DE2348246A1 - Ladungsverstaerker - Google Patents

Description

7608-73 Ks/Sö

ROA 65, 649 . .

Brit. Ser. No: 44 294 2348-246

Piled: September 25, 1972 '

ROA Corporation
New York, N.Y., V. St. A,

Ladungsverstärker

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verstärkung von Signalen, insbesondere von schwachen Signalen. Eines der vielen Gebiete, wo Signale mit äußerst schwachem Pegel erzeugt werden, sind Ladungsübertragungsschaltungen vom ladungsgekoppelten Typ oder vom sogenannten Eimerkettentyp* In diesen Schaltungen werden kleine Ladungsbeträge erzeugt oder an Kondensatoren gespeichert, deren Kapazitätsweit: in der Größenordnung von wenigen Picofarad liegt. Diese "Ladungssignale" können so schwach sein, daß es zur Ansteuerung einer Last erwünscht und/oder sogar notwendig ist, das Ladungssignal am Ausgang dieser Ladungsübertragungsschaltungen zunächst zu verstärken.

Außerdem enthalten Ladungsübertragungsschaltungen sehr lange Register, und da beim Durchlaufen der Register Verluste im Signal auftreten, muß das übertragene Ladungssignal zwischendurch an einzelnen Punkten längs dieser Register verstärkt werden.·Das Zusammentreffen von kleiner Kapazität und schwachem Ladungssignal (das in der Größenordnung von Picocoulombs liegen kann) setzt strenge Grenzen an die mit diesen Ladungsübertragungsschaltungen gekoppelten Verstärkeranordnungen. Die Eingangskapazität der Verstärkeranordnung muß sehr gering (wenige

engl.: "bucket brigade type"

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Picofarad) sein, sonst wird das ladungssignal ziemlich stark gedämpft. Außerdem müssen die Verstärkeranordnungen auf sehr niedrige Leistungen ansprechen können, da das Ladungssignal einen sehr kleinen Energiegehalt hat. Schließlich sollten die Verstärkeranordnungen einfach sein und (obwohl nicht in jedem Falle erforderlich) mit Ladungsübertragungsashaltungen unterschiedlichen Typs kompatibel sein.

Die Figur 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt einen bekannten Ladungsverstärker, der in einem Aufsatz von F.L.J. Sangster u. K.Teer mit dem Titel "Bucket-Brigade Electronics-New Possibilities For Delay, Time-Axis Conversion and Scanning" beschrieben ist. Dieser Aufsatz ist veröffentlich in "IEEE Journal of Solid State Oircuits", Juni 1969. Die Figur 1 der beigefügten Zeichnungen entspricht der Figur 4- dieser Veröffentlichung. Die dargestellte Schaltung enthält einen bipolaren Transistor Q1 , dessen Basis mit dem Kollektor eines Transistors Q2, einem Ende eines Kondensators 011, der Anode einer Diode D1 und dem Emitter eines Transietors Q3 verbunden ist. Die Diode D1 liegt mit ihrer Kathodenseite am Emitter des Transistors Q1 und an* einem Ende eines Kondensators C1X. Die anderen Enden der Kondensatoren C11 und C1X sowie der Kollektor des Transistors Q1 und die Basis des Transistors Q2 sind mit Masse verbunden.

Wenn beim Betrieb dieser bekannten Schaltung der Transistor Q2 auf ein Eingangssignal hin leitet, wird der Kondensator C11 um ein gewisses Maß entladen, wodurch das Potential an der Basis des Transistors Q1 niedriger wird. Hierdurch leitet der Transistor Q1, und zwar als Emitterfolger, und entlädt den Kondensator C1X. Wenn ein der Basis des Transistors Q3 zugeführtes Taktsignal positiv xvird, dann schaltet sich der Transistor Q3 ein und leitet einenStrom von einem Kondensator C13 durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Q3, wodurch die Kondensatoran 01X und C11 wieder aufgeladen werden. Die den Kondensatoren 011 und 01X zugeführte Ladungsmenge hat ein ent-

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sprechendes Ladungsdefizit am Kondensator C13 zur Folge. Das Ladungssignal (d.h. das Ladungsdefizit) am Kondensator 013 ist proportional dem und größer als das Signal, welches ursprünglich am Kondensator C11 vorhanden war und der Basis des transistors Q1 zugeführt wird.

Die bekannte Schaltung hat viele vorteilhafte Eigenschaften. Die direkte Verbindung zwischen dem Kollektor des Transistors Q2 und dem Emitter des Transistors Q3 kann jedoch dann von großem Nachteil sein, wenn der Transistor Q2 der Ausgang eines Registers und der Transistor Q3 der Eingang eines anderen Registers ist. Diese direkte Verbindung koppelt das Eingangsregister mit dem Ausgangsregister, so daß die beiden Register nicht voneinander entkoppelt sind. Mit der vorliegenden Erfindung soll daher eine Verstärkeranordnung geschaffen werden,in welch keine niederohmige Verbindung vom Eingang zum Ausgang der Verstärkeranordnung vorhanden ist.

Beider bekannten Schaltung wird außerdem der Wiederaufladungsimpuls über die Diode D1 gleichzeitig dem Emitter des Transistors Q1 und dem einen Ende des Kondensators G1X zugeführt. Im Gegensatz hierzu itfird bei den erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltungen daher ein die analoge Funktion des Kondensators 01X erfüllender Kondensator verwendet, um den Ladungs-oder Wiederaufladungsimpuls auf einen Transistor zu koppeln.

Die erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltungen enthalten einen Kondensator, der in Reihe mit der Arbeitsstrecke,(d.h. dem Leitungsweg) eines Transistors geschaltet ist. Ein Ende des Kondensators empfängt Impulse, die über den Kondensator auf den Transistor gekoppelt werden, und zwar im Sinne einer Einschaltung oder Leitendmachung des Transistors. Auf einen Impuls hin lädt oder entlädt der Transistor den Kondensator um ein Maß, welches proportional dem an seine ⁿ Steuerelektrode liegenden Signalwert ist.

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_ IL .„

Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen erläutert, in deren Figuren gleiche oder ähnliche Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind.

Figur 1 ist das Schaltbild einer Schaltung gemäß dem Stand der Technik;

Figur 2 ist das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung;

Figur 5 zeigt den Verlauf von der Schaltung nach Figur 2 zugeführten Taktimpulsen und von an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Figur 2 erscheinenden Signalen;

Figur 4- zeigt das Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung; ' . - .

Figur 5 zeigt in einer Draufsicht die Metallisierung und die Anordnung der in Figur 4- dargestellten Schaltung;

Figur 6 zeigt den V_erlauf von an verschiedenen Punkten der 'Figur 4- auftretenden Signalen;

Figur 7 zeigt eine wiederum andere Ausführungsform der Erfindung;

Figur 8 zeigt in einer Draufsicht das Metallisierungsmuster und die Anordnung für die Schaltung nach Figur 7;

Figur 9 zeigt den Verlauf von in der Schaltung nach Figur auftretenden Signalen.

Die zur Erläuterung der Erfindung nachstehend beschriebenen Ausführungsformen enthalten Feldeffekttransistoren mit isolierter Gateelektrode (sogenannte IGFETS). Die Verwendung solcher Transistoren ist nur als Beispiel anzusehen, d.h. es könnenzur Realisierung der Erfindung auch andere Transistortypen herangezogen werden, die eine Steuerelektrode und eine S£romleitungsstrecke aufweisen·

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In der nachstehenden Beschreibung werden IGPETS vom P-Leitfähigkeitstyp m\t dem Buchstaben P und einem nachgesetzten Bezugszeichen bezeichnet, während IGI¹ETS vom N-Leitfähigkeitstyp mit dem Buchstaben H und einem nachgestellten Bezugszeichen bezeichnet werden. IGFETS haben eine S-^euerelektrods (Gateelektrode) und zwei '.; "Haupt e'lektr öden" (Sour ce elektrode und Drainelektrode), welche die Enden einer Stromleitungsstrecke, (im folgenden "Kanal" genannt) bilden. Ein IGB¹ET kann Srom in beiden Richtungen durch seinen Kanal leiten, und welche der beiden sοgJiauptelektroden jeweils die Sourceelektrode oder die Drainelektrode ist, hängt von dem diesisn beiden Elektroden angelegten Potential ab. Für einen P-l@i» tenden IGFET' ist die Sourceelektrode diejenigen mit dem_höheren Potential, und bei einem N-leitenden IGFEiS ist die Sourceelektrode diejenigen mit dem niedrigeren Potentiale

Die Figur 2 zeigt eine Ladungsverstärkerstufe 10, d©rer-. Eingang T1 mit dem Ausgang eines Eingangs-Ladunssübtrtragungsregisters 12 verbunden ist· Der Ausgang T2 d©r Stuf© 10 ist mit dem Eingang eines Ausgangs-Ladungsübertragungsregisters 14 verbunden. Die Register 12 und 14 arbeiten nach dem bekannten Prinzip einer Eimerkette und werden dcf,;f@g®s, «Lsir mit "Eimerkettenregister" bezeichnet. Das Eingariggs^gister (von dem nur eine Stufe dargestellt ist) enthält Transistoren P1, P2 und PF. Die Transistoren PI und PF liegen mit ihren Gateelektroden an einer Leitung 11, während die Gateelektrode des Transistors P2 mit einer Leitung 13 verbunden ist. Die-Source-Drain-Strecke des Transistors P1 liegt zwischen der Eingangsklemme 16 und dem Knotenpunkt 18„ die Source-Drain-Strecke des Transistors P2 liegt zwischen dem Knotenpunkt 18 und der Klemme T1, und die Source-Drain-Strecke des Transistors PF liegt zwischen der Klemme P1 und der Leitung 11. Zwischen der Gate-und Drainelektrode an jedSiE dsr transistoren FI und P2 liegt ein Kondensator 01 bzw. C'2_V usfi be ids- Kondensatoren C1, C2 haben im wesentlichen *Li© gl^isfe® Kapazität

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Die Verstärkerstufe enthält den Transistor NI , der mit seiner Gateelektrode an die Eingangsklemme T1, mit seiner ersten Hauptelektrode 20 an die Leitung 13 und mit seiner zweiten Hauptelektrode 23 an die Ausgangsklemme T2 der Verstärkerstuf e angeschlossen ist. Ein Kondensator CX, dessen Kapazität größer als diejenige von G1 und C2 ist, liegt zwischen,den Klemmen T2 und TX. ■

Das Ausgangsregister 14 enthält die Transistoren P3 und P4, deren Source-Drain-Strecken in Reihe zueinander zwischen den Klemmen T2 und T4· liegen.. Die Gateelektrode P3 ist mit der Leitung 11, und die Gateelektrode des Transistors P4 ist mit der Leitung 13 verbunden. Zwischen der Gate-'.lind: Drainelektrode jedes der beiden Transistoren liegt Jeweils ein Kondensator 03 bzw. CW-. ■

Mit den Leitungen 11 und 13 sind Taktsignalquellen 15 bzw. 1? verbunden, welche Taktsignale H1 und H2 liefern. Ein zwischen die Leitung 13 und die Klemme TX geschalteter Verstärker 21 versorgt die Klemme TX mit H2B-Taktsignalen, di· mit den H2-TaktSignalen phasengleich sind. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 21 sei veränderbar, um die Amplitude der H2B-Signale größer oder kleiner als diejenige der H2-Signale zu machen. Eine Veränderung der Amplitude der H2B-Taktsignale führt zur Zunahme oder Abnahme der konstanten Grundladung, die gemeinsam mit dem Eingangssignal übertaagen wird. Durch Verstellung der Amplitude der H2B-Taktsignale kann man auch Abweichungen der S_nhwellenspannung des Verstärkertransistors von einem angenommenen Wert Null korrigieren, wodurch ein modifiziertes Hintergrundsignal im Verstärkerausgang entsteht. In manchen Fällen kann der Verstärker 21 fortgelassen werden und die Klemme TX mit der Leitung 13 verbunden werden. Eine Eingangssignalquelle 19» die. irgendein zur Ansteuerung einer "Eimerkettenstufe" geeigneter Wandler sein kann, ist mit der Klemme 16 verbunden. Die Kombination der Quelle 19 mit dem Eingangsregister 12 kann auch durch irgendeine Signalquelle er-

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setzt werden, mit der der Verstärkereingang direkt ansteuerbar ist. .

Die Arbeitsweise der in Figur 2 gezeigten Schaltung sei nnn anhand der Signalverläufe nach Figur 3 erläutert. Die Taktsignale ΗΊ und H2 sind im vorliegenden Beispiel als komplementäre und symmetrische Signale dargestellt, deren Amplitude zwischen +V und -V wechselt, wobei V einen typischen Wert von 3 Volt haben kann. 5¹Ur die nachfolgende Beschreibung sei vorausgesetzt, daß erstens das H2B-TaMsignal phasen- und amplitudengleich mit dem H2-Cl}akt signal ist, und daß zweitens die S_chwellenspannüng der Transistoren Null ist.

Mittels der Taktsignale H1 und H2 wird ein Ladungssignal längs den Registern 12 und 14 weitergegeben. Wenn sich H1 in negativer Richtung ändert, (von +V auf -V Volt), dann werden die"ungeradzahlig bezifferten Transistoren der Register 12 und 14 sowie der Transistor PF eingeschaltet,und die geradzahlig bezifferten Transistoren werden gesperrt. Wenn sich H2 ins Negative ändert, dann werden die geradzahlig bezifferten Transistoren der Register eingeschaltet und die ungeradzahlig bezifferten Transistoren gesperrt.

Wenn also H1 negativ wird, dann wird der Transistor P1 eingeschaltet, und irgendein Signal am Knotenpunkt 16, welches positiver als -V Volt ist, wird zum Knotenpunkt 18 gegeben. Kurz bevor H1 positiv und ti2 negativ wird, hat das ,Potential am Knotenpunkt 18 den Wert (-3 V +e„) Volt, wobei· e„ die Sig-

s s

nalspannung entsprechend dem in C1 gespeicherten Ladungssignal ist. Das Potential an der Klemme T1 liegt bei —V Volt. Während des Übergangs von H1 ins Positive und von H2 ins Negative steigt das Potential am Knotenpunkt 18 um 2-V ¥olt auf (-V + e_o) Volt an, und das Potential an der Elemme T1 geht von -V auf -3V Volt. V_Q? Transistor P2 empfängt also an seiner Gateelektrode die Spannung -V, an seiner Sourceelektrode (Knotenpunkt 18) die Spannung (-V + e_) und as. seiner Drain-

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elektrode (T1) die Spannung -3V Volt. Nach dem Übergang von H2 ins Negative leitet der Transistor P2 und überträgt ein Ladungssignal e_o vom Knotenpunkt 18 zur Klemme T1. Das beim negativen Ausschlag von H2 an der Klemme T1 liegende Potential ist dann (-3V +e_) Volt. Wie aus Figur 3 ersichtlich, bleibt

für e_ =0 das Potential bei T1 auf -3V Volt, während dieses s _%

Potential für-Werte von e , die von 0 abweichen, positiver als -3V Volt ist.

Die Verstärkerstufe wird durch H2-Taktimpulse und H2B-Taktimpulse gesteuert' und wird dann eingeschaltet, wenn H2 negativ ausschlägt. Im folgenden sei angenommen, daß der Verlauf von H2B gleich ist dem Verlauf von H2. W_enn das H2-Taktsignal einen negativ gerichteten Wechsel beschreibt, koppeln die Kondensatoren 02 und GX die H2-und H2B-Taktsignale zu den Klemmen T1 bzv. Φ2, wodurch das Potential an diesen beiden Klemmen sofort von -V auf -3V Volt geht. Bei negativem H2-Taktsignal ist die mit der Leitung 13 verbundene Elektrode 20 des Transistors FI auf -V Volt und wirkt als Drainelektrode, während die mit der Klemme T2 verbundene Elektrode 23 auf -3V Volt liegt und als Sourceeleürode wirkt. Die Gateelektrode dieses Transistors empfängt dann (-3V + e_) Volt. Mit -diesen Vorspannungen arbeitet der Transistor· N1 als Sourcefolger. Jedes Signal e_ an der G_ateelektrode des Transistors FI, welches die Gatespannung positiver als -3V werden läßt, bewirkt einen Stromfluß von der Dpainelektrode zur Sourceelektrode des Transistors N1 in dem Kondensator CX. Der Strom fließt in- einer solchen Richtung, daß der Kondensator OX positiv aufgeladen wird, bis das Potential an der Sourceelektrode (T2) den Wert (-3 V Volt + e ) Volt hat.'W_enn das Potential an der Klemme T2 gleich ist dem Potential an der Klemme T1, dann hört der Stromfluß auf. Das Potential an der Klemme T2 ist daher phasengldch mit dem Signal an der Klemme TI, wie es mit den Signalverläufen für die Klemmen TI und T2 in Figur 3 gezeigt ist. Der negativ gerichtete H2B-Impuls wird somit über den Kondensator OX weitergegeben und schal-

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tet den Transistor N1 ein, und zwar so, daß seine Elektrode 23 als Sourceelektrode wirkt und ein Stromfluß über die Source-Drain-Stcecke erfolgt, -womit der Kondensator CX um einen der Signaiamplitude an der Eingangsklemme T1 gleichen Betrag e_g aufgeladen wird.

Da CX wesentlich größer als C2 ist und weil an diesen beiden Kondensatoren dieselbe-Spannung (e_o) liegt, ist die in CX ge-

speicherte Ladung (Q_v) im entsprechenden Verhältnis größer als die in C2 gespeicherte Ladung (Q1). Wenn also beispielsweise CX=1O-C1, dann ist Q= 10·Q1. Mittels des MOS-Transistors NI, des Kondensators CX (dessen Kapazität größer ist als diejenige der Kondensatoren C1, C2 des Eingangsregisters) und mit .. Hilfe einer geeigneten Taktsteuerung des Kondensators CX und des Transistors N1 wird also eine Ladungsverstärkung erzielt.

Wenn das H2-Taktsignal positiv wird, dann- wird das Potential an den Klemmen T1 und T2 um 2V Volt von (-3V +e_o) auf (-V +e_o) Volt angehoben. Gleichzeitig wird HI negativ von +V auf -V Volt, wodurch der Transistor P3 eingeschaltet wird. Der Transistor P3 leitet als Sourcefolger und überträgt das Ladungssignal vom Kondensator CX zum Kondensator C3. Der Betrag des an der Klemme T2 liegenden Ladungssignals (e_), der oberhalb -V Volt liegt, wird zur Klemme T3 übertragen, und das Potential an der Klemme T2 sinkt auf -V Volt ab. Am Ende jedes Verstärkungszyklus wird also das Potential an der Klemme T2 von -V wieder hergestellt,, Gleichzeitig schaltet der Transistor PF durch und äellt das Potential -V Volt- an der Klemme T1 wieda? her. Daher wird, wenn-H2 auf +V und HI auf -V Volt geht, der Transistor N1 gesperrt;, weil seiner Gateelektrode (T1) und seiner Sourceelektrode (llali:- trode 23) -V Volt angelegt wird und ansiner Drainelektrode (Elektrode 21) +V Volt erscheinen.

Das an der Klemme T3 herrschend? Potential wird zur /Hamms ^äP

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übertragen, wenn das H2-Taktsignal negativ wird. Auf diese Weise wird das am Kondensator CX liegende verstärkte Ladungssignal entlang dem Ausgangsregister weitergegeben. Die Eapazitätswerte der Kondensatoren G3 und C4 können im wesentlichen gleich der Kapazität des Kondensators CX gemacht werden. Andererseits ist es jedoch auch möglich, die bei T2 vorhandene verstärkte Ladung O in eine Spannungsverstärkung bei T3 um-

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zusetzen, indem man den Kondensator C3 kleiner als den Kondensator CX macht.

Die Verwendung eines Ausgangsregisters 14 ist nur ala Beispiel anzusehendes kann statt dessen auch irgendeine andere Ntfzschaltung an den Ausgang T2 des Ladungsverstärkers angeschlossen werden. . . '

Die als Sourcefolger arbeitende Verstärkerschaltung (N1 und CX) ist linear, stabil und in integrierter Bauweise herstellbar. Weda? an seinem Eingang noch an seinem Ausgang ist eine ohmsche Belastung erforderlich, die als Quelle für thermisches Rauschen wirken würde. Ein Nachteil der Schaltung nach Figur 2 besteht ebenso wie bei der bekannten Schaltung nach Figur 1 darin, daß der Verstärkertransistor N1 von einem anderen Leitfähigkeitstyp als die Transistoren im Register 12 sein muß, damit er als Sourcefolger arbeitet. Dies bringt möglicherweise Probleme bei der Herstellung monolithischer integrierter Schaltungen mit sich, die gleichzeitig das Register und den Verstärker enthalten. Komplementäre Transistoren erfordern gesonderte V_erfahrensr schritte, womit die Kosten erhöht und der Ausstoß bei der Herstellung verringert wird. In den Figuren 4· und 7 sind zwei Ladungsverstärker dargestellt, mit denen sich diese Schwierigkeiten überwinden lassen, da sie Transistoren vom selben Leitfähigkeitstyp wie die angeschlossenen Register enthalten.

Bei der in Figur 4 gezeigten Schaltung enthält die Verstärkerstufe ein Transistor PA,dessen Gateelektrode mit der Eingangsklemme T1, dessen erste Hauptelektrode 41 mit der Klamme Ί?5

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und dessen zweite Hauptelektrode 4-3 mit der Ausgangsklemme ü?2 verbunden ist. ^er transistor PA ist vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Transistoren der Register 12 und 14-, die eingangsseitig bzw- ausgangsseitig angekoppelt sind. Die Register 12 und 14 sind genauso aufgebaut wie die entsprechenden Register in Figur 2 und brauchen daher nicht nochmals ausführlich beschrieben zu werden. Ein Kondensator CX4·, dessen Kapazität größer ist als diejenige des Kondensators C1 bzw. G2 liegt zwischen der Klemme T2 und der Leitung 13· Eine verstellbare Vorspannung VB, die bei der Beschreibung der Arbeitsweise der Schaltung mit -V Volt angenommen wird, ist an der Klemme T5 zugeführt.

In der dargestellten Anordnung arbeitet der Transistor PA als Inverter und liefert an der Klemme T2 ein Signal, welches größer ist als das Signal an der Klemme T1 und gegenüber diesem umgekehrt ist. Das Signal an. der Klemme T2 kann, wie gezeigt, auf ein Ausgangsregister gekoppelt werden,oder es kann irgendeiner anderen Kutzschaltung zugeführt werden. Die Schaltungsanordnung nach Figur 4- läßt sich in integrierter Bauweise herstellen, wie es in Figur 5 gezeigt ist. In Figur 5 sind die Diffusionszonen-mit gestrichelten Linien angedeutet, während metallene Leiter mit ausgezogenen Linien gezeichnet sind. Wie in Figur 5 zu erkennen ist, kann der. Kondensator GX4 durch eine relativ große Metallfläche realisiert werden, die sich über die diffundierte Soureezone des Transistors PA erstreckt." Die Kondensatoren G3 rand G4 können auf ähnliche V/eise wie der Kondensator GX4· realisiert verden« Die Kapazitätswerte dieser Kondensatoren lassen sish ziemlich genau einstellen, weil sie von der Größe der feiells von deas Mletall überdeckten Fläche und von der Dicke der Cfej&schicht abhängen.

Die Arbeitsweise der Schaltimg nach Figur 4 läßt;"sich am besten anhand der in Figur S gezeigten Signalver-ltnfe verfolgen. Zur Vereinfachung der Beschreibung sei angenommen,,. daB

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das Potential an der Klemme T1 gleich ist dem entsprechenden Potential im Falle der Figur 3· W_pnn beispielsweise zum ZaLtpunkt t. das H2-Taktsignal negativ wird, dann wird irgendein am Knotenpunkt 18 vorhandenes Ladungssignal zur Klemme TI übertragen, deinen Potential sich dann durch (-3V ⁺e_s) ausdrücken läßt. Gleichzeitig wird ein negativer Impuls mit einer Amplitude von 2V VÖlt über den Kondensator CX4 zur Klemme T2 gegeben, und das Potential an dieser Klemme ändert sich von -V auf -3V Volt. Dies hat zur Folge, daß zum Zeitpunkt t^ der Transistor PA folgendermaßen vorgespannt ist: An seiner Elektrode 41 (Klemme 5) liegen -V Volt (VB), so daß diese Elektrode die Rolle der Sourceelektrode übernimmt; die Elektrode 43 (Klemme T2) liegt auf -3V und wirkt als Drainele&rode; die Gateelektrode (Klemme TI) liegt auf (-3V +e VVolt. Mit diesen

Vorspannungen ist der Transistor PA durchgeschaltet, und während der Zeit t^;bis t₂ fließt ein Strom von der Klemme T5 über die Source-Draiii-Strecke des Transistors PA in den Kondensator CX4. Die.Höhe des Stroms ist umgekehrt proportional dem Signal an der Klemme T1. Das heißt, Je niedriger dieses Signal ist, desto größer ist die Leitfähigkeit des Transistors und desto mehr wird der Kondensator CX4 positiv aufgeladen. Der durch den Kondensator CX4 gekoppelte~ negativ gerichtete H2-Impuls erzeugt also eine Potentialdifferenz zwischen den Enden des Kanals des Transistors PA, de diesen Kanal zum Leiten bringt und einen Source-Drain-Strom zur Folge hat, der den Kondensator CX4 auf einen Betrag auflädt, der umgekehrt proportional des am Kondensator C2 liegenden Signals e_ist.

Auf einen positiv gerichteten Zustandswechsel des H2-Taktsignals. hin wird der Transistor PA gesperrt, und der Verstärkende Teil des Zyklus beendet. Die Gateelektrode des Transistors PA wird auf (-V +e_) Volt gebracht, das Potential an der Elektrode 4-3 geht in positiver Richtung auf -V Volt plus dem am Kondensator 0X4 angesammelten verstärkten Ladnngssignal, und die Elektrode 41 bleibt auf -V Volt. Die mit der

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Klemme Τ2 verbundene Elektrode 43 des Transistors PA wirkt nun als Sourceelektrode, und die mit der Klemme T5 verbundene Elektrode 41 wirkt als -Drainelektrode. Wenn H2 positiv wird, dann wird HI negaitv, und der Transistor P3 wird eingeschaltet, so daß er das verstärkte Ladungssignal- von der Klemme T2 zur Sienme T3 überträgt. Die Potentiale an den Klemmen TI, T2 und T3 für drei verschiedene Signalzustände (e_s^i» e ρ ^un(3· ^e _s^) ^Bi-ⁿ& in Figur 6 dargestellt.

Obwohl die Schaltung nach Figur 4- der Schaltung nach Figur 2 sehr ähnlichist, arbeitet sie zwangsläufig auf andere Weise, weil der verwendete Verstärkertransistor PA nunmehr denselben Leitfähigkeitstyp hat wie die Transistoren im Eingangsregister. Der Kondensator (0X4) virkt als Last an der Drainelektrode des Verstärkertransistors (PA), so daß eine Signalumkehr erfolgt. HUnG Spannungsverstärkung und die 'Grundladung am Ausgang läßt sich im gewissen Maß durch Verstellung der- Vorspannung VB steuern. Bei der Schaltung nach Figur 4 müssen die ' Betriebsspannungen sorgsam gewählt werden, um eine Sättigung des Transistors und eine Begrenzung der Signale zu vermeiden.

Figur 7 zeigt eine Ladungsverstärkerschaltung 10, die als Sourcefolger arbeitet, ohne daß ein komplementärer Transistor erforderlich ist.Die Ladungsverstärkerschaltung 1o enthält T_ransistoren PA1, PA2 und einen Kondensator 0X7. Die Gateelektrode des Transistors PAI ist mit der -klemme T1 verbunden, und die Gateelektrode des Transistors' P.A2 ist an die Klemme T2 angeschlossen. Die Source-Drain-S1iecken der Transistoren PA1 und PA2 legen parallel zueinander zwischen den Klemmen T6 und T2. Der Kondensator 0X7 ist zwischen die Klemme T2 und die Klemme T7 geschaltet.Der Kondensator 0X7 hat eine größere Kapazität als der Kondensator 02. Eine Signalquelle 70, die ein Signal des in Figur 9 mit der Wellenform"O-Takt" dargestellten Typs liefert;, ist mit der Klemme T7 verbunden, während an die Klemme T6 eine Gleichvorspannung von -3V Volt gelegt ist.

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Der Eingang TI und der Ausgang T2 des LadungsVerstärkers ist mit jeweils einem Register (Eingangsregister 12, Ausgangsregister 14) verbunden. Die Register 12 und Ά entsprechen denoben im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen Rgistemund werden daher nicht im einzelnen 'erläutert. Es sei jedoch bemerkt, daß das Eingangsregister 12 von den H1-und H2-Takt impuls en auf den Lotungen 10 und 13 gesteu-.ert wird, und daß das Register 14 von Taktimpulsen H1' und H2^! gesteuert wird, die den Leitungen 11' und 13' zugeführt werden. Es sei nur noch erwähnt, daß die Verstärkertransistoren und die Transistoren des Eingangs- und Ausgangsregisters alle vom selben Leitfähigkeitstyp sind.

Die Figur 8 zeigt in einer Draufsicht den möglichen Aufbau der Schaltung nach Figur 7· In Figur 8 stellen die gestrichelten Linien Diffusionszonen dar, während die ausgezogenen Linien leitende Metallisierungsbereiche darstellen. Wie gezeigt, lassen sichdie Transistoren PA1 und PA2 mit einer gemeinsamen Sourcezone' realisieren, der die Gleichvorspannung zugeführt wird. Überder gemeinsamen Sourcezone der beiden Transistoren PA1 und PA 2 befindet sich ein Metallbelag, mit dem der Transistor 0X7 gebildet wird und dem das C-Taktsignal zugeführt wird.

Die Arbeitsweise der Schaltungnach Figur 7 läßt sich am beäsn anhand der in Figur 9 gezeigten Signalverläufe verfolgen. Es sei erstens angenommen, daß die Taktsignale H1' und H2¹ den Taktsignalen H1 und H2 gleich sind und gemeinsam mit diesen auftreten. Ferner sei angenommen, daß zum Zeitpunkt tQ das H2-Taktsignal ins Negative wechselt und das H1-Taktsignal· ins Positive wechselt. Schließlich sei angenommen, daß die

Spannung an der Klemme T^ zum Zeitpunkt t_n den Wert (-3V +e ) _t ι υ s

Volt hat. Kurz vor dem Zeitpunkt t.^ liegt der Transistor PA1 mit seiner Gateelektrode (Klemme T1) auf (-3V +e_o) Volt und mit seinen Drain-und Sourceelektroden (KlemmenT2 und T6) auf -3V Volt (für e =0 ist das Gatepotential ebenfalls -3V Volt).

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Der Transistor PAI ist gesperrt, weil das Potential an seiner Dpain-und seiner Sourceelektrode negativer ist als das Potential an seiner Gateelektrode.

Zum Zeitpunkt t^ wechselt das dem einen Ende des Kondensators CX7 angelegte- C-Taktsignal in positiver Richtung von -3V auf -V YoIt. Der Kondensator CX7 koppelt diese Spannungsänderung gWolt) auf die Klemme T2, und das Potential an dieser Klemme geht von -3V auf -Y YoIt über. Zum Zeitpunkt t^ liegen daher am Transistor PA1 folgende Potentiale vor: die Elektrode. 71 liegt adf -Y YoIt und wirkt nun als Sourceelektrode ; die Drainelektrode (Elektrode 73) liegt auf -JY YoIt; und die Gateelektrode liegt auf (-3V +e_ß) Volt. Vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₂ leitet der Transistor PA1 als Sourcefolger. Durch den Kondensator GX? und von der Klemme T2 fließt Strom über'die Source-Drain-Strecke des Transistors PA1 zur Klemme T6. Der Transistor PAI leitet solange Strom, bis das Potential an der Klemme T2 von -V Volt auf (-3V +e_o) Volt gesunken ist. Das he£>fc,der Transistor PA1 leitet solange, bis sein Sourcepotential (T2) dem Gatepotential (T1) gleich ist. Sobald dieser Zustand erreicht ist, sperrt der Transistor PA1 (wie im vorhergehenden Pail sei angenommen, daß alle Transistoren eine Schwellenspannung vonO haben). Der positiv.· gerichtete C-Taktiiapuls wird also über den Kondensator 0X7 gekoppelt_und schaltet denTcansistor PA1 ein, wobei die Elektrode 71 als Sourceelektrode wirkt und ein Strom über die Source-Drain-Strecke fließt, der den Kondensator CX? so weit auflädt, bis das Sourcepotential gleich dem Gatepotential ist. Da der Kondensator -CX? größer ist als der Kondensator C2 :_?findet eine Ladungsverstärkung statt, weil an den Kondensatoren 02 und CX7'dasselbe Ladungssignal (e_) liegt. -

Zum Zeitpunkt t₂ wird der H1-Taktimpuls negativ und der E2-Taktimpuls positiv. Während dieser Phase der H1-und H2-Takt-

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signale v/erden die Transistoren Pi, PF und P3 eingeschaltet und die Transistoren P2 und P4 gesperrt. Vom Zeitpunkt t₂ zum Zeitpunkt t₇ wird das an der Klemme Tp vorhandene Signal zur Klemme T3des Ausgangsregisters übertragen. Diese Übertragung des Ladungssignals geschieht in folgender Weise: Zum •Zeitpunkt t^ wechselt <das C-Taktsignal (wiederum) in positiver Mchtung von' -V auf +V Volt. Dieses der Klemme T4 angelegte Impulssignal wird über den Kondensator CX7 zur Klemme T2 gegeben und hebt deren Potential um 2 V Volt auf (-V +e V Volt an. Der Transistor P3 (der durch ein 'H1-Taktsignal von -V Volt eingeschaltet wird) leitet daher und "entlädt" das Potential an der Klemme T2 auf -V Volt und überträgt die dem Signal

e entsprechende Ladung zur Klemme T3· Das an der Klemme T3 s

erscheinende Ladungssignal kann dann längs dem Ausgangsregister weiter übertragen werden.

Zum Zeitpunkt t'₂ ändert sich das Gatepotential des Transistors PAI, welches gleich dem Potential an der Klemme Ti ist, von

(-3V +e„) auf (-V +e_o) Volt infolge der positiv gerichteten s s

über 2V Volt gehenden Änderung des Signals H2. Gleichzeitig liegt die Drainelektrode (Klemme T6) des- Transistors PA 1 auf -3V Volt und die Sourceelektrode (Klemme T2) auf (-V +e_o) Volt. Vom Zeitpunkt to zum Zeitpunkt t-, fällt das Gatepotential und das Sourcepotential des Transistors PA1 von (-V +e_o) Volt auf -V Volt ab, und der Transistor PAI wird während dieser Zeitspanne gesperrt. Es zeigt sich somit, daß mit Hilfe eines Transistors PA1, der denselben Leitfähigkeitstyp wie die snderen Transistoren der Register hat, eine Ladungsverstärkung möglich, ist und daß der Ausgang des Transistors mit einem Ausgangsregister oder einer anderen Nutzschaltung gekoppelt werden kann, wo Transistoren\".des3elben Leitfähigkeitstyps vorhanden sind.

Es bleibt noch aufzuzeigen, daß der Anfangszustand von -3V Volt an der Klemme T2 wieder hergestellt werden kann. -

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Zum Zeitpunkt t^ geht das 0-Taktsignal in negativer Richtung von +V auf -3V Volt über. Dieser negative Ausschlag mit einer Amplitude von 4V Volt wird sofort über den Kondensator CX7 auf die Klemme T2 gekoppelt. Hiermit wird der Transistor PAI sofort gesperrt, weil sein Gatepotential -V Volt ist. Der Transistor PA2, dessen Gatelektrode mit der Klemme T2 verbunden ist, wird eingeschaltet. Er leitet in Sourceschaltung und klemmt die Klemme T2 auf -3V Volt. D_er Transistor PA2 übernimmt daher die Aufgabe, den Ausgang des Verstärkers (Klemme T2) auf den ursprünglichen Spannungswert von -3V Volt zurückzustellen.

Während des Zeitintervalls t₇-t(- wird der Kondensator CX7 wieder aufgeladen, so daß beim nächsten Taktzyklus das ganze Spiel von Neuem beginnen kann. Während der Zeitspannen t·,-^ und ΐ?'"^ wurde Ladung von der Klemme T2 fortgenommen, und während der Zeitspanne t^vtc wird der Zustand ander Klemme Ϊ2 über den Tranästor PA2~wieder hergestellt, wobei der Transistor PA2 eingeschaltet wird, wenn das Potential an der Klemme T2 von -V auf -5V Volt durch den negativen Auschlag des G-Taktsignals umgeschaltet wird. Während der Zeitspanne t-z-t,, wächst das Potential an der Klemme T2. von -5V auf -3V an, wodurch dort der gleiche Zustand wie zum Zeitpunkt t^ wieder hergestellt wird. Die Grundladung im Ausgangssignal kann gegenüber der Grundladung im Eingangssignal vergrößert oder verkleinert v/erden, indem man die Amplitude des C-Takt« signals verändert.

Hinsichtlich der Stabilität, der Linearität und der leichten Steuerbarkeit ist die Schaltung nach Figur 7 mit der Schaltung nach Figur 2 gleichwertig.

Die Unterteilung des Taktzyklus in drei Abschnitte mittels der Wellenform des C-Taktsignals ermöglicht sinen\Scurcefolgerbärieb mit einem Verstärkertrans is tos?, d©ss@n Lei⁴;»

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fähigkeitstyp derselbe wie derjenige des Eingangsregisters ist. Obwohl für die erste und zweite Entladung des kondensator s CX7 nur ein Viertel jedes Zyklus zur Verfügung steht, hat das Fehlen einer totalen Entladung nur einen praktisch vernachlässigbaren Einfluß auf die Betriebsgeschjvindigkeit und den Verstärkungsfalttor. Zur Wiederherstellung der Ladung am Kondensator CX7 steht die gesamte Hälfte eines Zyklus (t;z - te) ^zur Verfügung, so daßdie Verstärker stufe ebenso schnell arbeiten kann wie die Eingangs- und Ausgangsregister.

Um mit den in den Figuren 2 und 7 gezeigten Sourcefolgerschaltungen eine Ladungsverstärkung zu erzielen, muß man nicht unbedingt den Kondensator CX7 größer machen als den Kondensator 0X2, sondern man kann statt dessen auch den Kondensator CX7 während jedas Taktzy.klus mehr als einmal aufladen. Beispielsweise sei davon, ausgegangen, daß bei der¹ Schaltung nach Figur 7 das·Eingangsregister 12 durch die HI-und H2-Taktsignale und das Ausgangsregister 14· durch die H1^!-und H2^f-Taktsignale gesteuert wird. Die Frequenz der Taktsignale H1' und H2¹ sei höher als diejenige der _Taktsignale H1 und H2. Der Ladungsverstärker "vervielfältigt" dann am Kondensator CX7 jedes Ladungspafee$..".., &as an der Klemme Q?1 des Eingangsregsters vorhanden ist. Die dem Kondensator CX7 angelegte G-iaktwelle müßte dann die Frequenz des Ausgangstaktsignals haben, ihre Form müßte jedoch abhängig von den gewünschten Spannungspegeln im Auggangsregister modifiziert werden.

Eine große Anzahl von im Sourcefolgerbetrieb arbeitenden Ladungsverstärkern, die eine solche "Vervielfältigung" durchführen, könnte in einem Fernsehsystem eingesetzt v/erden, wo eine mehrmalige Wiederholung einer gegebenen Signalkette erwünscht ist. In diesem Fall könnte eine Reihe von im Sourcefolgerbetrieb ^arbeitenden Ladungsverstärkern herangezogen werden, wobei in jeder vertikalen Spalte eines Bildfühlers oder einer

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Serien-Parallel-Serien-Verzögerungsleitung ein solcher Verstärker vorzusehen wäre. Als Soürce/folger arbeitende Verstärker sind besonders geeignet für parallelbetriebene Kanäle, weil ihr Verstärkungsfaktor nicht eine strenge Punktion der · Transkonduktanz (Steilheit bzw. Gegenwirkleitwert) des jeweiligen Verstärkertransistors ist.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Ladungsverstärker zur Verstärkung des einem kapazitiven ■ Eingangsanschluß zugeführten Signals, mit einem Transistor, dessen Steuerelektrode mit dem Eingangsanschluß verbunden ist und dessen beide Hauptelektroden die Enden eines Lei-■ tungsweges durch den Transistors darstellen, ferner mit einem Kondensator, der mit einem Ende an einen Ausgangsanschluß und an die erste Hauptelektrode angeschlossen ist und eine größere Kapazität als die Kapazität am Eingangsanschluß hat, und schließlich mit einer Einrichtung zum Anlegen elektrischer Impulse an das andere Ende des Kondensators,- dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (CX; CX4-; CX7) in Reihe zumLeitungsweg des Transistors (N; Pi; PA1) geschaltet ist; und daß die elektrischen Impulse (H2-oder C-Takt) über den Kondensator zum Transistor gegeben werden und eine solche Polarität und Amplitude haben, daß der Transistor beim Vorhandensein eines Eingangssignals leitet und am Kondensator eine Ladung erzeugt, die proportional dem am Eingangsanschluß (T1) zugeführten Signal ist.

   Ladungsverstärker nach Anspruch^, dadurch gekennzeichnet, daß der , Transistor als Folger betrieben ist und die Spannung am Ausgangsanschluß der Spannung am Eingangsanschluß folgt, und· daß mit der zweiten Hauptelektrode (20 in Figur 1) des Transistors eine Leitung (13 in Figur 2 ) verbunden ist, der elektrische Impulse derselben Polarität zuführbar sind, wie sie die dem Kondensator zugeführten Impulse haben.

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   3. Ladungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingangsanschluß (TI) und die Leitung (13) ein Kondensator (02 in Figur 2) geschaltet ist.

   4. Ladungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (02 in Figur 2 oder ^'igur 7) zwischen den Eingangsanschluß (Tl) und eine Quelle für elektrische Impilse geschaltet ist, und daß der zweiten Hauptelektrode (41 in Figur 4 oder 73 in Figur 7) &es Transistors ein festes Potential (VB oder -3V) zugeführt ist.

   5. Ladungsverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Transistor (PA2 inFigur 7)» dessen Leitungsweg parallel zum Leitungsweg des erstgenannten Transistors (PA1) liegt und dessen Steuerelektrode mitdem Ausgangsanschluß (T2) verbunden ist.

   6. Ladungsverstärker nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kondensator (0X7) zugeführten elektrischen Impulse aus drei Abschnitten bestehen, .wobei der erste Abschnitt das Ladungssignal am Kondensator ©rsö«gt₅ m:d wö~ ■ bei der zweite Abschnitt den Wert des Ladungssignals am Ausgangsanschluß verschiebt, und wobei der dritte .Abschnitt den zweiten Transistor einschaltet, um den Wesrfe des Ladungs· signals am Ausgangsanschluß auf einen vorgegebenen Wert zurückzustellen.

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