DE2352184C2

DE2352184C2 - Schaltung zur gleichzeitigen Ablesung und Signalverarbeitung einer ladungsgekoppelten Anordnung sowie Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE2352184C2
Application number: DE2352184A
Authority: DE
Inventors: Franklyn C. Glen Burnie Blaha, Md.; Ingham A.G. Laurel Mack, Md.; David H. Ellicott City McCann jun., Md.; Marvin H. Prince George White, Md.
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1972-10-20
Filing date: 1973-10-18
Publication date: 1983-02-24
Also published as: USB299480I5; FR2204013B1; GB1413036A; US3781574A; DE2352184A1; FR2204013A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur gleichzeitigen Ablesung und Signalverarbeitung einer ladungsgekoppelten Anordnung mit einer Mehrzahl taktgesteuerter Obergabeeiektroden und mit einem Minoritäisträgerdetektorkreis.

Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Schaltung.

In einem Aufsatz mit dem Titel »Charge Coupled Semiconductor Devices«, veröffentlicht in B. S. T. ]. April 1970, Seite 587—593, beschreiben W. S. Boyle und G. E. Smith eine neue Klasse von monolithischen Halbleitereinrichtungen für die Speicherung und sequentielle Übertragung elektronischer Signale, wobei die gespeicherte Information in Form von »Paketen« überschüssiger Minoritätsträger vorliegt, die in künstlich eingeführten Potentialquellen angeordnet sind.

Die dort beschriebenen Einrichtungen umfassen einen Metall-Isolator-Halbleiteraufbau (im folgenden auch abgekürzt als MIS-Aufbau bezeichnet), dem mehrere Metallelektroden in einer Reihe über dem Isolator (Dielektrikum) angeordnet sind, der seinerseits angrenzend zu einem Halbleiterkörper verläuft Werden die Metanelektroden aufeinanderfolgend mit einer Spannung beaufschlagt, ergeben sich in der Nachbarschaft der Halbleiterkörperoberfläche Poteniialquellen, in denen Pakete überschüssiger Minoritätsträger gespeichert werden können und zwischen denen derartige Pakete auch verschoben werden können. Um eine vorher bestimmbare Verschieberichtung zu erhalten, müssen die verschiebenden Potentialquellen mindestens während des Verschiebevorgangs asymmetrisch sein. Wie dem oben erwähnten Aufsatz entnommen werden kann, sind dazu Taktimpulse mit mindestens drei Phasen notwendig, um die erforderliche Asymmetrie bei gleichförmiger Dicke des Dielektrikums unter den Steuerelektroden und bei homogenem Halbleiter zu erlangen.

In der DE-OS 21 58 605, die einen ladungsgekoppelten Halbleiterspeicher beschreibt, mit einem auf einem Halbleiterkörper einwirkenden Elektrodennetz, ist der Halbleiterkörperaufbau asymmetrisch und zur Erzeugung von in einer Richtung anwachsenden Verarmungsbereichen im Halbleiter werden zwei elektrische Signale zugeführt, wobei außer einer Eingangselektrode zum Injizieren von Ladungen in die Verarmungsbereiche cmc Ausgangselektrode zum Auslesen der Information vorgsehen ist, wobei die Ausgangsclektrode mit einer im Halbleiterkoroer gebildeten Diode verkoppelt

l.adungsgckoppelte HiJ'jleilereinrichtungen sind besonders gut geeignet zur Fertigung von Abbildungsan· Ordnungen, bei denen beispielsweise eine parallele Ablesung der Abbildungsanordnung in ein angrenzendes Schieberegister übertragen und dann anschließend das Schieberegister seriell ausgelesen wird. Eine derartige Anordnung wird in einem Aufsatz mit dein Titel »Charge Coupled Imaging Devices« von G. F. Amelio et al in IEEE Transactions on Electron Devices, November 1971, Seite 992—996, beschrieben,
ίο Es läßt sich eine Ladungserfassungsschaltung aufbauen, bei der ein erster Feldeffekttransistor während eines periodisch auftretenden Zeitintervalls während eines ersten Zeitabschnitts eingeschaltet wird, um so einen an der Steuerelektrode eines Ausgangsfeldeffekti:> transistors liegenden ersten Kondensator zu laden. Während eines zweiten Abschnittes des Zeitintervalls wird dann ein zweiter Feldeffekttransistor eingeschaltet, um den ersten Kondensator an einen zweiten Kondensator am Ausgang eines ladungsgekoppelten Kreises anzukoppeln. Die Ladung des ersten Kondensators verursacht eine Ladungsumkehr ;<der Ladungsverarrnung unter der feststehenden "lutte des zweiten Kondensators. Wenn der ladungsgekoppelte Kreis geladen ist, d. h. seine Minoritätsträger enthält, wird unter der feststehenden Platte eine Umkehrungszone gebildet, die den zweiten Kondensator elektrisch mit dem ladungsgekoppelten Kreis verbindet. Normalerweise wird der ladungsgekoppelte Kreis geladen, wenn am Eingang des Kreises eine binäre logische »1« auftritt, jo Wenn die Umkehrungszone gebildet wird, verringert sich die Spannung am ersten Kondensator wesentlich und der Ausgangstransistor wird gesperrt. Wenn der ladungsgekoppelte Kreis nicht geladen wird, weil an seinem Eingang eine logische »0« auftritt, kommt es zu einer Verarmung des Halbleitersubstrates unterhalb der zweiten Kondensatorplatte. Die Spannung am ersten Kondensator wird dabei nur geringfügig vermindert, so daß der Ausgangsfeldeffekttransistor eingeschaltet bleibt. Der logische Zustand des ladungsgekoppdten Kreises wird dann abgetastet, indem festgestellt wird, ob der Ausgangsfeldeffekttransistor eingeschaltet oder aber gesperrt ist.

Bei Schaltungen zur gleichzeitigen Ablesung und Signalverarbeitung ladungsgekoppelt^ Halbleiterdatenspeicher tritt nun ein mit der Rückstellung verbundenes Nyquist-Rauschen auf, ferner auch sogenanntes Schaltübergangsrauschen sowie ein \/f- Oberflächenrauschen, worauf später noch näher eingegangen wird. Durch diese Rauschstörungen wird das erreichbare Signalrauschverhältnis begrenzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. dieses Signalrauschverhältnis zu verbessern.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs hinsichtlich der ■55 Schaltung und durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 7 hins^:chtlich des Verfahrens.

Von besonderer Bedeutung ist dabei, daß der Aufbau derartig gestaltet ist, daß innerhalb einer Arbeitstaktperiode, während der die Ladung von einem Schieberegibo sterbit zum nächste!, oder vom letzten Schieberegisterbit aus dem Schieberegister herausgeschoben wird, vier verschiedene zeitliche Unlcrintervalle vorgesehen werden, wodurch im Zusammenwirken mit dem erfindungsgemäßen Aufbau erreicht wird, daß auftretende h-, Rauschstörungen teilweise aus dem Ausgangssignnl. rlas z. B. ein Videosignal da» stellt, durch Subtraktion «icüt-r entfernt werden können.

Nähere Erläuterungen dazu finden sich in der

nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbcispiclcn in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindtingsgeniäßen Schaltung;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch einen monolithischen ladungsgekoppelten Halbleiterspeicher mit zweiphasig angesteuerten, in unterschiedlichen I lalbleiterebenen liegenden Übertragungselektroden sowie mit einem MIS-Ausgangsschalter und Auffangdiode; Fig. 3 schematisch ein Schaltbild eines Lesekreises;

Fig. 4 in größeren Einzelheiten einen Teilschnitt dun.h eine monolithische Halbleiteranordnung einschließlich dem Lesekreis;

einem üxidisohitnr zeitweilig vertieft wird. Nachdem sie einmal gespeichert worden sind, können mit der Potentialquelle gekoppelte Ladungen über die Begrenzungsfläcne des Halbleiters einfach dadurch bewegt werden, daß die Potentialquelle verschoben wird. Die Grundlage der Schaltkreisbetiitigung bildet ein Vorgang, bei dem eine Ladung in einem Halbleiter entweder optisch oder elektrisch eingespeist (eingelesen) und dann mittels der Potentialqtiellen längs der Begrenzungsfläche des Halbleiters weiterbewegt und schließlich die Anwesenheit oder Abwesenheit der Ladung an einer anderen Stelle oder zu einer späteren Zeit erfaßt (ausge: sen) wird.

F i g. I zeigt einen CCD-Aufbau 10. der als I inienab-

F ig. 5 in einer schematischen Blockschaltbilddarstel- 15 bildungseinrichtung betätigt werden kann, wie das in lung eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs- dem oben erwähnten Aufsatz »Charge Coupled gemäßen Schaltung;

Fig.6 ein Kurvendiagramm zur Veranschaulichung

der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltung;

tung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine

Imaging Devices: Experimental Results« beschrieben wird. An diskreten Stellen längs des Aufbaus 10 werden in Abhängigkeit von einem auf jede diskrete Zone und 20 antreffenden optischen Signa! hv Minoritätsträgerla-

Fig. 7 eine Darstellung des Rauschspektrums zur diingspakete gebildet. Eine gleiche Anzahl Übergabetoweiteren Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Schal- re 12 überträgt gleichzeitig alle Ladiingspakete in dem

Aufbau 10 zu einem CCD-Schieberegister 14. wenn den Übergabetoren 12 vor dem Beginn einer ausgewählten Schaltung zur gleichzeitigen Ablesung und Signalverar- >5 Taktperiode rein Steuersignal Φτ zugeleitet wird. Das beitung einer ladungsgekoppelten Anordnung (im Schieberegister 14 hat eine Bitkapazität, die gleich der folgenden auch CCD-Anordnung genannt), die für eine Anzahl diskreter Zonen und Übergabetore ist. so daß zeitliche Wechselbeziehung des Ausganges einer jeden ein bestimmtes Bit ein Ladungspaket von seinem Bitstelle des CCD-Schieberegisters sorgt, der in entsprechenden Aufbauelement empfängt. Das Schiebe-Verbindung mit einer CCD-Leitungsanordnung ver- 30 register 14 hat einen geeigneten Übergabeelektrodenwendet wird, um Nyquist-Rauschkomponenten wie aufbau für Zweiphasenbetrieb. Ein Zweiphasentaktgeauch Schaltüberschwingungen zu entfernen. Die Schal- ber (nicht dargestellt) liefert zueinander um 180° tung besitzt einen zwischen der letzten Bitstclle des phasenverschobene (gegenphasige) Rechteckwellen-CCD-Schieberegisters sowie einer in Sperrichtung taktsignale Φ\ und Φ>, die an den Aufbau, der sequentiell vorgespannten Auffangdiode angeordneten Multiplex- 35 die Ladungspakete zu einem mit der Abkürzung MUX MIS-Schalter, des weiteren einen Feldeffekttransistor- symbolisierten Multiplexschalter 16 verschiebt, der

entsprechend einem Steuersignal Φμ betätigt wird, das mit den Taktsignalen Φ, und Φ2 synchronisiert ist. Dadurch wird eine Parallel-/Serienumwandlung be-

rücksetzschalter der Feldeffekttransistorhalbleiterbauart (nachstehend MOS abgekürzt), wobei das Halbleitermaterial von einer ersten Art ist, sowie einen

MOS-Feldeffekttransistorverstärker mit einem Halb- 10 wirkt. Der Multiplexschalter 16 steuert sequentiell leitermaterial entgegengesetzter Art, weicher Verstär- Minoritätsladungspakete aus der letzten Bitstelle des ker der Auffangdiode nachgeschaltet ist. Dem Verstärker wiederum ist ein Abtast- und Haltekreis nachge

schaltet, der einen ersten Kondensator aufweist.

Schieberegisters 14 heraus zu einer in Sperrichtung vorgespannten Auffangdiode 18, die periodisch mittels eines MOS-Rücksetzschalters 20, der — wie weiter

welcher mit dem Ausgang des MOS-Verstärkers 45 unten noch zu erläutern — in Übereinstimmung mit

gekoppelt ist. Der Schaltung werden Steuersignale derart zugeführt, daß sich vier zeitliche Subintervalle während einer Ladungsübertragungszeitperiode bilden, innerhalb der die Auffangdiode zunächst über den Rücksetzschalter auf eine vorgegebene Referenzspan nung zurückgesetzt wird, woraufhin die Kapazität des Schaltverbindungspunktes zwischen der Auffangdiode. dem Rücksetzschalter und dem Verstärker sich auf einen vorgegebenen Rücksetzwert auflädt. Der Abtast-

einem Rücksetzsignal Φ/ι betätigt wird, auf eine Referenzspannung Vr zurückgesetzt wird. Ein MOS-Elektrometerverstärker 22 speist dann in einen Austast- und Haltekreis 24 ein, dessen Ausgang sequentielle so Videosignale abgibt, die dem sequentiellen Ausgang des Schieberegisters 14 entsprechen.

Auf den CCD-Aufbau 10 auftreffende Photonen erzeugen Minoritätsträger, die im CCD-Aufbau 10 gespeichert und von diesem über die Übergabetore 12

und Haltekreis liest bzw. tastet dann den vorgegebenen 55 zu dem Schieberegister 14 verschoben werden und von Rücksetzwert an dieser Kapazität ab und hält diesen dort sequentiell dem Multiplexschalter 16 zugeordnet Wert am ersten Kondensator fest Dann wird der werden, der sich in Nachbarschaft der letzten Multiplex-MIS-Schalter aktiviert, um so die Minoritäts- Übertragungselektrode (nicht dargestellt) befindet Der träger zu der Auffangdiode zu steuern, woraufhin ein in Fig. 1 wiedergegebene Aufbau bezieht sich zwar in Differenzsignal zwischen dem zuvor abgetasteten 60 erster Linie auf eine optische Beaufschlagung, jedoch Rücksetzsignal-Wert und dem Signalausgang von der kann auch in jeder anderen gewünschten Weise für die Auffangdiode an einen zweitön Kondensator gebildet Erzeugung von Minoritätsträgern gesorgt werden, wird. beispielsweise durch elektrische Einspeisung (Injektion).

Ladungsgekoppelte Schalteinrichtungen (CCD) bil- Fig.2 zeigt ein geerdetes Substrat 26 von einem

den und speichern Minoritätsträger (bzw. deren 65 ersten Halbleitertyp (hier als n-Halbleitertyp wiederge-Abwesenheit) in Potentiaiqueiien, die räumlich festge- geben), über das sich eine dielektrische Lage 2S aus legte Zonen sind, in denen die Verarmung der beispielsweise Siliziumdioxid (SiOi) erstreckt Überga-Grenzfläche zwischen einem homogenen Halbleiter und beelektroden 30 und 32 bilden die beiden letzten

IJbcrgabeeleklroden des Schieberegisters 14 nach Fig I. Die Ubergabeelektroden weisen Elemente in unterschiedlichem Niveau auf. die einander gewünschtenfalls für Zweiphasenbetrieb überlappen können, wie das in den eingangs genannten Aufsätzen gelehrt wird. Auf der dielektrischen Lage 28 ist ferner eine weitere Metallelektrode 34 angrenzend zur letzten Übergabeelektrode 32 und benachbart zur Auffangdiode 18 vorgesehen, die von einer Zone 40 eines zweiten Halbleitertyps (P( + )-Typ) gebildet ist, die in das Substrat 26 eindiffundiert ist. An der Innenfläche 38 zwischen der Isolicrlage und der P( + )-Diffusionszone 40 ist eine Elektrode 36 gebildet. Die Übergabeelektroden 30 und 32 lassen sich mit den gegenphasigen Taktsignalen Φ\ bzw. Φι koppeln, während die Elektrode 34 an das Steuersignal Φμ anschließbar ist. Die Steuerelektrode 34 und die SiO? Lage 28 sollen als Schalter dienen, um die Anwesenheit von Minoritätsträgern (beziehungsweise deren Abwesenheit) von der letzten Potentialquelle, die an der Innenfläche 38 unter der letzten Schieberegisterübergangselektrode 32 gebildet ist, zu der Auffangdiode 18 zu steuern, was auftritt, wenn das der Elektrode 34 zugeführte Signal Φμ ins Negative geht.

Fig. 3 zeigt den zusätzlichen verwendeten Lesekreis. Der mit Fig. 1 wiedergegebene Rücksetzschalter 20 enthält einen n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (nachstehend als FET abgekürzt), der auf demselben monolithischen I lalbleiteraufbau der F i g. 2 gebildet ist, während der Elektrometer-Verstärker 22 einen komplementären p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor enthält. Ein Querschnitt durch den Schaltungsaufbau der F i g. 3 bei Ausbildung als integrierter Schaltkreis ist im einzelnen mit Fig.4 wiedergegeben. Entsprechend F i g. 4 enthält das η-leitende Halbleiter-Substrat 26 der Fig. 2 zusätzlich zu der p( + )-Diffusionszone 40 zur Bildung der Auffangdiode 18 eine n(+ )-Diffusionszone 42, die als Isolierzone wirkt. Der einen p-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (nachstehend als MOSFET abgekürzt) enthaltende Elektrometer-Verstärker 22 ist zwischen der Auffangdiode 18 und dem n-kanal-MOSFET-Rücksetzschalter 20 ausgebildet, so daß die p-( + )-Diffusionszonen 44 und 46 die Quelle bzw. Senke des p-Kanal-Feldeffekttransistors bilden, während die Steuer-Elektrode eine Kontakt-Elektrode 48 aufweist, die auf der Oxid-Lage 28 angeordnet ist, die die Quelle- und Senke-Diffusionszonen 44 bzw. 46 überlappt. Der n-Kanal-MOSFET-Schalter enthält n-( +)-Diffusionszonen 50 und 52, die die Quelle und die Senke eines Feldeffekttransistors innerhalb einer p-leitenden Diffusionszone 54 bilden. Die Steuer-Elektrode des n-Kanal-MOSFET-Rücksetzschalters 20 enthält die Kontakt-Elektrode 56, die auf der Oxid-Lage 28 angeordnet ist und die Quelle- und Senke-Diffusionszonen 50 und 52 überlappt, wobei eine Metallisierung 58 durch eine zweite Oxid-Lage 29 hindurch gebildet ist Das Steuersignal #«kann mit der Steuer-Elektrode des MOSFET-Rücksetzschalters 20 über die Metallisierung 58 verkoppelt werden. Mit der Quellen-Diffusionszone 50 ist über die Oxid-Lagen 28 und 29 eine Metallisierung 60 verbunden, die mit einem Rücksetz-Referenzpotential — Vr beaufschlagt werden kann. Eine gemeinsame Verbindung zwischen der Diffusionszone 40 der Auffangdiode 18, der Senke-Diffusionszone 52 des n-Kanal-MOSFET-Schalters 20 und der von der Kontaktelektrode 48 des p-Kanai-MOSFET-Verstärkers 22 gebildeten Steuer-Elektrode wird durch die überbrückende Metallisierung 62 gebildet Ohmsche Kontakte für die Quellen-Diffusions/one 44 und die Senken-Diffusionszonc des p-Kanal-Verstärkers 22 werden mittels einer aufgebrachten Metallisierung erhalten, so daß sich der Ausgangs- bzw. -V-Anschluß ergibt.

Wie mit dem Schaltbild der F i g. 5 veranschaulicht, ist die Kathode der Auffangdiode (8 an Masse angeschlossen (Substrat 26 befindet sich auf Massepotential), während die Anode mit der Senke des Rücksetzschal-

in ters 20 und der Steuer-Elektrode des Verstärkers 22 verbunden ist. Diese gemeinsame Verbindung (Metallisierung 62 der Fig. 4) bildet eine Schaltverbindung 64 mit einer verteilten Kapazität Cn gegenüber Masse. Eine solche verteilte Kapazität C\i besteht ebenfalls zwischen der Steuer-Elektrode 34 des Multiplexschalters 16 und der Schaltverbindung 64. Ferner besteht eine verteilte Kapazität Cf zwischen der Steuer-Elektrode des Rücksetzschalters 20 und der Schaltverbindung 64. Diese Kapazitäten beeinflussen die Wirkungsweise der Schaltung, wie das nachstehend dargelegt wird. Wie schon erwähnt, wird die Steuer-Elektrode 34 mit einem Steuersignal Φμ beaufschlagt, während die Steuer-Elektrode des Rücksetzschalters 20 mit einem Rücksetz-Steuersignal Φκ beaufschlagt wird. Die Rücksetz-Refe-

2-; renzspannung - V_R beaufschlagt die Quelle des Rücksetzschalters 20, während eine geringfügig größere Vorspannung -(Vk \- Vte), worin Veb gleich einem Emitter-ZBasis- Dioder.- Durchlaßspannungsabfall ist, das Substrat des MOSf-ΈΤ-Rücksetzschalters 20 beauf-

JO schlagt. Dieses Substrat entspricht der p-Diffusionszone 54 der Fig. 4. Das Substrat des n-Kanal-MOSFET-Rücksetzschalters 20 ist etwas negativer vorgespannt als die Quelle, um eine Durchlaß-Vorspannung der Senke gegenüber dem Substrat-Übergang zu vermei-

j5 den, wenn der Rücksetzschalter gesperrt wird. Wenn beispielsweise Vp= -6 V und VVe=-0,7 V. wenn nämlich die Spannung Φ« zwischen 0 und —6 V schwankt, so sorgen die als Spannungsteiler wirkenden Kapazitäten C- und Cv bei Sperrung des Rücksetzschalters 20. d.h. für Φ«=-6,0ν dafür, daß eine der Beziehung -6,0[GVfO■ + CnJ]= -0,2 V entsprechende Spannung an der Schaltverbindung 64 auftritt, wobei typische Werte für Cr und Cn in der Größenordnung von 0,035 pF bzw. 1,0 pF liegen. Die Spannung des Schaltkreises am Verbindungspunkt würde somit auf -6,2 V, d.h. - V_R + (-0.2 V) gehen. Mit der erhöhten Vorspannung, d.h. —6.7V. die das Substrat des Rücksetzschalters 20 beaufschlagt kann jedoch die Senke niemals negativer als das Substrat werden. Wenn somit der Rücksetzschalter gesperrt wird, bildet die Schaltverbindung 64 einen Spannungspunkt mit verhältnismäßig großer Zeitkonstante, die durch die Schaltverbindungspunkt-Kapazität Ca· und den Sperrwiderstand der in Sperrichtung vorgespannten Auffangdiode 18

sowie den Senke-/Substrat-Übergang des Rücksetzschalters 20 gebildet wird.

Hinsichtlich des Verstärkers 22 liegt das Substrat auf Massepotential, da es praktisch Bestandteil des η-leitenden Halbleiter-Substrats 26 der F i g. 4 ist Die Senkenelektrode ist mit einer negativen Vorspannung — V gekoppelt und das Ausgangssignal des Lesekreises wird von der Quelle des Verstärkers 22 abgenommen.

Wie mit Fig.5 gezeigt ist der Ausgang des Verstärkers 22 mit dem Austast- und Haltekreis 24 über eine Vorverstärkerstufe gekoppelt die einen Operationsverstärker 6ö und einen Rückkoppeiungswiderstand 68 aufweist Die Quellenelektrode des Verstärkers 22 ist femer mittels eines Potentiometers 70 vorge-

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spannt, das /wischen cine (Quelle positiver Vorspannung + Vund einen Testwiderstand 72 geschaltet ist, der mit dem Schleifer des Potentiometers 70 in Verbindung steht. Der Auslast· und llaltckreis 24 enthält einen ersten oder »KIcninv-Kondeir-ator 74. dessen eines Ende mit der Schalt verbindung- Kapazität Cv über den Ausgang des Operationsverstärkers 66 gekoppelt ist, während sein anderes finde mit dem elektrisch gesteuerten Schalter 76 gekoppelt ist. der beispielsweise von einem MOS-Schalter gebildet sein kann. Der Schalter 76 ist mit einer negativen Referenzspannung — V( verbunden, die von einem /wischen Masse und das Potential - V geschalteten Potentiometer 78 zur Verfügung gestellt wird. Der Schalter 76 läßt sich entsprechend einer synchronisierten Steuerspannung öffnen und schließen, die einen Anschluß 80 des Schalters 76 beaufschlagt und mit F i g. 6 veranschaulicht ist. Der Verbindungspunkt 82, der die gemeinsame Verbindung zwischen dem Kondensator 74 und dem .Schalter 76 bildet, ist mit einem Eingang eines Operationsverstärkers 84 gekoppelt, der an einem weiteren Eingang an der Referenzspannung — Vc des Potentiometers 78 lieg!, die gleichzeitig als Klemmspannung oder Wiederaufladu.gs-Gleichspannung für den Kondensator 74 und den Operationsverstärker 84 dient. Zusätzlich hat der Operationsverstärker ein Rückkopplungsnetzwerk mit Widerständen 86 und 88. wobei der Widerstand 86 zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 84 und dem Eingang des Operationsverstärkers 84 liegt, der mit der Referenzspannung - V₍ beaufschlagt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 84 speist einen zweiten elektrisch betätigten Schalter 90. der in Abhängigkeit von einer weiteren synchronisierten Steuerspannung geöffnet und geschlossen wird, die einem Anschuß 92 (vgl. Fig. 5) in ähnlicher Weise wie dem Anschluß 80 des Schalters 76 zugeführt wird.

Der Schalter 90 kann gewünschtenfalls ebenfalls von einem MOS-Schalter gebildet sein. Der Schalter 90 ist mit einem zweiten oder »Austast«-Kondensator 94 gekoppelt, dessen anderes Ende an Masse liegt. Der Verbindungspunkt 96. der die gemeinsame Verbindung zwischen dem elektrisch oetätigten Schalter 90 und dem Kondensator 94 bildet, ist mit einem weiteren Operationsverstärker 98 gekoppelt, dem ein Rückkopplungsnetzwerk mit einem veränderlichen Widerstand 100 und einem Festwiderstand 102 zugeordnet ist. Der veränderliche Widerstand 100 verbindet dabei den Ausgang des Operationsverstärkers 98 mit einem weiteren Eingang desselben. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit einem Anschluß 104 verbunden, der ein Video-Ausgangssignal des der Auffangdiode 18 zugeführten Minoritätsträger-Ladungspaketes abgeben kann.

Die Arbeitsweise der Lese- und Signalverarbeitungs-Schaltung nach der Erfindung läßt sich am besten in Verbindung mit den zeitgebenden Signalen verstehen, wie sie mit den zeitlich einander zugeordneten Kurven der F i g. 6 veranschaulicht sind. Jede Taktperiode That vier verschiedene zeitliche Subintervalle. Die Taktperiode T entspricht der Zeit, innerhalb der das Zweiphasen-Taktsystem jedes Ladungspaket von einer Übergabeelektrode zu einer weiteren in dem mit F i g. 1 wiedergegebenen Schieberegister 14 um einen Schritt weiterbringt. Während die einzelnen Ladungspakete verschoben werden, wird das letzte oder Ausgangs-Bit des Schieberegisters ausgelesen und durch die Schaltung der Fig. 5 verarbeitet. Das Zeitdiagramm der F i g. 6 enthält eine Kurve 106, die der Steuerspannung Φι entspricht, w.'s periodisch die parallele Über'ragung aller Minoritätsträger-Ladungspakete von dem CCD-Aufbati 10 zu dem Schieberegister 14 mittels der ί Übergabe-Tore 12 bewirkt. Diese Kurve geht ins Negative und erscheint vor dem Beginn der Gegenphnscn-Taktspannungen Φι und <l>i, die mit den Kurven 108 bzw. 110 wiedergegeben sind. Die zweite Takispannung Φι beaufschlagt die letzte Übergabe-Elektrode .32 des

ι« Schieberegisters (Fig. 2). Ein Ladungspaket wird von dem vorletzten Bit des Schieberegisters nicht zum letzten Bit übertragen, ehe nicht die Potcmiulquelle unter der letzten Übergabe-Elektrode 32 weiter ins Negative geht, was nach einer Hälfte einer Taktperiode

is Tder Fall ist. Während eines Teils der ersten Hälfte der Taktperiode Twird die Steuer-Elektrode des Rückse.zschalters 20 mit einem Rücksctzsteuersignal '/ κ beaufschlagt, so daß der Rücksetzschalter 20 auf ei:·· höheres Potential geht, d. h. von - b.O V auf 0 V. wie das

2i) mit der Kurve 1J2 veranschaulicht ist. 'wenn die Kurve 112 das Niveau von OV erreicht hat. wird der n-Kanal-MOSFET-Riicksetzschalter 20 eingeschaltet. so daß die Verbindungspunkt-Spannung V',;. die an der Verbindungspunkt-Kapazität Cv auftritt, nach einem anfänglichen Übergang

AV=C₁(Vr- Vr)ICy+ Cv.

wobei Vr =-6,0 V und V> (Schwellspannung der Schalteinrichtung)= -2,0 V. auf die Referenzspannung

J₀ - V_K geht. Nach dem Schaltübergang /?,>vCv = 10 ns ist die Verbindungspunktspannung = — I'«. so daß die Verbindungspunkt-Kapazität Cv aufgeladen wird. Beim Aufladen der Verbindungspunkt-Kapa/ität Cv weist die Spannung - V'k eine Umbestimmtheit auf. die durch die Nyquist-Spannung

ausgedrückt werden kann, wobei k gleich der Bolt/manschen Konstante. Tgleich der Temperatur und Cv gleich

in der Verbindungspunkt-Kapazität sind.

Als nächstes wird das Rücksrtzsignal Φ« aufgehoben, indem Φ ft wieder auf -6.0 V gebracht w d. Da die Auffangdiode 18 in Sperr-Richtung vorgespannt ist und der MOSFET-Rücksetzschalter 20 sich nunmehr im gesperrten Zustand befindet, wird die Entladungs-Zeitkonstante der Verbindungspunkt-Kapazität Cv extrem lang (in der Größenordnung von 10 s) im Verhältnis zu der Taktperiode T (die typischerweise weniger als 100 μ$ beträgt). Somit hält die Verbindungspunkt-Kapazität Cvdie Ladung, die der Referenzspannung

entspricht. Dadurch wird das erste Subintervall »RESET« bestimmt, das auch als die »Rücksetz«-Zeit bezeichnet wird. Im Anschluß daran umfaßt das zweite Subintervall »READ RESET« die Beaufschlagung des elektrisch gesteuerten Schalters 76 in dem Austast- und Haltekreis 24 (der dann schließt) mit einer langdauernden Steuerspannung entsprechend der Kurve 116.

Dadurch wird der Kondensator 74 parallel zur Verbindungspunkt-Kapazität Cv geschaltet und auf die daran anstehende Spannung aufgeladen, wobei er an die Spannung — Vc angeklemmt ist. Die Kurve 116 kehrt dann auf Nullniveau zurück, so daß der Schalter 76 öffnet Die Öffnung des Schalters 76 über die Kurve 116 beendet das zweite Subintervall, das auch als »Lese-Rücksetz«-Zeit bezeichnet wird, wobei die Spannung am Kondensator 74 einen Wert annimmt, so daß die

Spannung

die die Verbindungspiinkt-Kapazität Cv beaufschlagt, gelesen und "festgeklemmt« wird. Als nächstes .vim diu F.lektrodc 34 (Fig. 2) des MUX-Schallers mit einem negativen oder sinen niedrigen Wert annehmenden Steuersignal '/'((entsprechend der Kurve 118 der F i g. 6 beaufschlagt, worauf das Minoritätsträgerpaket in der Potentialijuelle unter der Übergabe-Elektrode 32 des letzten Bits an die in Sperrichtung vorgespannte Aiiffangdiode 18 übertragen wird. Das Auffangen der Minoritätsiräger führt zu einer Änderung der Spannung an der Verbindungspunkt-Kapazität Cv um eine Spannung

wobei l\f die Spanmingsamplitude des »MUX«-Signals Φ« der I- i g. 6 ist. Die Spannung an der Schaltverbindiing 64 wahrt nii dieses Subintcrvalls ist

wie das mit F" i g. 6 gezeigt ist, wobei Vs die Signalspannung ist. Nimmt man an, daß der CCD-Aufbau 10 ein Abbildungs-Aufbau ist und das augenblickliche Ladungspaket einem Dunkelwert entspricht, so nimmt die Spannung \'c, entsprechend der Kurve 114 ab. während — wenn ein helles Signal erscheint — die Spannung V₁-, positiver zu werden sucht. Das Steuersignal Φκι wird dann aufgehoben, so daß das dritte Subintervall »MINCARR SIG IN« wird, das auch als die »Minoritätsträger-Signaleingangs-rtZeit bezeichnet wird. Wenn das »MUX«-Signal 'I'm von - V\_t aut 0 absinkt, wie das mit F^: i g. 6 gezeigt ist, wird eine Ladung von der SchaltvcrL:r"lnnK 64 ;«ht>eführt, die + Vm entsrri«.'¹I. Dadurch wird die Schaltübergangsiadung auj :r Signalverarbeitung eliminiert, wodurch der dynamische Bereich der verarbeitenden Schaltung erhöht wird. Während des »RF.AD SIG« oder »Auslese-Minoritätsträger-Signal«-SubIntervalls ist das .Spannungsniveau der .Schaltverbindung 64

_ V »-A V ± (VJf -+ Vs= V₄,

wobei Vs=CVCn der durch div Signalladung O₁ bestimmte Signaleingang ist. Nachdem der Multiplexer 16 gesperrt worden ist. besteht die Ausgangsspannung nm Kondensator 74 aus einem zeilbezogenen Referenzsignal zwischen dem Hingangssignal p'us dem Rücksetzniveau und dem Rücksetzniveau, infolge der Tatsache, daß der Schalter 76 sich jetzt im offenen Zustand befindet. Das vierte oder »Aus-Iege-Minoritätsträger-Signal«-Subintervall tritt auf, nachdem c'er Multiplexschalter 16 sperrt, und ein negatives oder abnehmendes Steuersignal beaufschlagt den zweiten Schalter 90 mit einem Signal entsprechend der Kurve 120 in F^: i g. b, das dem Anschluß 92 zugeführt wird, worauf der Schalter 90 schließt. Da das Rücksetzniveau an der Schaltverbindung 64 nur vernachlässigbar abfällt, weil die F.ntladungs-Zeiikonstantc Roff-Cs extrem lang ist. führt die Schließung de.-> Schalters 90 zu einer ausgetasteten Spannung am Kondensator 94 die ein Maß für die Zeiidifferen/ zwischen dem Signal plus dem Rücksctzrmcau minus dem Rücksctznivciii ist. d. h.

\-v_r-av+ κ,±(K₁ ²)"²] - \-v_R-AV±(Kr)^u2)= »:.

Die Entladungszeitkonstante /?_o«Cv wird dabei durch die Verbindungspunkt-Kapazität Cv und den dem gesperrten Zustand entsprechenden Widerstand gebildet, der sich aus dem Übergang zwischen nichtleitender Senke und Substrat des Rücksetzschalters 20 sowie der in Sperrichtung vorgespannten Auffangdiode 18 ergibt. Bemerkenswert ist an der so erläuterten Arbeitsweise. <iaß das ausgetastete Rauschen, d. h. die Nyquist-Spanriüngöunbcjtimmtheit, zu der »Lese-Rücksetzu-Zeit dieselbe ist wie sie zur »Lese-Minoritätsträger-Signal- «Zeit ausgetastet wird. Daher läßt sich sagen, daß das Rauschen in Wechselbeziehung gebracht worden ist.

Aus dieser Art der Signalverarbeitung ergeben sich verschiedene wesentliche Vorteile, die besonders für eine mit geringen Lichtwerten arbeitende Erfassung durch eine Abbildungsanordnung wichtig sind. Vor allem werden Schaltübergänge oder Schaltüberschwingungen beseitigt, da die Durchführungsspannung ausgetastet und während des »Lese-Rücksetz«-Subintervalls gehalten wird, wenn der Rücksetzschalter 20 sich im gesperrten Zustand befindet. Ebenso wird die gespeicherte Durchführt! gs-Ladungsüberschwingung vom einschaltenden Multiplexschalter 16 »herausgezogen«, wenn der Schalter gesperrt wird. Weiter führt der Austast- und Haltevorgang zu einer Beseitigung der Nyquist-Raurciikoniponer.ien, da die Ladungspaket-Signalspannung von dem Schieberegister auf einen bekannten Rücksetzwert multipiexiert wird, d. h. der zuvor ausgetastete und gehaltene Rücksetzwert

anderen Worten, es ist ein zeilbezogenes Verfahren zur Entfernung des Nyquist-Rausehens geschaffen worden. Ebenso orgt die Erfindung für eine Dunkelwert-Subtraktion, um den dynamischen Bereich zu erhöhen und

.μ für Gleichförmigkeit über dem Aufbau zu sorgen. Das Videosignal ist an eine Referenzspannung - V, angeklemmt, was analog der Gleichspannungs-Wiederaufladung in Aufnahnieröhren ist.

Die Analog-Signalverarbeitungseinrichtung woist in-

4j sofern ein weiteres wesentliches Merkmal auf. als dadurch die l/f-Rauschkomponente in dem Signal, der Auffangdiode, dem Rücksetzschalter und dem Elektrometer-Verstärker verlängert werden kann. Um dies zu verstehen, kann eine einfache Analyse durchgeführt

so werden, die zeigt, daß die Verarbeitungseinrichtung-Übergangsfunktion sich wie folgt schreiben läßt:

\Η(ω)Ϋ = ft (sin²

— der Rauschspannungsantei! von Λ\λ\ Rf-rksetzscH»!- ter — wird in den? Ziii-iifferenzvorga'ig beseitigt '**'". worin OJ = Zt f, Hn einstellbare Verstärkung T₀ die Zeitdifferenz zwischen Lesevorgängen, wie das mit Fig. 6 gezeigt ist, und RC die Zeitkonstante des Vorverstärkers 66 der F i g. 5 sind. Wenn 1//-Rauschen auftritt, sorgt die obengenannte Übergangsfunktion für eine Unterdrückung des Rauschenergiespektrums bei niedrigen Frequenzen, während das Signal ungedämpft und verstärkt passieren kann. Diese Zusammenhänge sind mit F i g. 7 veranschaulicht, wo eine Kurve 122 das Ι/ω-Rauschenefgiespektrum am Eingang der Verarbeitungseinrichtung zeigt, während eine Kurve 124 das Rausclienergiespektrum am Ausgang der Verarbei-T-jngseiiuichlüMg und die Kurve 126 die Übergangsfunk-

tion \Η(ω)\² wiedergeben.

Die vorliegende Erfindung ist somit auf eine Lese- und Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung für einen parallel-/seriellumwandelnden CCD-Aufbau gerichtet, wobei das weiße Rauschen, d. h. das Nyquist-Rauschen, zunächst gemessen und dann der Signalwert

selbst, einschließlich des weißen Rauschens, gemessen wird. Es erfolgt dann eine Subtraktion der beiden Größen, wodurch das Rauschen in einem zeitbezogenen oder Zeitwechselbeziehungsvorgang innerhalb derselben Taktperiode beseitigt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zur gleichzeitigen Ablesung und Signalverarbeitung einer ladungsgekoppelten An-Ordnung mit einer Mehrzahl taktgesteuerter Übergabeelektroden und mit einem Minoriiätsträgerdetektorkreis, gekennzeichnet durch einen Minoritätsträgerschalter (16), mit einer an ein periodisches Steuersignal (Φμ) angekoppelten Steuerelektrode (34), die zwischen dem Detektorkreis (18) und einer Übergabeelektrode (30, 32) der ladungsgekoppelten Anordnung angeordnet und in Abängigkeit von dem Steuersignal (Φμ) während eines dritten vorgegebenen zeitlichen Subintervalls einer Minoritätsträgertaktperiode betätigbar ist, um ein Minoritätsträgerpaket in den Detektorkreis (18) einzusteuern: ein Feldeffektschaltelement (20) eines ersten Halbleitertyps, das als zwischen eine vorgegebene Referenzspannung (- Vr) und den Detektorkreis (18) geschalteter Rücksetzschalter (20). ferner in Abhängigkeit von einem zweiten periodischen Steuersignal (Φ11) betätigbar ist, um während eines ersten vorgegebenen zeitlichen Subintervalls (RESET) der Taktperiode (T) leitend zu werden; ein Feldeffektschaltelement (22) eines zweiten Halbleitertyps, das als Verstärker (22) betätigbar ist und eine mit einem Verbindungspunkt (64) zwischen dem Feldeffektschal'element (20) des ersten Halbleitertyps und dem Detektorkreis (18) gekoppelte EingangseleHrode (G) hat, wobei der Verbindungspunkt (64) eine Verbindungspunktkapazität bildet (CN. CF. CM), die wahrend des ersten zeitlichen Subintervalls (RESET) au', die Referenzspannung (— VV aufgeladen wird; einen .uslast- und Haltekreis (24, Fig.5) mit einem ersten, mit einer Ausgangselektrode (S)des Feldeffektschaltelements (22) zweiten Halbleitertyps gekoppelten Kondensator (74), der mit einem ersten elektrisch betätigbaren Schalter (76) gekoppelt ist, der seinerseits in Abhängigkeit von einem dritten periodischen Steuersignal betätigbar ist, um so den Schalter (76) während eines zweiten vorgegebenen zeitlichen Subintervalls (READ RESET) der Taktperiode (T) zu schließen, so daß der erste Kondensator sich auf die an der Verbindungspunktkapazität (CN) auftretende Referenzspannung (- Vr) auflädt, wobei der Minoritätsträgerschalter (16) anschließend während des dritten zeitlichen Subintervalls (MIN CARR SIG IN) betätigbar wird, währenddessen ein Minoritätsträgerladungspaket mit dem Detektorkreis (18) und einer dafür repräsentativen Signalspannung mit dem ersten Kondensator (74) gekoppelt wird, so daß sich eine Spannungssubtraktion ergibt, sowie durch einen zweiten elektrisch betätigten Schalter (90). der in Abhängigkeit von einem vierten periodischen Steuersignal betätigbar ist, um den zweiten Schalter (90) während eines vierten und letzten vorgegebenen zeitlichen Subintervalls (READ SIG) der Taktperiode (T) zu steuern, ferner durch einen /weilen Kondensator (94) zur Auslastung der Spinnning an dem ersten Kondensator (74) während des vierten zeitlichen .Subintervalls (READ SIG) und zur Abgabe eines Videosignals (VG) des daran anstehenden Minoritätsträgersignals. <v*>

2. Schaltung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß clic reldcffcktschaltelcmente (20, 22) des ersten Iw. /weiten I lalbleitertyps Metalloxidhalbleitertransistoren (MOS-Transistoren) enthalten.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Transistor (20) des ersten Halbleitertyps ein n-Kanalschaltelement und der MOS-Transistor des zweiten Halbleitertyps (22) ein p-Kanalschaltelement aufweist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Minoritätsträgerdetcktorkreis eine Diode uufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffektschaltelemente (20,22) des ersten und zweiten Halbleitertyps komplementäre MOS-Transistoren aufweisen, die jeweils eine Steuerelektrode (G), eine Quellen- (S) sowie eine Senkenelektrode (D) haben und daß die Quellenelektrode (S) des MOS-Transistors des ersten Halbleitertyps (20) mit der Referenzspannung (— Vg) gekoppelt ist, während die Senkenelektrode (D) mit der Diode (18) und die Steuerelektrode (G) mit dem zweiten periodischen Steuersignal (Φ_κ) gekoppelt isL

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Transistor des ersten Haibleilertyps (20) ein Substrat (SUB) aufweist, das mit einer zweiten vorgegebenen Referenzspannung (—(Vr+ VEB)) gekoppelt ist, deren Amplitude die Amplitude der ersten vorgegebenen Referenz*.pannung (— Vr) übersteigt und die gleiche Polarität wie die erste Referenzspannung hat.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Transistor (22) des zweiten Halbleitertyps eine Steuer- (G), eine Quellen- (S) sowie eine Senkenelektrode (D) aufweist und die Steuerelektrode (G) die Eingangselektrode, die Quellenelektrode (S) die mit dem Auslast- und Haltekreis (24) gekoppelte Ausgangselektrode bildet und die Senkenelektrode (D) mit einem Vorspannungspotential (- '//gekoppelt ist.

7. Verfahren zum Betrieb eine ladungsgekoppelten Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, zur gleichzeitigen Ablesung und Signalverarbeitung von Minoritätsträgersignalpaketen, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgend der Halbleiterrücksetzschalter (20) geschlossen und eine Schaltkreisverbindungspunktkapazität (Cn), die eine gemeinsame Verbindung mit dem Minoritätsträgerdetektorkrcis (18) hat, mit einer Referenzspannung (Vr)beaufschlagt wird, wobei die Referenzspannung (Vr) eine Unbestimmtheit entsprechend der Nyquist-Rauschspannung

hat, wenn diese an die Schaltkreisverbindungspunktkapazität (Cn) angelegt wird: daß hierauf der Rücksetzschalier (20) geöffnet wird; die an der Verbindungskapazität (Cn) auftretende Referenzspannung (Vr) durch Anlegen eines Kondensators (74, 96) parallel zu der Verbindungspunktkapazität (Cn) gelesen und gehalten wird; eine Seite (82, 96) des Kondensators (74, 94) von einer Seite der Verbindungspunktkapa/ität (Cn) abgetrennt wird, dem Dctcktorkreis (18) 7.11 verbunden bleibt; ein Minoritätsträgersignal = paket (hy) in den Detektorkreis (18) eingekoppelt wird, so daß die Minoritätsträger den Ladungszustand der Verbindungspunktkapazität (Cs) und des Kondensators (74) ändern; und schließlich die Spannung über dem Kondensator abgelesen, ferner die Spannung über

dem Kondensator abgetastet wird, die die Differenz zwischen der Referenzspannung (Vr) und dem Signal plus der Referenzspannung bildet, so daß die Nyquist.-Spannung (Vn) und Schalt-Überschwingungen aus dem Ausgangssignal entfernt und damit der dynamische Bereich verbessert sowie eine l/ARauschfilterüng des Schaltkreises geschaffen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dau bei Schaltung eines Kondensators (74) parallel zu der Verbindungspunkt-Kapazität zusätzlich die Spannung an dem Kondensator an eine zweite Referenzspannung Vc»geklemmt« wird.