequenzfilter und insbesondere auf ein Transversalfilter mit ^adungsubertragungsbauelementen_? das eine in ausgewählter Weise veränderliche Frequenzkennlinie auf v/eistj es werden auch Anwendungsverfahren für solche Filter beschrieben.

Auf dem Gebiet der Elektronik werden in vielen Fällen verschiedene Arten von Frequenzfiltembenötigt. Es werden beispielsweise bei Übertragungssystemen mit gespreiztem Spektrum^ in der Radartechnik usw. angepaßte Filter für Chirp-Signale benötigt. Derzeit sind akustische Oberflächenwellenbauelemente im wesentlichen die einzigen praktischen Einrichtungen zir Schaffung angepaßter Filter für Chirp-Signale. Oberflächenwellenbauelemente arbeiten jedoch bei Frequenzen im UHF-und VHF-Bereich; für einen Niederfrequenzbetrieb sind sie nicht wirksam. Andere Anwendungsfälle von Filtern sind Bandfilter, die in zahlreichen elektronischen Geräten zur Auswahl einer bestimmten Frequenz benötigt werden. In vielen Fällen ist ein Bandpaßfilter erwünscht, dessen Durchlaßfrequenz-

Schw/Ba

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ORtOlNAU

"²" 232687Ξ

bereich in ausgewählter Weise ohne strukturelle Veränderung des-Filters geändert werden kann. Vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit aus ist es oft zwingend vorgeschrieben, die Filter ausschließlich unter Verwendung von Halbleitervorrichtungen herzustellen, die auf einem HaIbleiterplättchen integriert sind.

Mit Hilfe der Erfindung soll demnach ein Bandfilter geschaffen werden, das einen variablen Durchlaßbereich und eine lineare Phasenbeziehung im Durchlaßbereich aufweist. Ferner soll mit Hilfe der Erfindung ein „angepaßtes Filter für Chirp<-Signale geschaffen werden, das bei relativ niedrigen Frequenzen betriebsfähig ist. Auch soll mit Hilfe der Erfindung ein Transversalbandfilter mit Ladungsubertragungselementen geschaffen werden, dessen Durchlaßfrequenzbereich in Abhängigkeit von der an die Ladungsüberträgungselemente angelegten Taktfrequenz variabel ist. Weiterhin soll mit Hilfe der Erfindung ein angepaßtes Transversalfilter mit Ladungsubertragungselementen für Chirp-Signale geschaffen werden, das eine minimale Anzahl von Nyquist-Abtastwerten erfordert. Ferner soll ein angepaßtes Transversalfilter mit Ladungsubertragungselementen für ein frequenzveränderliches Eingangssignal geschaffen werden, bei dem sich die Taktfrequenz in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals ändert. Weiterhin soll ein Transversalfilter mit Ladungsubertragungselementen geschaffen werden, das mehrere Anzapfungen aufweist, die derart bewertet sind, daß eine Impulsantwort entsprechend der Fourier-Transformierten eines vorgewählten Frequenzgangs erzeugt wird. Außerdem soll mit Hilfe der Erfindung ein Verfahren zur Feststellung eines vorgewählten Chirp-Signals unter Verwendung eines Transversalfilters angegeben werden, bei dem eine minimale Anzahl von Schieberegister-Bitpositionen benötigt wird.

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Erfindungsgemäß enthält das Transversalfilter ein aus Ladungsübertragungselementen aufgebautes Schieberegister, das vorzugsweise auf einem Halbleiterplättchen integriert ist.Vorrichtungen mit Ladungsübertragungselementen lamfassen hier ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD-Vorrichtungen) und Eimerkettenvorrichtungen (bucket-brigades ) (BB-Vorrichtungen),wobei die zuletzt genannten Vorrichtungen im wesentlichen aus einer Reihe von Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGFET) bestehen, deren Source- und Drain-Anschlüsse miteinander verbunden sind und deren Gate-Elektroden kapazitiv an die Drain-Elektroden angekoppelt sind. Jeder der Speicherplätze der CCD-Vorrichtungen oder der BB-Vorrichtungen kann zur Feststellung der Amplitude des darin gespeicherten Analogsignals angezapft, d.h. abgetastet werden.

In einer Ausführungsform werden die an den Anzapfungen abgenommenen Signale jeweils bewertet, so daß eine Impulsantwort entsteht, die die Fourier-Transformierte (FT) einer gewünschten Frequenzkennlinie ist. Die Anzapfungen können ferner so bewertet sein, daß sich eine bessere Nebenkeulenunterdrückung ergibt. Das Eingangssignal wird mit einer Geschwindigkeit abgetastet, die gleich oder größer als das Nyquist-Abtastmaß entsprechend der gewünschten Mittenfrequenz des Filters ist, also mit wenigstens zwei Abtastungen pro Wellenlänge. Dem Fachmann ist bekannt, daß eine derartige Abtastung zur Definition einer Sinuswelle wirksam ist. In manchen Fällen ist es erwünscht, zur Verringerung von Harmonischen mit einer über dem Nyquist-Abtastmaß liegenden Geschwindigkeit abzutasten. Die bewerteten Signale werden zur Erzeugung des korrelierten Ausgangssignals summiert. " '

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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, bildet das Transversalfilter mit Ladungsübertragungselementen ein angepaßtes Filter für ein Chirp-Signal. Das Ausgangssignal kann durch Abtasten des Signals mit dem Nyquist-Abtastmaß entsprechend der höchsten Frequenz des Chirp-Signals erhalten werden. In einem solchen Fall werden die niederfrequenten Anteile des Chirp-Signals mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit als dem Nyquist-Abtastmaß abgetastet;da .jeder Abtastwert einen Speicherplatz in der Ladungsübertragungsvorrichtung erfordert, ist die Zahl der Vorrichtungen ziemlich groß. Demnach wird beim Betrieb des erfindungsgemäßen Filters die an die Ladungsübertragungsvorrichtungen angelegte Taktgeschv/indigkeit in Abhängigkeit von der Frequenzänderung der Chirp-Signale verändert. Das bedeutet, daß sich bei einem linearen Durchlauf des Chirp-Signals von der Frequenz f^ zur Frequenz f₂ die Abtastgeschwindigkeit ebenfalls linear von einer dem Nyquist-Abtastmaß bei der Frequenz f^ entsprechenden Frequenz zu einer dem Nyquist-Abtastmaß bei der Frequenz f~ entsprechenden Frequenz läuft. Eine solche Taktanordnung führt zu einer beträchtlichen Herabsetzung der Zahl der Speicherplätze für ein gegebenes Chirp-Signal, da jede Frequenzkomponente des Chirp-Signals mit einer minimalen Häufigkeit abgetastet wird, nämlich mit dem Nyquist-Abtastmaß.

Erfindungsgemäß wird angegeben, wie ein vorgewähltes Chirp-Signal mit bekannter Frequenzänderung und Dauer unter Verwendung eines Ladungsübertragungs-Schieberegisters festgestellt werden kann. Bei Anwendung dieses Verfahrens ist eine minimale Anzahl von Schieberegister-Bitpositionen erforderlich.Bei dem Verfahren wird an das Ladungsübertragungs-Schieberegister ein Chirp-Eingangssignal angelegt, und die Taktfrequenz der Ladungsübertragungsvorrichtungen wird entsprechend den Frequenzänderungen

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des vorgewählten Chirp-Signals in ausgewählter Weise verändert. Auf diese Weise wird das Eingangssignal während jeder Wellenlänge des vorgewählten Chirp-Signals nur zweimal abgetastet. Die in jeder Bitposition gespeicherte Ladung wird dann über hochohmige Anzapfungen abgetastet, und die auf diese .Weise erhaltenen Signale werden in ausgewählter Weise summiert, damit das korrelierte Ausgangssignal entsteht. Wenn das Eingangssignal hinsichtlich der Frequenzänderung und der Dauer dem vorgewählten Chirp-Signal entspricht j ist das Ausgangssignal groß.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 ein Blöckschaltbild eines erfindungsgemäßen angepaßten Filters,

Fig.2 eine Schnittansicht einer ladungsgekoppelten Vor-' richtung,

Fig.3 eine Schnittansicht einer Eimerketten-Vorrichtung, Fig.4 eine mit dem Nyquist-Abtastmaß abgetastete Schwingung,

Fig.5 ein Blockschaltbild eines Transversalfilters zur Erzeugung eines korrelierten Ausgangssignals aus dem in Fig.4 abgetasteten Signal,

Fig.6 eine schematische Ansicht eines Speicherplatzes mit einer Eimerkettenvorrichtung mit einer Anzapfung, die mit Hilfe eines IGFET -Verstärkers in Sourcefolger-Schaltung bewertet ist,

Fig.7 eine Draufsicht auf eine ladungsgekoppelte Vorrichtung mit einem kapazitiv bewerteten Spannungsabgriff,

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Fig.8a eine schematische Ansicht eines Teils eines nach der Erfindung hergestellten Bandfilters mit einer 12-Bit-Eimerkettenvorrichtung,

Fig.8b den mit Hilfe des in Fig.8a dargestellten Bandfilters erhaltenen Frequenzgang ,

Fig.9a ein repräsentatives Chirp-Signal,das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Transversalfilters angepaßt werden kann, und

Fig.9b eine Darstellung der veränderlichen Taktfrequenz, die zur Minimalisierung der Anzahl der Abtastungen des Signals von Fig.9a verwendet werden kann.

Fig.1 zeigt in Form eines Blockschaltbilds ein angepaßtes Transversalfrequenzfilter. Das Filter enthält eine Reihe von Speicherplätzen 10, 12, 14, 16 und 18, die miteinander verbunden sind und wie ein Schieberegister oder eine Analogverzögerungsleitung wirken. Das zu filternde Eingangssignal wird periodisch abgetastet, damit eine Reihe von zeitabhängigen Spannungsimpulsen erhalten wird. Diese Spannungsimpulse werden nacheinander an das Schieberegister angelegt und in den entsprechenden Speicherplätzen gespeichert. Wie aus Fig.1 hervorgeht, wird die Folge von Spannungsimpulsen an den Speicherplatz 10 angelegt, und sie wird dann längs der verschiedenen Verzögerungselemente in der Art eines Schieberegisters entsprechend verschoben.

Das in jedem der Speicherplätze gespeicherte Analogsignal wird abgetastet, damit ein der Amplitude des gespeicherten Signals entsprechendes Signal erzeugt wird. Die abgetasteten Signale sind in Fig.1 mit V^, V^» V,, V^, .... V_n angegeben.

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D.h. in anderen Worten, daß bei einer N-maligen Abtastung des Eingangssignals jeder der Speicherplätze 10 bis 18" ein dem Eingangssignal entsprechendes Signal speichert, •wobei das im Speicherplatz 18 gespeicherte Signal dem ersten Abtastwert des Eingangssignals entspricht, während das im Speicherplatz 10 gespeicherte Signal dem zuletzt abgetasteten Wert entspricht. Das Signal im Speicherplatz 10 ist hinsichtlich des Signals im Speicherplatz 18 zeitverzögert. Die Abtastsignale V₁ bis V_n ergeben gleichzeitig auftretende Signale, die den in den jeweiligen Bitpositionen des Schieberegisters gespeicherten Signalen entsprechen. ,

Die an den Abgriffen abgetasteten Signale können entsprechend einer vorgewählten Funktion bewertet werden. Anordnungen zum Bewerten der abgetasteten Signale sind in Pig.1 mit h^, h₂, h-3, ... h bezeichnet. Schaltungsanordnungen zur Erzielung der gewünschten Bewertung sind unten im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 genauer beschrieben. Die bewerteten Signale werden in der Einheit 20 summiert, damit ein korreliertes Ausgangssignal 22 entsteht. Wie unten noch genauer erläutert wird, kann das in Fig.1 allgemein dargestellte angepaßte Filter dazu verwendet werden, ein , Bandfilter zu erhalten, das einen Frequenzdurchlaßbereich aufweist, dessen Mittenfrequenz einfach durch Verändern der an die Schieberegister-Verzögerungsleitung mit den Speicherplätzen 10 bis 18 angelegten Taktfrequenz verändert werden kann;' es kann auch so aufgebaut werden, daß es ein angepaßtes Filter für ein Chirp-Eingangssignal ergibt, das eine minimale Anzahl von Bitpositionen benötigt.

Das hier beschriebene Schieberegister besteht aus Ladungsübertragungsvorrichtungen. Wie oben bereits erläutert wurde, umfassen Ladungsübertragungsvorrichtungen Eimerkettenvorrichtungen (bucket-brigades) und ladungsgekoppelte

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Vorrichtungen. Wie dem Fachmann bekannt ist,bewirken diese Anordnungen die Speicherung und die Übertragung von Analogsignalen. Ferner sind Ladungsübertragungsvorrichtungen besonders vorteilhaft, da sie weniger kompliziert und demnach billiger als herkömmliche Schieberegister sind.

Zur Herstellung der Ladungsübertragungsvo rrxchtungen können übliche Herstellungsverfahren für Halbleiterbauelemente angewendet werden; solche Verfahren sind bereits ausführlich beschrieben worden, so daß sie hier nicht mehr angegeben werden müssen. Allgemein gilt, daß eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD-Vorrichtung) Ladung in Potentialsenken speichert , die von Elektrode zu Elektrode bewegt werden. Durch Beeinflussen der Ladung längs einer Reihe von Elektroden arbeitet die CCD-Vorrichtung als Schieberegister. Der Grundaufbau einer dreiphasigen CCD-Vorrichtung ist in Fig.2 dargestellt.

Fig.2 zeigt ein Halbleitersubstrat 24, das typischerweise aus N-leitendem Silizium besteht, doch könnten natürlich auch andere Halbleitermaterialien und Leitungstypen verwendet werden. Auf einer Fläche des Substrats 24 ist eine relativ dünne isolierende Schicht 26 gebildet. Ein besonders geeignetes Isolationsmaterial ist Siliziumoxid, das gewöhnlich in einer Dicke von weniger als 2000 A abgeschieden wird. Über der isolierenden Schicht 26 sind mehrere, in dichtem Abstand nebeneinanderliegende Elektroden 26 angebracht. Diese Elektroden liegen typischerweise in einem Abstand in der Größenordnung von 3 vm. oder weniger voneinander entfernt. Für die dreiphasige CCD-Vorrichtung sind drei Takt spannungen V.., Vp und V-* erforderlich. Wenn für das Substrat N-leitendes Silizium verwendet wird, sind die

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Taktspannungen negativ.

Beim Betrieb der CCD-Vorrichtung wird Ladung in Potentialsenken gespeichert, und sie wird zwischen diesen Senken übertragen. Im Speicherbetrieb einer dreiphasigen CCD-Vorrichtung ist die Spannung V2 größer als die Vorspannung V^s und sie bildet eine Potentialsenke, die die Ladung festhält. Im Übertragungsbetrieb bewegt sich die Ladung zur nächsten Elektrode, wenn eine noch größere Spannung V^ an diese Elektrode angelegt wird, so daß eine größere Potentialsenke entsteht, in die die Ladung abgespeichert wird.

Ladungsübertragungsvorrichtungen vom Typ der Eimerketten-Vorrichtungen (BB- Vor richtungen) bestehen im wesentlichen aus einer Reihe von Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGFET) , deren Source- uriä Drain-Elektroden verbunden sindj, und deren Cate-Elektroden kapazitiv an die Drain-Elektroden angekoppelt sind» Der grundsätzliche . Aufbau einer BB-Vorrichtung ist in Figo3 dargestellt.

Fig.3 zeigt ein typischerweise aus N-Xeitendem Silizium bestehendes Halbleitersubstrat 30. In der Oberfläche des Substrats 30 werden mit Hilfe bekannter, selektiver Dotierungsverfahren mehrere Inseln vom entgegengesetzten Leitungstyp gebildete In dem in Fig.3 dargestellten Beispiel sind diese (P+)-leitenden Inseln bei 32 dargestellt; sie bilden Source- und Drain-Elektroden der Feldeffekttransistoren der BB-Vorrichtung. Über dem Substrat und den Inseln 32 vom entgegengesetzten Leitungstyp ist eine relativ dünne isolierende Schicht 34 aus beispielsweise Siliziumoxid mit einer Dicke von weniger als 2000 S gebildete Natürlich könnten auch andere Isola--

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tionsmaterialien verwendet werden. Über dem Substrat sind im Abstand voneinander liegende leitende Gate-Elektroden 36 · gebildet. Jede Gate-Elektrode erstreckt sich, über dem Bereich des Substrats 30, der zwischen zwei der (P+)leitenden Inseln 32 liegt. Das bedeutet, daß die Gate-Elektroden über den Kanalzonen liegen. In dem Aufbau der BB-Vorrichtung ist jedoch zu erkennen, daß sich die Gate-Elektroden über einen wesentlichen Teil der Drain-Zone des entsprechenden Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode erstrecken. Beispielsweise sei der Feldeffekttransistor betrachtet, der von der Source-Zone 32b, der Drain-Zone 32a und derGate-Elektrode 36a gebildet wird. Ein Abschnitt 36b der Gate-Elektrode 36a erstreckt sich über einen beträchtlichen Teil der Drain-Zone 32a. Dies erzeugt eine vergrößerte Gate-Drain-Kapazität, die beim Betrieb der BB-Vorrichtung ausgenützt wird.

Die BB-Vorrichtung arbeitet in zwei ÜTbertragungsbetriebsarten mit zwei Taktspannungen Φ^ und Φ2* Im Speicherbetrieb liegen alle Gate-Elektroden 36 auf dem gleichen Potential. Im Übertragungsbetrieb wird das Potential an einer Gate-Elektrode so groß gemacht, daß die Potentialschwelle herabgesetzt wird und daß Ladung von einer (P+)-leitenden Insel zur benachbarten Insel fließen kann.-Dieser Vorgang wird solange wiederholt ₉ bis die Ladung in der Art eines normalen Schieberegisters durch die Vorrichtung übertragen worden ist«,

Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ladungsübertragungsvorrichtungen können zur Erzielung der Schieberegisterwirkung der Speicherplätze 10 bis 18 in den im Zusammenhang mit Fig.1 allgemein beschriebenen angepaßten Filter verwendet werden«, Wie oben erwähnt wurde, ist das hier beschriebene Filter ein Transversalfilter„ bei dem das von Nyquist angegebene Prinzip angewendet wird_? daß

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eine sinusförmige Schwingung durch ein wenigstens zweimaliges Abtasten während jeder Wellenlänge definiert werden kann. In diesem Zusammenhang ist in Fig.4 eine sinusförmige' Schwingung dargestellt. Es sind sechs Wellenlängen dargestellt, die mit dem Nyquist-Abtastmaß abgetastet werden; die entsprechenden Abtastwerte sind bei V^ bis V^p angegeben. Es ist zu erkennen, daß alle Abtastwerte mit ungeradzahligem Index positive Spannungen sind, während alle Abtastwerte mit einem geradzahligen Index negative Spannungen sind.

Fig.5 zeigt eine Anordnung zur Erzielung eines korrelierten Ausgangssignals aus der bei V^ bis V^₂ abgetasteten Schwingung von Fig.4. Das am Eingang 42 angelegte Signal besteht ,aus den aufeinanderfolgenden Momentanwerten der Spannung V^ bis V₁₂* ^Es sind zwölf Speicherplätze vorgesehen," die ein Schieberegister zum Speichern der entsprechenden Werte der Spannungen V-, bis V^₂ bilden. Die Ladungsübertragungsvorrichtungen, die die Speicherplätze bilden, werden mit einer solchen Frequenz getaktet, daß für jede Wellenlänge bei der Frequenz des in Fig.4 dargestellten Schwingung zwei Abtastwerte gebildet werden. (Das bedeutet, daß die Schwingung mit dem Nyquist-Abtastmaß abgetastet wird). Das an jedem Speicherplatz gespeicherte Signal wird an einem (allgemein bei 43 dargestellten) Knoten abgegriffen, und die abgegriffenen Signalswerden summiert und an einen Differenzverstärker 48 angelegt.

Es ist zu erkennen, daß der erste Abtastwert V^ des Eingangssignals von Fig.4 einen positiven Wert hat und im Element D^₂ von Fig.5 gespeichert wird, während der letzte Abtastwert V₁₂ während des Intervalls , in dem alle 12 Abtastwerte in dem Schieberegister aus den Elementen D^ bis D₁₂ gespeichert werden, im Element D₁ gespeichert wird. Die in den Elementen D₂, D^ ... D₁₂ gespeicherten Signale haben positive Werte (entsprechend

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den abgetasteten Spannungen V^, V^, Y^..·. V^); sie werden an einer gemeinsamen Leitung 46 summiert und in den Differenzverstärker 48 eingegeben. Die in den Elementen D^, Dv,... D^ gespeicherten Signale sind Spannungen mit negativen Werten, die auf der gemeinsamen Leitung 44 summiert und in den Differenzverstärker eingegeben werden. Es ist zu erkennen, daß die Differenz der Spannungen an den Leitungen 44 urrL46 einen maximalen Wert hat und ein korreliertes Ausgangssignal 50 liefert, wenn ein Eingangssignal der in Fig.4 dargestellten Art eine Frequenz aufweist,, die der von der Taktfrequenz der Schieberegisterelemente D^ bis D₁ ρ bestimmten Abtastgeschwindigkeit entspricht, bei der das Signal mit dem Nyquist-Abtastmaß (oder häufiger ) abgetastet v/ird. In anderen Worten heißt das, daß bei einer gegebenen Taktfrequenz des Ladungsübertragungs-Schieberegisters nur eine Signalfrequenz durchgelassen wird. Somit kann durch Verändern der Taktfrequenz die Mittenfrequenz des Bandpasses gesteuert werden.

Eine Ausführungsform des hier beschriebenen Bandfilters besitzt eine vorgewählte Durchlaßkennlinie,, und es weist eine Bandmittenfrequenz auf, die durch bloßes Ändern der Taktfrequenz der Ladungsübertragungsvorrichtungen verändert werden kann. Das angepaßte Filter besitzt Anzapfungen, die derart bewertet sind, daß eine Impulsantwort entsteht, die die Fouriertransfomierte (FT) eines gewünschten Frequenzgangs darstellt. Beispielsweise kann die k-te Anzapfung des Schieberegisters so bewertet sein, daß sie das Anzapfungsgewicht

^hk = ^{sin (}—>

hat, wobei N_T die Zahl der Anzapfungen pro Wellenlänge der Impulsantwort des Filters ist und größer oder gleich ist. Die Impulsantwort des Filters kann durch die

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folgende Gleichung angenähert werden;

wobei f (t^A) die Taktfrequenz der Ladungsübertragungsvorrichtungen ist, die zeitlich veränderlich ist. Für das Bandfilter ist die Taktfrequenz f_Q unabhängig von der Zeit, so daß die Impulsantwort durch die Gleichung

'2nf_ct _sin__

für eine Gesamtheit von KL· Wellenlängen der Impuls antwort angenähert werden kann« Da jede Wellenlänge oder Periodendauer N~ mal abgetastet wird₈ ergibt sich die Gesamtzahl der Speicherplätze N_ß aus N^N^; ein derartiges Filter läßt Signale mit einer Frequenz f durch, die bei der folgenden Frequenz liegt%

Daraus ist zu erkennen* daß die Mittenfrequenz des Bandfilters von derTaktfrequenz bestimmt wird«

Zum Bewerten der Anzapfungen der Verzögerungsleitung oder des Schieberegisters können verschiedene- Verfahren angewendet werden. So zeigt beispielsweise Fig„6 schematisch eine Bewertungsanordnung₉ bei der ein IGFET-Verstärker mit Source-Folgerschaltung verwendet wird« Diese Bewertungsmöglichkeit ist insbesondere bei der Anordnung vorteilhaft, bei der das Ladungsübertragungs-Schieberegister aus einer BB-Vorrichtung besteht.

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Nach Fig.6 enthält der Speicherplatz des Schieberegisters, d.h. ein Eimerkettenelement (BB-Element) die IGFET-Transistoren T-, und T₂. ^^ie &er Fachmann erkennt, wird das Signal durch die vergrößerte Gate-Drain-Kapazität C gespeichert. Diese kapazität ist in Fig.3 als der Überlappungsbereich 36b der Gate-Elektrode dargestellt. Die Taktsignale Φ^ υηάΦ₂ werden an die Gate-Elektroden der Transistoren T^ bzw. T₂ angelegt. Ein Verstärker mit Source-Folgerschaltung "enthält die Transistoren T-* und T^. Die Gate-Elektrode des Transistors T^ ist an einen Knoten 52 angeschlossen; sie stellt die Anwesenheit des in der Gate-Drain-Kapazität C^ gespeicherten Signals fest. Der Transistor T-* bildet einen hochohmigen Abgriff, so daß er kein Abfliessen der gespeicherten Ladung in der Kapazität T^ bewirkt, die das Signal darstellt. Das Ausgangssignal wird von der Drain-Elektrode des Transistors T^- abgenommen, und der Wert des Signals wird entsprechend der Impedanz des Transistors T^ bewertet. Vorzugsweise wird die Impedanz des Transistors Τλ durch Bestimmen des Verhältnisses von Breite zu Länge (¥/L) der Gate-Elektrode des Transistors gesteuert. Natürlich können auch andere Verfahren angewendet werden; beispielsweise kann die an den Transistor T^ angelegte Gate-Spannung verändert werden.

Auf diese Weise kann ^edes Speicherelement des Ladungsübertragungs-Schieberegisters durch Steuern des W/L-Verhältnisses des Sourcefolger-Verstärkers bewertet werden, so daß ein Transversal-Frequenzbandfilter mit einem vorbestimmten Frequenzgang erzeugt wird. Die Bewertung kann beispielsweise so gesteuert werden, daß eine gewünschte Nebenkeulenunterdrückung des Antwortverlaufs erzielt wird* Bei der nachfolgenden Erörterung von Fig.8 sind repräsentative Bewertungsgrößen für ein Bandfilter mit einer 12-Bit-BB-Vorrichtung zur Erzeugung einer Nebenkeulenunterdrückung von etwa 20 dB dargestellt»

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Fig.7 zeigt eine andere Möglichkeit zur Bewertung der abgetasteten Signale im Zusammenhang mit einer CCD-Vorrichtung. Bei diesem Verfahren ¥ird der Wert des gespeicherten Signals durch Integrieren des Taktstroms "bestimmt, der zur ¥iederaufladung der Elektrodenkapazität erforderlich ist. Dieses Verfahren eignet sich besonders für CCD-Vorrichtungen, doch kann es auch bei BB-Vorrichtungen angewendet werden. Ebenso könnte das in Fig.6 dargestellte Verfahren, das vorzugsweise für BB-Vorrichtungen verwendet wird, auf Wunsch auch bei CCD-Vorrichtungen angewendet werden.

Bei dem in Fig.7 dargestellten Verfahren wird der Gesamtwert des gespeicherten Signals durch die Strommenge bestimmt, die zum Wiederaufladen der Elektroden A, B, C und D benötigt wird. Wie aus der Darstellung hervorgeht, wird der Strom nur beim Taktsignal V* gemessen, und nur die diesem Taktsignal zugeordneten Elektroden müssen bewertet werden. Es kann erwünscht sein, den Strom in allen Taktleitungen zur Verbesserung des Rauschab Standes zu messen. Dies würde eine Bewertung aller Elektroden erfordern. Eine Bewertungsfunktion kann dadurch eingeführt werden, daß die Elektrode in zwei getrennte Abschnitte aufgeteilt wird, und daß nur ein ausgewählter Anteil des Stroms gemessen wird, der zum Wiederaufladen der Elektrode auf ein Bezugspotential benötigt wird. Dies ist in Fig.7 dargestellt, wo die Elektrode A aus zwei Abschnitten 54 und 56 besteht. Es ist zu erkennen, daß beide Abschnitte der Elektrode A an die Taktspannung V, angelegt sind, daß jedoch der zum Wiederaufladen der dem Abschnitt 56 zugeordneten Kapazität auf ihr Bezugspotential benötigte Strom und der zum Wiederaufladen der dem Abschnitt 54 zugeordneten Kapazität benötigte Strom getrennt meßbar sind, wie durch die Strommeßvorrichtungen 58 und 60 angegeben ist. Wie schematisch

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dargestellt ist, sind zur Erzielung des korrelierten Ausgangssignals alle rechts liegenden Abschnitte der den gespeicherten Signalen zugeordneten Elektroden miteinander verbunden (wobei daran erinnert sei, daß bei einer dreiphasigen CCD-Vorrichtung nur jede dritte Elektrode Ladung speichert), und in gleicher Weise sind die links liegenden Abschnitte miteinander verbunden; die Stromdifferenz ergibt das gewünschte bewertete Signal.

Fig.8a zeigt eine Bit-Position eines nach dem hier beschriebenen Verfahren aufgebauten Transversal-Frequenzbandfliters mit einer 12-Bit-BB-Vorrichtung. Das im Zusammenhang mit Fig.6 beschriebene Bewertungsverfahren wurde mit der Ausnahme angewendet, daß aus Zweckmässigkeitsgründen externe Widerstände 62 zur Erzielung der gewünschten Impedanz für die Bewertungsfunktion und nicht die bevorzugte Steuerung des W/L-Verhältnisses angewendet wurden. Die BB-Vorrichtung wurde auf N-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 1,45 Ohm cm hergestellt. Es wurde eine Versorgungsspannung V^₀ von etwa -18 Volt zusammen mit einer Taktspannung von-10 Volt verwendet. Die externen Widerstände wurden so ausgewählt, daß sich eine Abtastung von 6 Perioden der Sinusschwingung mit dem Nyquist-Abtastmaß und eine Bewertung zur Erzielung einer guten. Nebenkeulenunterdrückung ergaben. Wenn beispielsweise auf Fig.4 Bezug genommen wird, in der eine Abtastung mit dem Nyquist-Abtastmaß bei einer Sinusschwingung mit sechs Wellenlängen dargestellt ist, wurden die Abtastwerte Vy, bis V^p fflit externen Widerständen gemäß der nachfolgenden Aufstellung bewertet: ...

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	17 -	5OkO	2326875
^V1	38 k Q
	30 k _Ω
^V3	25 kQ
	22 kD
V₅	20 kO
^V6	20 kO
V₇	22 kQ
^V8	25 k Ω
^V9	3OkQ
^V10	38 k Ω
V₁₁	50 kß*
V₁₂

In Fig.8b ist der Bandpaß-Frequenzgang des nach Fig.8a aufgebauten Filters dargestellt. ¥ie zu erkennen ist, liegt eine Nebenkeulenunterdrückung von etwa 20 dB für einen Bandpaß mit einer Mittenfrequenz von 10 kHz vor.

Ein Transversalfilter kann auch zur Bildung eines angepaßten Filters für ein Chirp-Eingangssignal verwendet werden, Fig.9a zeigt ein typisches Chirp-Signal, das von einer niedrigen Frequenz f., zu einer höheren Frequenz f₂ während eines gegebenen Zeitintervalls läuft. Ein angepaßtes Filter kann erzeugt werden, indem das Eingangssignal mit dem der höchsten Frequenz(bei dem Signal von Fig.9a mit der Frequenz f₂) entsprechenden Nyquist-Abtastmaß abgetastet wird«, In diesem Fall würde nach der Abtastung einer ausgewählten Anzahl von Wellenlängen entsprechend demFrequenzhub des Chirp-Signals ein in Fig.1 allgemein dargestelltes Filter ein korreliertes Ausgangssignal erzeugen. Eine Abtastung mit dem der höchsten Frequenz entsprechenden Nyquist-Abtastmaß

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erfordert eine große Anzahl von Abtastwerten und dem .-entsprechend eine große Anzahl von Schieberegister ■-Bitpositionen . Die Zahl der Abtastwerte kann reduziert v/erden, indem die niederfrequenten Anteile des Chirp-Signals nur mit dem Nyquist-Abtastmaß abgetastet v/erden. Bei Verwendung einer festen Taktfrequenz werden die niederfrequenten Anteile des Chirp-Signals wesentlich häufiger abgetastet, als es erforderlich ist. Wenn jedoch die Taktfrequenz in der in Fig,9b dargestellten Weise verändert wird (für den Fall, daß sich die Frequenz des Chirp-Signals linear ändert), dann werden alle Frequenzanteile des Chirp-Signals mit dem minimalen Abtastmaß,(d.h. dem Nyquist-Abtastmaß) abgetastet, und die Zahl der Abtastwerte wird auf ein Minimum herabgesetzt. Die Einsparungen können beträchtlich sein. Wenn beispielsweise der Frequenzhub des Chirp-Signals wesentlich größer als die Anfangsfrequenz f* ist, dann können Einsparungen von etwa der Hälfte der gesamten Bit-Positionen (im Vergleich zu einer festen Taktfrequenz) erzielt werden. In den Figuren 6 und 7 sind Taktgeber mit variabler Frequenz bei 55 angegeben. Solche Taktgeber sind bekannt, so daß sie hier nicht näher beschrieben werden·

Die Anwendung von Ladungsübertragungsvorrichtungen zur Bildung von Transversalfrequenzfiltern führt zu zahlreichen vorteilhaften Ergebnissen. Beispielsweise erzeugt das Bandpaßfilter einen Frequenzgang mit einer linearen Phase im Durchlaßbereich.Sine derartige Kennlinie ist bei herkömmlichen Resonanzfiltern nicht möglich. Ferner sind Ladungsübertragungsvorrichtungen Bauelemente mit niedrigen Signalpegeln, und sie sind durch einen extrem niedrigen Rauschpegel gekennzeichnet. Dies ermöglicht oft die direkte Abtastung des Signals ohne vorherige Verstärkung in einem Breitbandverstärker. Das hier beschriebene angepaßte Filter

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für Chirp-Signale kann in vorteilhafter Welse bei niedrigen Frequenzen arbeiten ( im wesentlichen von Gleichspannungssignalen bis zum Megahertz-Bereich). Dies gilt im Unterschied zu der einzigen anderen wirksamen Art von angepaßten Filtern für Chirp-Signale, nämlich akustischen Oberflächenwellenvorrichtung, die nur bei hohen Frequenzen (im Mikrowellenbereich) arbeiten. Bei dem hier beschriebenen Bandfilter kann die Mittenfrequenz des Durchlaßbereichs durch einfaches Verändern der Taktfrequenz abgeglichen werden. Ein solches Filter weist ganz offensichtlich Vorteile in Anordnungen auf, bei denen Signale mit unterschiedlichen Frequenzen ausgewählt werden müssen.

Wenn mit Hilfe der hier beschriebenen Filteranordnungen die Größe von Harmonischen verringert werden soll, dann ist es oft vorteilhaft, die Abtastung häufiger als mit dem Nyquist-Abtastmaß durchzuführen.

Patentansprüche

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Claims

.: 20 -

P a t e η t a n_s_j>__Jr_ü ehe ri'.J Transversalfrequenzfilter gekennzeichnet durch

(a) ein Ladungsübertragungs-Schieberegister mit mehreren Bit-Positionen zum Empfangen und Speichern von Signalen entsprechend jeweiligen Abschnitten eines Eingangssignals,

(b) eine an das Schieberegister angeschlossene Taktgebereinrichtung zum Übertragen von Daten durch das Schieberegister mit einer vorgewählten Geschwindigkeit entsprechend einenvorbestimmten Eingangssignal,

(c) eine Einrichtung zum Abtasten des gespeicherten Signals an ausgewählten Punkten, die den entsprechenden Bit-Positionen des Schieberegisters zugeordnet sind, und

(d) Einrichtungen zum selektiven Summieren der abgetasteten Signale zur Erzeugung eines von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignals entsprechend dem vorbestimmten Eingangssignal·

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bit-Positionen des Schieberegisters jeweils von Ladungsübertragungsvorrichtungen mit Elektroden gebildet sind, die derart ausgebildet sind, daß sie eine elektrische Ladung in Abhängigkeit von angelegten Taktsignalen speichern und schieberegisterartig verschieben können, daß die Taktgebereinrichtung einen Taktgeber mit variabler Frequenz enthält, der wahlweise an die Elektroden zum Speichern und Übertragen von Daten in dem Schieberegister mit einer vorgewählten Geschwindigkeit entsprechend der Mittenfrequenz eines gewünschten Durchlaßbereichs anschließbar ist,

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" so daß das Filter eine in ausgewählter Weis© veränderliche Bandpaßfrequenz aufv/eist _s daß di® Abtasteinrichtung eine Schaltungsanordnung mit hoher Impedaaz enthält ₉ die aum Feststellen der Amplitude des in denBit-P©sitionen des Schieberegisters gespeicherten Signals an diese entsprechenden Bit-Positionen angeschlossen ist_s und daß die Summier-

' -einrichtung die festgestellten Signale derart summiert, daß ein von dem Eingangssignal abhängiges korreliertes Ausgangssignal erzeugt wird₉ das eine der von dem Taktgeber mit variabler Frequenz bestimmten Bandpaßmittenfrequenz ent« sprechende Frequenz aufweist«,

3. Filter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum selektiven Bewerten der effektiven- Amplitude der von der Schaltungsanordnung mit hoher Impedanz festgestellten Signale.

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum selektiven Bewerten der abgetasteten Signale derart ausgestaltet ist, daß sie eine Impulsantwort entsprechend der Fouriertransformierten eines vorgewählten Bandpaßfrequenzgangs erzeugt.

5· Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das

Ladungsübertragungs-Schieberegister eine ladungsgekoppelte " Vorrichtung enthält.

6« Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsübertragungs=Schieberegister eine Eimerkettenvorrichtung enthält«,

7» Filter nach den Ansprüchen 2 und 6_S dadurch gekennzeichnet ₉ daß di© Schaltungsanordnung mit hoher Impedanz einen Feldeffekttransistor mit isolierter Gate~Elektrode enthält, die an einem Speicherpunkt an der entsprechenden Bit« Position der Eimärkettenvorrlelitimg asa.ges©lilossea ist.

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8. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekeimzeichnet, daß die _/ Einrichtung zum selektiven Bewerten des festgestellten Signals einen Sourcefolger-Verstärker enthält, daß das Signal mit einer Anzapfung mit hoher Impedanz festgestellt wird, die an einem Speicherpunkt der entsprechenden Bit-Position des Schieberegisters angeschlossen ist, und daß die Anzapfung mit hoher Impedanz aus der Gate-Elektrode eines Feldeff ekttransi. stors mit isolierter Gate-Elektrode besteht^ der einen Teil des Sourcefolger^Verstärkers bildet.

9. Filter nach Anspruch J5_S dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum selektiven Bewerten des festgestellten Signals Vorrichtungen zum selektiven Messen des Wiaderlade™ stroms enthält, der zwischen dem Taktgeber und den Elektroden

zum Wiederaufladen der Elektroden auf ein Bezugspotential fließt, wobei das vorherige Bezugspotential entsprechend den gespeicherten Signalen verändert ist.

10. Filter nach Anspruch 1, für ein vorgewähltes Chirp-Signal mit- einem vorbestimmten Frequenzhub und einer vorbestimmten Dauer, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsübertragungs-Schieberegister mehrere Bit-Positionen aufweist, deren Zahl größer oder gleich der Zahl von Abtastwerten ist, die zum Abtasten des Chirp-Signals mit einem Abtastmaß benötigt wird, das \tfenigstens zwei Abtastungen pro Wellenlänge bei der höchsten Frequenz des Chirp-Signals und für dessen Dauer entspricht, daß die Taktgebereinrichtung an die Bit-Positionen des Schieberegisters zum Verschieben der von dem Chirp-Signal abgetasteten Daten durch das Schieberegister mit einem Abtastmaß angeschlossen ist, das wenigstens zwei Abtastungen pro Wellenlänge bei der höchsten Frequenz des vorbestimmten Chir.p-Signals entspricht ,und daß die Abtasteinrichtimg Anzapfungen mit hoher Impedanz enthält, die zum Feststellen der relativen

Amplitude der in den entsprechenden Bit-Positionen des Schieberegisters gespeicherten Signale an diese Bit-Positionen angeschlossen sind.

11· Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das . Schieberegister mehrere Bit-Positionen enthält,deren Zahl der Zahl der Abtastungen entspricht, die zum wenigstens zweimaligen Abtasten jeder Wellenlänge^-des Chirp-Signals benötigt wird, und daß die Taktgebereinrichtung einenTaktgeber mit variabler Frequenz enthält, dessen Frequenz linear zwischen zwei Frequenzwerten veränderlich ist, damit eine derartige Verschiebegeschv/indigkeit durch das Schieberegister aufrechterhalten wird, daß jede "Wellenlänge jedes Frequenzanteils des Chirp-Signals jeweils nur zweimal abgetastet wird.

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