DE2348245A1 - Anordnung zur verstaerkung von ladungssignalen - Google Patents

Anordnung zur verstaerkung von ladungssignalen

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DE2348245A1
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Paul Kessler Weimer
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Description

/6 09-·/^ Ks/oö
ή. J Λ oLj , 639
Brit. Serial Γιο: 44^- . 2348245
ij'iled: oaptember 259 i9?2
HCA Corporation New ■ York, N. Γ., V. St. A.
Anordnung zur Verstärkung von Ladungssignalen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ladungsübertragung für die Verstärkung sehr schwacher Signale.
Die Verstärkung niedriger Signalpegel bringt speziell^ Probleme mit sich, weil ,jeder Verstärker einen Rauschbeitr&g zu dem von ihm verstärkten Signal liefert. Wenn das Nutζsignal sehr schwach ist, dann kann das Verstärkerrausehen dieses Signal verdecken. Ein Verstärker läßt sich schematisch darstellen durch einen idealen "rauschfreien" Verstärker- und sine mit seinem Eingang verbundene äquivalente Rauachquelle«, Das von der Rauschquelle stammende Signal wird von dem Verstärker mit dessen Verstärkungsfaktor verstärkt. Bei einem Verstärkungs faktor von "A" ergibt sich für das Verstärkerausgangssignal (e^) die Summe Ae + Ae«, wobei e der NutzSignaleingang und eN der äquivalente Rauschsignaleingang ist. Das Verhältnis zwischen Nutzsignal und Rauschsignal (S/N), d,h, der sogenannte "Rauschabstand" am Ausgang des Verstärkers,ist gleich A$s = 1S3
' Zur Vergrößerung des RauschabStandes eines verstärkten Signals ist es bekannt, dasselbe Nutzsign&l einer Vielzahl von parallel
I '
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geschalteten Verstärkern zuzuführen. Der Rauschabstand(S/N) der Summe der Ausgangssignale von diesen parallelgeschalteten Verstarkern ist gleich der Summe der Nutzsigna,le geteiltdurch die Quadratwurzel der Summe der Quadrate der Rauschsignale. Unter der Voraussetzung, daß die den äquivalenten Rauschquellen erzeugten Rauschsignale alle die gleiche Amplitude haben, läßt sich der Rauschabstand von parallelgescha3beten Verstärkern folgendermaßen ausdrücken:
S = η · Ae = l/n".-e Gl.(t) V^ e N eN
Der Rauschabstand wird somit um einen Faktor verbessert, der gleich ist der Quadratwurzel der ÄnzdäL der parallelgeschalteten Verstärker. Diese Verbesserung des Rauschabstandes läßt sich daraus erklären, daß die Nutzsignale kohärent sind, während die Rauschsignale inkohärent sind. Das heißt die Niizsignalkomponente am Ausgang eines Verstärkers ist in Phase mit derjenigen am Ausgang eines anderen Verstärkers, so daß sich diese Komponenten stets addieren. Die erzeugten Rauschsignale sind jedoch jeweils statistische Signale, die sich manchmal addieren and manchmal subtrahieren.
Wenn man viele Verstärker parallel schaltet, dann hat man es jedoch mit einer beträchtlich vergrößerten Eingangskapazität der Verstärkeranordnung zu tun,und/oder die Belastung des Signals durch die Anordnung wird wesentlich größer. Hierdurch wird das Signal gedämpft, so daß jede durch die Parallelschaltung von Verstärkern erzielte Verbesserung des Rauschabstandes zunichte gemacht wird. Mit der Erfindung wird nun ein Weg aufgezeigt, wie man diesen Nachteil vermeiden und eine deutliche Verbesserung des Rauschabstandes erzielen kann·
Gemäß der Erfindung ausgelegte Schaltungsanordnungen enthalten ein Ladungsübertragungsregister zur Übertragung von Ladungs-
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BAD
Signalen. Längs dieses, Registers befinden sich im Abstand mehrere oder viele verstärkende Anordnungen, um die übertragene Ladung zu fühlen und daraufhin ein entsprechendes Ladungssignal zu erzeugen. Mit den Ausgängen dieser verstärkenden Anordnungen ist eine Summieranordnung verbunden, um die ausgangsseitigen Ladungssignale zu summieren.
Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen ausführlich erläutert:
Figur 1 zeigt das Schaltschemä einer erfindnngsgemäßen Anordnung, die nach dem Prinzip einer Eimerkette arbeitet;
Figur 2 zeigt die Form von Impulsen, die den Schaltungen nach Figur 1 und 3 zugeführt werden;
Figuren JA, 3B und JC zeigen Schitbilder von Ladungsverstärkern, die zur Realisierung der Erfindung herangezogen werden können;
Figur 4- ist das Schaltbild einer ebenfalls nach dem Eimerkettenprinzip arbeitenden, anderen Ausführungsform der Erfindung;
Figur 5 ißt eine Abbildung einer erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Schaltung.
In den verschiedenen'Figuren sind gleiche oder ähnlüche Teile mit gleichen oder ähnlchen Bezugszeichen versehen.
Die in Figur 1 gezeigte -Schaltungsanordnung enthält ein Ladungsüberiiagungsregister to,welches nach dem Prinzip einer Eimerkette arbeitet und deswegen im folgenden auch mit "Eimerkettenregister" bezeichnet wird. Das Register 10 hat eine Eingangsklemme Λ, an welche eine Quelle- i2 für Eingangssignale angeschlossen ist. Die Signalquelle \Z kann der Ausgang eines
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Fühlers oder irgend einer anderen Anordnung sein, deren Ausgangssignal verstärkt werden soll. Das Register enthält Transistoren T.-To, deren Source-Drain-Strecken hintereinander zwischen die Eingangsklemme 14 und den Knotenpunkt Pg geschaltet sind. Die Gateelektroden der ungeradzahlig bezifferten Transistoren (T.*, T3,, T(- und Tr7) sind mit einer Leitung \6 verbunden, - an die ein mit H... bezeichnetes Taktsignal gelegt wird. Die Gateelektroden der geradzahlig bezifferten Transistoren (T^, T2,, '■ 1IV und To) sind mit e'iner Leitung 18 verbunden, der ein Taktsignal H2 zugeführt wird. Ein Transistor T^1 ist mit seiner Gateelektrode und seiner Drainelektrode an die Leitung 16 angeschlossen, während seine Sourceelektrode am Knotenpunkt Po liegt. Der Transistor T— lädt auf einen Aktivierungsimpuls IL hin den Knotenpunkt Pß wieder auf.
Die Tädbsignale H,, und Hp können von irgendwelchen geeigneten Taktgebern (nicht gezeigt) geliefert werden und beispielsweise den in Figur 2 gezeigten komplementären Verlauf haben. Die Amplitude der Signale H,, und Hp wechsele zwischen +V und -V Volt, wobei +V beispielsweise +3VoIt und -V beispielsweise -3VoIt betragen kann.
Der Drainanschluß jedes der Transistoren Tx, bis Tg besteht Jeweils aus einem Knotenpunkt, der mit dem Buchstaben P und einer Indexziffer bezeichnet ist, die seine Jeweilige Position im Register angibt. Mit jedem Knotenpunkt P- ist ein Verstärker A- verbunden, der eine Ausgangsklemme O- aufweist, wobei "i" von 1 bis 8 entsprechend der Bezifferung der Knotenpunkte P geht.
Die zur Realisierung der Erfindung verwendeten Verstärker A1 bis A8 können eine beliebige von vielen möglichen Ausführungsfbrmen haben. Vorzugsweise handele es sich jedoch bei ihnen um sogenannte Ladungsverstärker des in Figur'3 gezeigten Typs. Diese Verstärker, die in einer gleichzeitig im Namen der Anmelderin eingereiclten Patentanmeldung mit dem Titel '
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ORIGINAL
"Ladungsverstärker" ausführlich beschrieben sind, können Ladungssignale ohne Hinzufügung großer Rauschanteile verstärken. Das heißt, diese Ladungsverstärker können mit einem Ladungsübertragungsregister gekoppelt werden, ohne daß man hierbei einen Eingangswidersband oder einen Lastwiderstand benötigt, so daß die Hauptrauschquelle bei den Verstärkern fehlt.
Der in Figur 3A dargestellte Verstärker enthält einen Transistor Q.. von einem Leitungstyp, der denjenigen der anderen im Register 10 verwendeten Transistoren entgegengesetzt ist. Der Transistor Q.. ist mit seiner Gateelektrode an den Knotenpunkt P- angeschlossen, und seine Source-Drain-Strecke liegt zwischen der Ausgangsklemme 0. und einer Leitung, der die Taktimpulse IL oder H2 zugeführt.werden. Zwischen dieser Leitung, an die ein Kondensator G^ angeschlossen ist, und der Ausgangsklemme O^ liegt ein Kondensator G^a· Der Transistor Q^ arbeitet als Soureefolger und erzeugt am Kondensator 0n± ein Ladungssignal, welches proportional dem am Knotenpunkt P^ erscheinenden Signal ist. Eine Ladungsverstärkung erfolgt dann, wenn man Go^ gleich oder größer als G^ macht.
Der in Figur 3B gezeigteVerstärker enthält einen Transistor Q--ο vom selben Leitungstyp wie die Transistoren des Registers 10. Der transistor Q.g liegt mit seiner Gateelektrode an einem Knotenpunkt; P. t mit seiner Sourceelektrode an -V Volt, und mit seiner Drainelektrode an der Ausgangsklemme 0·. Zwischen der Ausgangsklemme O. undder iit dem Kondensator G^ verbundenen Leitung liegt ein Kondensator C^j. Der Transistor Q.ß liefert an der Klemme O. eine invertierte und verstärkte Version des am Knotenpunkt P. vorhandenen Signals.
Der in Figur 30 gezeigte Verstärker arbeitet als Sourcefolger - und enthält 2 Transistoren Q.,j und Q.- desselben Leitungstyps wie die Transistoren des Registers 10. Die Source-Drain-Strecken der beiden Transistoren Q.^ und Q.p liegen parallel zueinander
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zwischen einem Punkt mit festem Potential V1 und einer Ausgangsklemme 0.. Die Gateelektrode des Transistors Q^ ist mit dem Knotenpunkt P. verbunden, und die Gateelektrode des Transistor^ Q.2 liegt an der Klemme 0.. Ein Kondensator C-j_ ist zwischen die Ausgangsklemme 0. und eine. Klemme K geschaltet, die ihrerseits mit einer Signalquelle 13 verbunden ist. Die Signalquelle 13 liefert ein Taktsignal, welches mit C-Takt bezeichnet ist und die Form des entsprechend bezeichneten Taktsignals.in !Figur 2 hat.
I1Ur die nachfolgende Beschreibung sei angenommen, daß jeder Verstärker A^ an seiner Ausgangsklemme O^ ein Ladungssignal Ae8 liefert, wenn am betreffenden Knotenpunkt P^ ein Ladungssignal e_ erscheint. Der Verstärkungsfaktor "A" kann irgendeinen Wert innerhalb eines größeren Bereichs haben, vorzugsweise sei er größer als 1.
Die Ausgangssignale der ungeradzahlig bezifferten Verstärker (A1, A3, A5 und A7) werden auf der Leitung 20 summiert, während auf der Leitung 22 die Summe der Ausgangssignale der geradzahlig bezifferten Verstärker erscheint. Die Ausgänge O^, O^ und Oc sind über jeweils ein Ühertragungsregister 1, 3 und 5 mit der Leitung 20 verbunden.· Die Ausgänge O2, On und Og sind über jeweils ein .Übertragungsregister 2, 4· und 6'mit der Leitung 22 verbunden. Die Ausgänge Or7 und Og sind direkt an die Leitung 20 bzw. 22 angeschlossen. Die Register 1 bis 6 wirken als Verzögerungsstrecken, um die Ausgangssignale an den ungeradzahlig bezifferten bzw. den geradzahlig bezifferten Ausgängen O^ jeweils in zeitlicher Koinzidenz auf die Leitung 20 bzw. 22 zu. geben.
j Die Leitungen 20 und 22 sind mit den Eingängen 1 und 2 änes ι Summierverstärkers 23 verbunden. Der Verstärker 23 kann ir-»* ι gendein Exemplar einer bekannten Gruppe von Verstärkern sein,
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BAD ORIGiNAL
die bei Empfang von Eingangssignalen (d.h. der Signale auf den Leitungen 20,und 22) ein- Ausgangssignal (eQ) zu liefern vermögen, welches die Kombination oder Summe der (beiden) Eingangssignale ist. Während der ersten Hälfte eines jeden Taktes oder Zyklus (d.h. wenn EL auf -V Volt liegt) werden Signale auf die Leitung 20 gegeben, und während der anderen Hälfte eines jeden Zyklus (d.h. wenn H2-V Volt wird) gelangen Signale zur Leitung 22.
Jedes der Register 1 und 2 enthält 6 Transistoren (D^^. Us D.g bzw. D2^ bis D2g), deren Source-Drain-Strecken hintereinander geschaltet sind. Jedes der Register 3 und 4 enthält 4 Transistoren (D-, | bis. D^2, bzw. D^1 bis D^2,), deren Source-Drain-Strecken hintereinander geschaltet sind. Jedes der Register 5 und 6 enthält zwei Transistoren (D,-,, D1-O bzw. D,-,,, Dfi.-s, deren Source-Drain-Strecken ebenfalls in Serie liegen.
Die Gateelektroden der ungeradzahlig bezifferten Transistoren in den Registern ι, 3 und 5 und die Gateelektroden der geradzahlig bezifferten Transistoren in den Registern 2, 4 und 6 sind mit Leitungen "Ί8" verbunden, denen das Taktsignal H2 zugeführt wird. Die Gateelektroden der geradzahlig bezifferten Transistoren in den Registern 1, 3 und 5 und die Gateelektroden der ungeradzahlig bezifferten Transistoren in den Registern 2, 4 und 6 sind mit Leitungen "16" verbunden, denen das Taktsignal Η,, zugeführt wird.
Ein Transistor B^, der mit seiner Sourceelektrode an der Leitung 20 und mit seinen Gate-und Drainelektroden an einer Leitung i8 liegt, lädt die Lex/bung 20 wieder auf, wenn er durch einen Taktimpuls H2 aktiviert wird. Ein Transistor I^j?» der " mit seiner Sourceelektrode an der Leitung 22 und mit seinen Gate-und Drainelektroden an einer Leitung 16 liegt, lädt die Leitung 22 wieder auf, wenn er durch einen Taktimpuls H„. ak-· tiviert ist. ' !:
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BAD ORiOINAL
Im folgenden sei nun zur leichteren Erklärung angenommen, daß die Transistoren in den Registern ι bis 6 und im Register 10 Feldeffekttransistoren vom P-Leitfähigkeitstyp seien. Jedem dieser Transistoren ist ein Kondensator (GDq) zugeordnet, der zwischen seine Gate-und seine Drainelektrode geschaltet ist. In dieser Schaltungsart übertragen diese Transistoren, wenn sie aktiviert oder "eingeschaltet", sind, Ladung von ihrer Sourceelektrode zur Drainelektrode. Sie werden daher im vorlegenden Fall gattungsgemäß als Ladungsubertragungsglieder bezeichnet. Ein der Gateelektrode eines solchen Ladungsübertragungsgliedes im Sinne einer Einschaltung des Gliedes angelegter Impuls wird mit Einsehaltimpuls bezeichnet. !Für die Taktimpulse EL und Hp des in Figur 2 gezeigten Typs gilt, daß ein •ladungsubertragungsglied vom P-Leitungstyp eingeschaltet wird, wenn das seiner Gateelektrode zugeführte Impulssignal von +V auf -V übergeht. Der negativ gerichtete Impulsübergang von insgesamt -2V Volt Amplitude wird über die Gate-Drain-Kapazität gekoppelt, so daß an der Drainelektrode ein Potential von -3V Volt entsteht. Ein an der Sourceelektrode des Gliedes erscheinendes Ladungssignal (e ), dessen Spannungspegel über -V" Volt liegt, wird von der Sourceelektrode auf die Drainelektrode des Gliedes übertragen, wodurch sich das Potential an der Drainelektrode auf (-3V +e ) Volt erhöht. Wenn das der Gateelektrode des Gliedes zugeführte Impulssignal wieder von -V auf +V Volt übergeht, dann wird das Glied ausgeschaltet. Der positive TaktSignalübergang von ZV" Volt Amplitude wird jedoch über die Gate-Drain-Kapazität gekoppelt, wodurch sich das Potential an der Drainelektrode auf (-V + ej Volt erhöht. Das Signal, ist nun für die Übertragung durch ein nachfolgendes Ladungsübertragungsglied "bereit".
Die Arbeitsweise der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung ist am.besten zu erkennen, wenn man verfolgt, wie ein an der Klemme 14 vorhandenes Eingangssignal längs des Registers 10 weitergegeben wird, und wie das Signal gleichzeitig verstärkt und -.am. Ende- summiert wird. Ein erster EL-Impuls überträgt * ein Eingangssignal e von der Klemme 14 zum Knotenpunkt P. . \
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BADORiGfNAL
• _ g _
Das am Knotenpunkt P. vorhandene Signal es wird gleichzeitig im Verstärker Al verstärkt, so daß an der Klemme 0. ein Ausgangssignal Ae geliefert wird. Ein dem ersten EL-Impuls folgender erster EU-Impuls bewirkt die Übertragung des Signals e vom Knotenpunkt Ρ,-zum Knotenpunkt P0. Gleichzeitig liefert der Verstärker A2 ein Signal Ae am Ausgang O2. Der erste EU-Impuls aktiviert außerdem den Transistor D^, im Register ί , der das Signal Ae0 vom Knotenpunkt 0„ zum Knotenpunkt Ο.,ρ überträgt. Ein zweiter" H -Impuls bewirkt die Übertragung des Signals e vom Knotenpunkt. E0 zum Knotenpunkt P7., und der Verstärker A3 liefert gleichzeitig ein Signal Ae0 am Knotenpunkt 0,. Gleichzeitig bewirkt der zweite EL -Impuls die Übertragung eines Signals Ae vom Knotenpunkt O2 zum Knotenpunkt Ορο un(i die Übertragung eines Signals Ae vom Knotenpunkt Op zum Knotenpunkt O ^. Ein zweiter Ho-Impuls schaltet den Transistor T,. ein, wodurch das Signal e_ vom Knotenpunkt Ρχ zum Knotenpunkt P- übertragen wird und der Verstärker A4 am Knotenpunkt O1. ein Signal Ae liefert. Gleichzeitig werden Signale Ae an den Knotenpunkten O1-,- O22 un(i °x weitergeschoben, und zwar zu den Knotenpunkten 0,.,^,, O2^ bzw. 0^2.
Ein dritter EL -Impuls schaltet den Transistor P1- ein, wodurch das bignal e vom Knotenpunkt P^ zum Knotenpunkt Pj- übertragen wird und der Verstärker Af> ein Signal Ae0 am Knotenpunkt On-
s ρ
liefert. Gleichzeitig werden die an den Knotenpunkten 0,^,, O2^, 0-,2 und O1, vorhandenen Signale Ae auf die Knotenpunkte 0,-, Ö O^-. und 0^p übertragen.
Ein dritter EL-Tsktimpuls aktiviert den Transistor Tg so daß das Signal e vom Knotenpunkt P^- zum Knotenpunkt P^ übertragenwird und der Verstärker A6 am Knotenpunkt 0^- ein Signal Ae0 liefert. Gleichzeitig warden die an den Knotenpunkten 0. £-, 0. -, 0^2 und Of- liegenden Signale Ae auf die Knotenpunkte Üi6» 0^' °>;4' oi±3 und °52 übertragen.
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BAD ORIGINAL
Ein vierter H. Impuls aktiviert den Transistor Tr7 zur Übertragung des Signals e vom Knotenpunkt Pg zum Knotenpunkt P^. Der Verstärker A7 erzeugt ein Signal Ae am Knotenpunkt Or7, der auf der Leitung 20 liegt. Gleichzeitig werden die an den Knotenpunkten O.,g, 0-^ und Oc-o liegenden Signale Ae auf die Leitung 20 übertragen, so daß diese Leitung 20 auf einen Betrag "aufgeladen" wird, der 4-»Ae groß ist. Die zwischen der Leitung 20 und der Leitung 16 liegende Kapazität' dient zur Speicherung dieser Ladung. Dr,s Ladungssignal von 4-eAeQwLrd auf den Eingang i des Summierverstärkers 23 gegeben, der daraufhin ein Ausgangssignal e0 liefert.'Gleichzeitig werden die an den Knotenpunkten OoR' ^4-3 UX1C^ ^6 vorhandenen Signale Ae auf die Knotenpunkte 0^g, O^ und Or-ο übertragen.
Ein vierter EU-Taktimpuls aktiviert den Transistor Tq, so daß das Signal eß vom Knotenpunkt P7 zum Knotenpunkt Pg übertragen wird und ein Signal Ae _ am Knotenpunkt O0 erzeugt wird, der
s ο
auf der Leitung 22 liegt. Dieser Hp-Taktimpuls bewirkt gleichzeitig die Übertragung des Signals Ae von den Knotenpunkten
und go auf d-ie Leitung 22. Diese Signale laden die Leitungskapazität auf einen Betrag auf, der dem Wert 4»Ae_ entspricht. Das entsprechende Summensignal wird dem Eingang 2 des Verstärkers 23 zugeführt. Auf das Signal auf der Leitung hin liefert der Verstärker 23 ein Ausgangssgnal, welches mit demjenigen Ausgangssignal kombiniert v/ird, welches vom Verstärker einen halben Zyklus vorher als Antxirort auf das Signal der Leitung 20 erzeugt wurde. Der vierte EU-Taktimpuls aktiviert außerdem den Transistor Da^ zur Wiederaufladung der Leitung auf -V Volt.
In den zur Realisierung der Erfindung verwendeten Ladungsübertragungsregistern wird ein Ladungspaket eo oder Ae von Knotenpunkt zu Knotenpunkt längs des Registers \veit er gegeben. Die Ladungsübertragungsregister können sehr kleine Analogsignale von einer Stufe zur nächsten Stufe übertragen, und zwar mit
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BAD ORIGINAL
einer vernachlässigbaren Erhöhung des Rauschpegels. wird, allen Verstärkern A1 bis Λ8 längs des Registers 10 praktisch dasselbe unverfälschte Signal zugeführt, und von Stufe zu S-^ufe längs der Register 1 - 6 werden praktisch dieselben Signale Ae0 übertragen.
Die Einzelverstärker A1 - A8 bilden eine Verstärkerstufe, deren- effektive Transkonduktanz (auch Steilheit oder Gegenwirkleitwert genannt) um eine oder mehrere Größenordnungen erhöht ist, ohne daß die Eingangskapazität erhöht ist. Dies wird dadurch erreicht, daß praktisch dasselbe Ladungspaket nacheinander allen Verstärkereingängen zugeführt wird, um' den Stromfluß in Jedem der acht Verstärker zu steuern· Das Gesamtausgangssignal wrd erhalten durch Verzögerung jedes der verstärkten Ausgangssignale um jeweils eine andere Zeit, um diese Ausgangssignale in zeitliche Koinzidenz zu bringen und sie dann zu addieren. Die gesamte Transkonduktanz von "n" Verstärkern ist das η-fache der Transkonduktanz eines einzelnen- Verstärkers, während die effektive Eingangskapazität für jedes Ladungspaket (Nutzsignal) dieselbe wie für einen Verstärker ist, weil die Verstärkereingänge einzeln hintereinander beaufschlagt werden., Das Gesamtausgangßsignal der Verstärkerstufe hat die η-fache Stärke des Ausgangssignals eines einzelnen Verstärkers, und das Verhältnis zwischen dem Nutzsignal und dem Verstärkerrauschen wird um den Faktor ΥϊΓ verbessert. Wenn n«100 ist, dann ergibt sich eine Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses der Kombination um den Faktor 10· Somit läßt sich durch die Kombination der Ladungsübertragungsregister eine beträchtliche Verbesserung des Rauschabstandes im Ausgangssignal erreichen, und zwar in einem Maß, welches dem theoretischen Wert gemäß der obenstehenden Gleichung (1) nahekommt.
Es sei erwähnt, daß die Verstärkungsfaktoren der Verstärker A^ voneinander abweichen können. Dies hat jedoch keinerlei Un-
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BAD OBlGlNAL
gleichmäßigkeit zur Folge, weil alle die Ausgangssignale schließlich kombiniert werden. Ferner sei darauf hingewiesen, daß Mehrfacheingangs-Verstärker mit ihren verzögernden Registern leicht in integrierter Bauweise auf einem einzigen Siliziumplättchen herstellbar sind. Dies macht es möglich, eine sehr große Anzahl von Verstärkertransistoren in einer Reihe zu verwenden. · :
In Figur 4 is-t eine andere Methode veranschaulicht, um die an den Ausgängen der Verstärker gelieferten Signale in zeitliche Koinzidenz miteinander zu bringen. Das Register 10a in Figur 4, von welchem nur 4 Stufen dargestellt sind, entspricht dem Register 10 nach Figur' 1. Wie im vorhergehenden Fall hat jede Stufe einen Knotenpunkt (PxI - P^), der mit dem Eingang eines zugehörigen Verstärkers (A1 - A4) verbunden ist. Die Ausgänge der ungeradzahlig bezifferten Verstärker werden mit Hilfe eines Registers 10b summiert, und die Ausgänge der geradzahlig bezifferten Verstärker werden mit Hilfe eines Registers 10c summiert. Die Ausgänge (Knotenpunkte P^^, - P/jo) ^er Register 10b und 10c werden einem Verstärker 23a zugeführt, der aus den Transistoren Tq, T^0 und T,,2 besteht. Der Verstärker 23a liefert ein Ausgangssignal an der Klemme 24, welches die Kombination oder Summe seiner beiden Eingangssignale ist. Wie bei der Schaltung nach Figur 1 werden auch hier Taktimpulse H,, und H2 dazu verwendet, das Nutzsignal von Stufe zu Stufe zu übertragen.
Beim Betrieb der in Figur 4 gezeigten Schaltung ißt eine Quelle für Eingangssignale 12 mit der Sourceelektrode des Transistors Τ,, verbunden. Ein erster Hg-Taktimpuls aktiviert den Transistor T,, zur Übertragung eines Signals e_ ζ umKnotenpunkt P1. Das Signal am Knotenpunkt P,, wird vom Verstärker Al verstärkt und von diesem Als Signal Ae^ zum Knotenpunkt P,, Λ gegeben. Ein erster H.-Impuls bewirkt die Übertragung des Signals e_ vom Knotenpunkt P^ zum Knotenpunkt P2, und auf das Signal bei P2 hin erzeugt der Verstärker A2 ein Signal Ae0 am Knotenpunkt P,lo.
S I cL
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ÖAD ORIGINAL;Vi
Gleichzeitig wird das Signal Ae vom Knotenpunkt P^1 auf den Knotenpunkt Ρρ,ι übertragen. '
Ein zweiter Hp-Impuls bewirkt die Übertragung des Signals e vom Knotenpunkt P2·zum Knotenpunkt P,, so daß der Verstärker A3 am Knotenpunkt P^ ein Signal Ae3 liefert. Gleich-.zeitig wird der Transistor T7.,, aktiviert, und ein Signal Ae wird vom Knotenpunkt Po,. zum Knotenpunkt P^1 übertragen, ^er Knotenpunkt P,^ wirkt somit als Summierungspunkt für die Signale Ae von den "Verstärkern Al und A3. Somit hat das am Kno-
-S
tenpunkt Px,-, erscheinende Signal den Betrag 2»Ae - Gleichzei-
tig wird ein Signal Ae3 vom Knotenpunkt P,j2 zum Knotenpunkt übertragen.
Ein zweiter EL -Impuls bewirkt die Übertragung des Signals e vom Knotenpunkt V7. zumKnotenpunkt P^ und die Erzeugung eines Signals Ae am Knotenpunkt P33· -^er Transistor T^2 wird ebenfalls aktiviert und überträgt ein Signal Ae0 vom Knotenpunkt Pp2 zum Knotenpunkt Pz2' Somit wird am Knotenpunkt P^2 ein Signal erzeugt, dessen Betrag 2· Ae- ist. Das he£t, der Knotenpunkt P 32 wirkt als Summierungspunkt für das über die Transistoren Tp2 und T -^2 herangeführte Aus gangs signal des Verstärkers A2 und das Ausgangssignaides Verstärkers A4.
Der zweite EL -Impuls aktiviert außerdem den Transistor T1, , um die Übertragung des Signals der Amplitude 2·Ae vom Knotenpunkt 31 zum Knotenpunkt 41 zu bewirken. Das Signal bei P2... wird der Gateelektrode des Transistors Tq angelegt. Auf ein seiner G„teelektrode zugeführtes Ladungssignal hin erzeugt der Transistor Tq ein Aus gangs signal an der Klemme 24·. r
Der dritte H^-Impuls überträgt ein Signal vom Betrag 2#Ae vom. Knotenpunkt 32 zum Knotenpunkt 42. Der Knotenpunkt 42 ist mit der Gateelektrode des Transistors T^0 verbunden, der ebenso wie der Transistor Tq ein Ausgangssignal zur Klemme 24 liefert. Die Ausgangssignale der geradzahlig bezifferten und der
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ungeradzahlig bezifferten Verstärker werden somit am Ausgang 24- während aufeinanderfolgender Zyklushälften kombiniert, um ein einziges summiertes Ausgangssignal zu liefern.
Die in der dargestellten tfeise geschalteten Transistoren TrtjT.Q, und T,,ρ wirken als invertierende Verstärker. Durch Änderung des Werts der Vorspannungen und die Gateverbindung des Transisto
Sourcefolger.
des Transistors dj2 arbeitet der Verstärker 2Ja^dOCh als
Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 4- erfolgt eine Summierung abwechselnd an jedem zweiten der Knotenpunkte der beiden Register (10b und iOc), die von den Ausgängen der Verstärker gespeist werden. Es sei erwähnt, daß in dieser Schaltung ebenso wie bei den anderen Ausführungsformen Jedes summierte Signal de gleiche Anzahl von Übertragungen erfährt.
Figur 5 zeigt die Verwendung von ladungsgekoppelt Elementen zur Realisierung der Erfindung. Figur 5 ist eine Draufsicht auf die Schaltungsanordnung. Das Metallisierungsmuster und aus Metall bestehende Leitungen sind mit ausgezogenen Linien dargestellt, während die piffusionszonen gestrichelt gezeigt sind.
Ein dreiphasiges ladungsgekoppeltes Ubertragungsregister 100 legt'nacheinander Signale an die Verstärker (A11 bis A33)der Verstärkerstufe 104-N. Ladungsgekoppelte Verzögerungsregister 101 und 102 koppeln die beiden Ausgangszonen (D.,, Dp) der Verstärkerstufe mit der Diffusionszone 220. Die dröfcbe Aus- , gangszone (D3,) der Verstärkerstufe ist direkt mit der Diffusionszone 220 gekoppelt.
Von einem (nicht gezeigten) Fühler kommende Eingangssignale werden durch Anlegen von Taktsignalen an die Elektroden Oq und O5, zum Register 100 übertragen. Die Register ι00, ΙΟΙ und 1.02 enthalten ein periodisches Huster aus Metallelektroden,
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die in Dreiergruppen angeordnet sind. Diejenigen Elektroden, deren Bezugszahl als letzte .Ziffer eine 1 hat, sind mit einer Leitung verbunden, der das Signal Takt-1 oder Takt-11 angelegt · wird. Die Elektroden mit einer Bezugszahl, deren letzte Ziffer j eine 2 ist, sind mit einer Leitung verbunden, die Signale ■ Takt-2 oder Takt-21 empfängt. Elektroden mit einer Bezugs- - '. zahl, deren letzte Ziffer eine 3 ist, sind mit einer Leitung verbunden, die Signale Takt-3 oder Takt-3' empfängt. Die mit dem Strichindex bezeichneten Taktsignale haben gleiche Frequenz und gleiche Phase wie die ohne diesen Strichindex bezeichneten SignaÜF, jedoch einen anderen Gleichstromanteil. Unterhalb mindestens eines Teils jeder (Steuer-) Elektrode des Registers 100 befindet sich eine Diffusionszone, die die' gleiche Bezugszahl wie die jeweilige Elektrode, jedoch mit einem nachgesetzten d, aufweist.
Jede der Diffusionszonen (mit Ausnahme der letzten) des Registers 100 ist mit der Gateelektrode eines zugehörigen und mit der gleichen Zahl bezeichneten Verstärkertransistors (A..) verbunden. Jeder Verstärkertransistor enthält eine Gateelektrode, deren angelegtes Potential den StromfluB ("Löcher" für ein N-leitendes Substrat) von einer allen Transistoren gemeinsamen Sourcezone S^, zur Drainzone des jeweiligen Transistors steuert. Die Verstärkertransistoren sind in Dreiergruppen angeordnet, wobei immer drei Verstärkertransistoren mit de:-selben ersten Ziffer in der Bezugszahl eine gemeinsame Drainzone haben, die mit dem Buchstaben D und der besagten ersten Ziffer bezeichnet ist.
Die Drain-Diffusionszonen D^, D2 und D7, liegen unterhalb einer Steuerelektrode 105, deren Verwendung der freien Wahl überlassen sein kann". Die Elektrode 105 soll dazu dienen, die Drainzonenkapazität zu vergrößern, um ein größeres Ladungssignal speichern zu- können. Sie soll außerdem die Verstärkerstufe vor den ^usschlägen des Signals Takt-3' abschirmen. Beim Betriebefer Schaltung bewirkt ein erster Takt-1-Impuls die Übertragung eines La-;
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dungssignals zur Diffusionszone Hd. Dieses Signal wird der Gateelektrode G,. des Verstärkertransistors A.^ zugeführt, wodurch in der Diffusionszone D,, ein Signal Ae „ erzeugt wird.-Ein erster Takt-2-Impuls Dewirkt die Übertragung des Signals
e von der Zone 11d zur Zone /12d. Das in der ^one 12d vor- : s
handene Signal wir.d der Gateelektrode G^2 zugeführt, und der Verstärker A12 erzeugt in der Zone D,, ein Signal Ae_. Ein erster Takt-3-Impuls bewirkt die Übertragung des Ladungssignals eo von der Zone 12d zur Zone 13d. Das in der Zone 13d vorhandene Signal wird der Gateelektrode G,,-, zugeführt und durch den Verstärkertransistor A13 verstärkt, um in der Zone D. ein Signal Ae zu erzeugen. Die von den Verstärkertransistoren A11, A12 und Ai 3 gelieferten Signale addieren sich und haben ein Ladungssignal inder Zone D, zur Folge, welches den Betrag 3· Ae hat. Der erste Takt-3-Impuls bewirkt außerdem
S ■
die Übertragung des Ladungssignals 3· Aen zur Diffusionszone
unterhalb der Elektrode 113·
Eine zweite Gruppe von Impulsen der Signale Takt-1, Takt-2 und Takt-3 bewirkt die Weitergabe von Signalen e_ über die Zonen 21d, 22d und 23d des Registers 100 und die Erzeugung eines Ladungssignals der Größe 3» Ae in der Zone D^· Gleichzeitig werden die Ladungssignale der Größe 31Ae0 unter die Elektroden 121, 122 und 123 des Registers 101 gegeben.
Eine dritte Gruppe von Impulsen der Signale Takt-1, Takt-2 und Takt-3 bewirkt die Übertragung von Signalen eo längs der Zonen 31d, 32d und 33d des Registers 100 und die Erzeugung eines Ladungssignals der Größe 31Ae in der Zone D7-. Gleich-
s ο
zeitig bewirken diese Taktimpulse eine Übertragung der Ladungssignale uiter die Elektroden 131, 132 und 133 des Registers 100 und unter die Elektroden 221, 222 und 223 des Registers 102. Auf den Takt-3-Impuls dieser dritten Impulsgruppe hin werden alle die verstärkten Ladungssignale in die Diffusionszone 220 übertragen, welche eine Ladung vom Betrag 3»3Ae_ ansammelt. Falls die Verstärker All bis A33 von La- i
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1 dungsträgern desselben !Typs v/ie im Register 100 Gebrauch ■ machen, bewirken die verstärkten Signale eine Umkehrung des von der Sourcezone S,^ zu den,verschiedenen Zonen 220 gelangenden Ladungssignals. Um eine Signalinvertierung zu vermeiden, sollten die Verstärkeruid die Register 101 und 102 ■ Ladungsträger übertragen, die das entgegengesetzte Vorzeichen der Ladungsträger im Register 100 haben, d.h. das Register 100 sollte gegenüber den Verstärkern vom entgegengesetzten Leitungstyp sein.
Die in der Zone 220 eingesammelte Ladung wird dann' über die Zonen 401d, 402d und 403d weitergegeben und in den Verstärkertransistoren A2I0^, A^QO und A^,Q^ verstärkt. Diese Transistoren haben denselben Aufbau und dieselbe Wirkungsweise wie die Verstärkertransistoren in der Stufe 104.
Die Verstarkertransistoren A^q,, , A^q^ und A^q^ haben eine gemeinsameDrainzone D^, worin ein verstärktes und summiertes Ladungssignal erzeugt wird. Die Drainzone D2, ist mit der Ausgangsklemme 25 verbunden, wo ein Signal mit großem Rauschabstand erscheint.
Die Register 100, 101 und 102 sind ladungsgekoppelte Register. Eines odei mehrere dieser Register können natürlich auch sogenannte "Eimerkettenregister" sein, d.h. Register des in den Figuren 1 und 4- gezeigten Typs. Ladungsgekoppelte Register und Eimerkettenregister lassen sich kompatibel auf ein-und demselben Ladungsplättchen ausbilden, und Ladungsübertragungen von einem Registertyp auf den anderen sind ohne Schwierigkeiten möglich.
Die in den Figuren 1, 3 und 5 gezeigte Summierungsanordnung kann vereinfacht werden, wenn man die Ausgangsregister (10,10a, 100) mit einer Geschwindigkeit oder Frequenz betreibt, die höher ist als die Frequenz des Eingangssignals. Wenn beispiels-
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weise im Falle der Figur 1 das Eingangssignal e· eine Frequenz von f,| hat, müßte es längs dem Register IO mit Taktimpulsen E1 und H2 (für die gezeigte 8-stufige Ausführung) weitergegeben werden, deren Taktfrequenz mindestens das Viafache von f^ beträgt. Das Eingangssignal müßte so getastet werden, daß für jeweils M- Zyklen von H., und EL-, nur eine Abfrage erfolgt. Das Summierungsnetzwerk konnte Jedoch vereinfacht werden, wenn man zwischen jeden Verstärkerausgang und eine gemeinsame Ausgangsleitung ein Übertragungsglied schaltet.
Be vorstehend beschriebene Mehrfach-Anordnung zeigt ein viel besseres Rauschverhalten als die derzeit verfügbaren Verstärkeranordnungen. Es gibt viele Anwendungsgebiete für diese Verstärker. Sie sind beispielsweise nützlich in Verbindung mit Festkörper-Bildgeräten; ferner können sie dazu verwendet werden, die Leistungsfähigkeit einer strahlgetasteten Bildaufnahmeröhre wie z.B. eines Plumbikons oder eines Silizium-Vidikons bei niedrigen Lichtwerten zu verbessern. Solche integrierten Verstärker können innerhalb der Röhre oder außerhalb in dichter Nähe zur Signalplattenzuleitung angeordnet werden. Schließlich können sie natürlich dazu herangezogen werden, den Ausgang irgendeines geeigneten Fühlers zu verstärken.
Patentansprüche ? A098U/1210
BAD ORfQfNAl,

Claims (6)

  1. Patentansprüche
    Anordnung zur Verstärkung von Ladungssignalen, mit einem Ladungsübertragungsregister, welches einen Eingang zum Empfang eines Ladungssignals aufweist, ferner mit einer Einrichtung zur Übertragung des Ladungssignals von Stufe zu Stufe längs des Registers und schließlich mit einer Vielzahl von Verstärkern, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verstärker (Al, A3, A5, öder A2, A4, A6, A8) mit dem Ausgang (P,|, P^, Pr, Pr7 oder P2, P^» Pg, Pg) jeweils einer gesonderten Stufe des Registers (10) verbunden ist, um das übertragene Ladungssignal zu fühlen und zu verstärken; und daß eine Einrichtung (i,3>5»20 oder 2,4,.,6,22; insbesondere die Kapazitäten parallel zur Gate-Drain-Strecke der Tranaistoren Dv|g, D^, D1-O oder D26» D44' D62^ vorgesehen ist, welche die an den Ausgängen (0^,0^, Oc-, (λ-, oder 0«> O2,, Og1 Oq) der Verstärker erscheinenden Signale summiert (z.B. Iig.1).
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nieder der Verstärker ein Ladungsverstärker ist, der auf ein seinem Eingang zugeführtes Ladungsaignal hin ein srgrößertes Ladungssignal an seinem Ausgang liefert.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch-1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale verschiedener Verstärker (A1, A3, A5, oder A2, A4, A6) um derart unterschiedliche Zeiten verzögert werden, daß sie an einem gemeinsamen Punkt (20 oder
    22) in zeitlicher Koinzidenz ankommen.
    - 2 -. O 9 3 U / 1 2 1 O
    - «sr -
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungen durch Ladungsübertragungseinrichtungen (ί,3,5 oder 2,4,6) realisiert werden.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Ladungsübertragungseinrichtungen vom sogenannten Eimerkettentyp (bucket brigade type) sind.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsübertragungseinrichtungen vom ladungsgekoppelten Typ sind.
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    Le e rs eι te
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