DE2348245A1 - Anordnung zur verstaerkung von ladungssignalen - Google Patents
Anordnung zur verstaerkung von ladungssignalenInfo
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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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ORIGINAL
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-
4098U/1210 - 3 -
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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BAD1
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 '
A098U/1210
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. ' !:
A098U/1 21 O
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
409814/1210
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-
4098U/-1210 AO
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
4 098U/1210
- 13 -
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
4098 14/1210 - _ i4 _
- Ί 4- -
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.
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,
A098U/1210
- 15 -
BAD ORIGINAL
- 'Ί5 -
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-;
■^09814/1210 - 16 -
BAD ORIGINAL
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
4098U/1210 ■ :
- 17 -■
BAI>.ÜRI0iNÄl
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-
4098U/1210 - 18 -
BAD
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
Claims (6)
- PatentansprücheAnordnung 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. 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. 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 oder22) in zeitlicher Koinzidenz ankommen.- 2 -. O 9 3 U / 1 2 1 O- «sr -
- 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungen durch Ladungsübertragungseinrichtungen (ί,3,5 oder 2,4,6) realisiert werden.
- 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daßdie Ladungsübertragungseinrichtungen vom sogenannten Eimerkettentyp (bucket brigade type) sind.
- 6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsübertragungseinrichtungen vom ladungsgekoppelten Typ sind.40981 4/1210Le e rs eι te
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