DE2430349C3 - Integrierte Verzögerungsanordnung nach dem Prinzip der Ladungsverschiebeschaltungen - Google Patents

Description

Zusammenfassende Darstellungen über Ladungsverschiebeschaltungen, auch Ladungstransportschaltungen oder -bauelemente genannt, finden sich in der Zeitschrift »Elektronik«, 1974, Seiten 3 bis 8, und der Zeitschrift »Internationale Elektronische Rundschau«, 1973, Seiten 239 bis 244. Mit diesen Schaltungen ist es möglich, Analogsignale, also beispielsweise Wechselspannungen beliebiger Kurvenform oder auch einzeln auftretende Signale, zu verzögern und somit zeitweise zu speichern. Das Analogsignal wird dabei entsprechend dem Abtasttheorem quantisiert und den einzelnen Quantisierungsstufen entsprechende Ladungsmengen innerhalb der Ladungsverschiebeschaltungen mittels Taktsignalen verschoben.

Zu den Ladungsverschiebeschaltungen gehören einerseits die sogenannten Eimerkettenschaltungen und andererseits die ladungsgekoppelten Schaltungen.

Eimerkettenschaltungen weisen eine Vielzahl von gleichartigen Stufen auf, die jeweils aus einem Transistor und einem zwischen dessen Steueranschluß und dessen Kollektoranschluß liegenden Kondensator bestehen und derart hintereinandergeschaliet sind, daß der Kollektoranschluß des einen mit dem Emitteranschluß des nächstfolgenden Transistors verbunden ist, wobei die Steueranschlüsse der geradzahligen Transistoren vom einen Teil eines rechteck- oder sägezahnförmigen Taktsignals und die Steueranschlüsse der ungeradzahligen Transistoren von einem zweiten Teil des rechteck- oder sägezahnförmigen Taktsignals gesteuert sind. Die beiden Teile des Taktsignals sind gleichfrequent und so einander zugeordnet, daß die wirksamen Impulse des einen in den Lücken zwischen den wirksamen Impulsen des anderen Teils liegen.

Eimerkettenschaltungen können sowohl aus diskreten Bauelementen aufgebaut werden als auch in Form integrierter Schaltungen realisiert werden. Dabei können als Transistoren sowohl bipolare als auch Feldeffekt-Transistoren verwendet werden, wobei im letzteren Fall insbesondere Isolierschicht-Feldeffekttransistoren von Vorteil sind, also zur Integrierung die sogenannte MOS-Technik angewendet wird.

Die ladungsgekoppelten Schaltungen sind ausschließlich in integrierter Form realisierbar, da bei ihnen der bei den Eimerkettenschaltungen vorhandene Kondensator als Einzelstruktur entfällt und seine Wirkung durch entsprechende Anordnung der Elektroden und entsprechende Wahl der Taktsignalform ersetzt wird.

Das Charakteristische der Funktion solcher Ladungsverschiebeschaltungen besteht darin, daß in der einen Taktsignalphase die geradzahligen Stufen einen Analogsignal-Spannungswert, die ungeradzahligen Stufen jedoch einen neutralen Spannungswert und in der darauffolgenden Taktsignalphase die ungeradzahligen Stufen einen Analogsignal-Spannungswert, die geradzahligen Stufen jedoch einen neutralen Spannungswert enthalten.

Für die Verzögerungszeit t solcher Ladungsverschiebeschaltungen gilt die einfache Formel:
_ η

wobei mit η die Stufenzahl der Ladungsverschiebeschaltung und mit /Vdie Frequenz des Taktsignals bezeichnet ist Die Verzögerungszeit t ist also direkt proportional der Stufenzahl n, während die Frequenz des Taktsignals über das Abtasttheorem insofern einen Einfluß auf die Verzögerungszeit hat, daß je hochfrequenter das zu verzögernde Signal ist und demzufolge je hochfrequenter das Taktsignal zu wählen ist, sich die Verzögerungszeit verringert, also bei gleicher Verzögerungszeit für nieder- und hochfrequente Signale die Stufenzahl für diese zu vergrößern ist

Der Erhöhung der Stufenzahl stehen jedoch mehrere Gesichtspunkte entgegen. So ist der Ladungstransport entlang der Ladungsverschiebeschaltungen in der Weise störungsbehaftet, daß am Ende der Leitung durch unterschiedliche Effekte immer größere Anteile der Ladungsmengen verloren gehen, die die Analogsignale repräsentieren. Dieser Ladungsverlust kann zwar durch sogenannte Regenerierungsschaltungen ausgeglichen werden, jedoch erfordern diese Regenerierungsschaltungen zusätzlichen Platz, was bei der Realisierung in Form integrierter Schaltungen besonders ins Gewicht fällt. Auch ist die unbegrenzte Erhöhung der Stufenzahl bei der Integrierung dadurch begrenzt, daß die Fertigungsausbeute an funktionsfähigen integrierten Schaltungen umgekehrt proportional zur benötigten Kristallfläche der integrierten Schaltung ist

Oberhalb einer bestimmten Stufenzahl ist somit überhaupt keine oder mindestens keine wirtschaftliche Fertigung mehr möglich.

Ferner ist zu berücksichtigen, daß bei den geschilderten, mit sogenannten 2-Phasen-Taktsignalen betriebe- nen Ladungsverschiebeschaltungen immer die Hälfte aller Stufen einen neutralen Spannungswert aufweist, die Anordnung also eine Redundanz der Stufenzahl von 50% hat Eine nach dem Eimerkettenprinzip aufgebaute integrierte Verzögerungsanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US-PS 37 64 824 (= DE-OS 22 41 917) bekannt Bei dieser Anordnung ist zwar der Anteil der einen neutralen Spannungswert aufweisenden Stufen gegenüber dem Wert von 50% dadurch vermindert, daß nur jeder geradzahligen oder ungeradzahligen Längskettenstufe eine Querkette zugeordnet ist, jedoch sind die Querkettenstufen mit zu den Taktsignalen der Längskettenstufen gleich'requenten Signalen so gesteuert, daß auch in den Querketten die Hälfte der Stufen immer einen neutralen Spannungswert aufweist Dabei liegen gleichliegende ungeradzahlige oder gleichliegende geradzahlige Querkettenstufen miteinander verbunden an denselben Taktsignalen. Die Stufenzahlreduzierung ist also noch nicht optimal, insbesondere wenn große Stufenzahlen berücksichtigt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, integrierte Verzögerungsanordnungen nach dem Prinzip der Ladungsverschiebeschaltungen anzugeben, die bei gegenüber den bekannten Anordnungen gleicher jo Kristallfläche eine beträchtlich größere Stufenzahl ermöglichen, d. h. bei denen der Anteil der Stufen mit neutralen Spannungswerten optimal reduziert ist

Diese Aufgabe wird von der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst Der Erfindung liegt daher der Gedanke zugrunde, die Anzahl derjenigen Stufen, in denen ein neutraler Spannungswert enthalten ist, durch eine durch andere Taktsteuerungen der Querkettenstufen weiter zu reduzieren. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet und werden nun zusammen mit der Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 zeigt eine übliche Eimerkettenschaltung mit 2/j Stufen, und

Fig.2 zeigt als Ausführungsbeispiel den Verzögerungsteil einer nach dem Eimerkettenprinzip aufgebauten integrierten Verzögerungsanordnung entsprechend der Erfindung.

In F i g. 1 ist als Beispiel einer Ladungsverschiebeschaltung eine übliche Eimerkettenschaltung gezeigt die aus isolierten Feldeffekttransistoren mit den entsprechenden Kondensatoren besteht Hierfür können p-Kanal- oder n-Kanal-Transistoren verwendet werden, je nachdem, welche Integrationstechnologie oder welche Spannungspolaritäten für den speziellen Anwendungsfall am geeignetsten erscheinen. Gleiches gilt für die Wahl, ob die Feldeffekttransistoren vom Anreicherungs- oder vom Verarmungstyp sein sollen.

Aus dem Gesamtverlauf der Eimerkettenschaltung, die bekanntlich eine in der Größenordnung von einigen Hundert liegende Stufenanzahl aufweisen kann, sind in F i g. 1 u. a. die Transistoren T₀, Ti, T₂, T₃, T_2m-_U T_2n, und T₀₀ gezeigt. Diese Transistoren sind mit den zugehörigen Kondensatoren Co, C in der eingangs geschilderten Art verknüpft und hintereinandergeschaltet. Die geradzahligen Transistoren TO, T₂, T_2n, sind mit ihren Steuerelektrode!! an das Taktsignal Φι und die ungeradzahligen Transistoren Γι, T₃, T_21n-U Too mit ihren Steuerelektroden an das Taktsignal Φι' geschaltet

Jedes dieser Taktsignale Φι, Φι' besteht hinsichtlich seines Zeitverlaufs, wie in F i g. 1 links oben angedeutet, aus einer rechteckförmigen und gleichfrequenten Spannung, die auf den Schaltungsnullpunkt bezogen ist wobei die Amplitude des einen Taktsignals in der Lücke zwischen den wirksamen Impulsen des anderen Taktsignals liegt und umgekehrt Hierbei kann jedes der Taktsignale ein Tastverhältnis von 0,5 aufweisen, jedoch ist es auch möglich, ein von diesem Tastverhältnis abweichendes Tastverhältnis derart zu wählen, daß zwischen den wirksamen Impulsen der beiden Taktsignale Lücken auftreten, während derer beide Taktsignale NuU sind.

Das zu verzögernde bzw. zu speichernde Analogsignal wird dem Eingang E zugeführt der mit dem gesteuerten Strompfad des Eingangstransistors T₀ in Verbindung steht Das andere Ende dieses Strompfades ist mit dem Eingangskondensator C₀ verbunden, dessen anderer Anschluß am Schaltungsnullpunkt liegt

Die letzte verzögernde Stufe der Eimerkettenschaltung nach F i g. 1 ist die Stufe mit dem Transistor T_2n,- \, während die beiden letzten Transistoren T_2m Too dem gleich- und wechselstrommäßigen Abschluß der Eimerkettenschaltung dienen. Dabei ist der eine Anschluß des gesteuerten Strompfades des Transistors TOo mit seiner Steuerelektrode verbunden. Das verzögerte bzw. gespeicherte Analogsignal wird am Verbindungspunkt der gesteuerten Strompfade der beiden letzten Transistoren Tjm-i, T_2n, abgenommen und steuert den Ausgangstransistor T_A, der mit seinem gesteuerten Strompfad zwischen der Betriebsspannung Ub und dem Ausgangsanschluß A liegt

Für diese Eimerkettenschaltung gelten die eingangs angestellten Erwägungen hinsichtlich der Stufenzahl und der Realisierungsmöglichkeit als integrierte Schaltung.

Der in Fig.2 als Ausführungsbeispiel gezeigte Verzögerungsteil weist die Nachteile der bekannten Anordnungen nicht auf und bezieht sich ebenfalls auf eine Anordnung nach dem Prinzip der Eimerkettenschaltung, jedoch ist es ohne weiteres klar, daß die Erfindung auch bei den eingangs erwähnten ladungsgekoppelten Bauelementen in entsprechender Weise angewendet werden kann.

Die nach dem erfindungsgemäßen Prinzip aufgebaute Eimerkettenschaltung nach Fig.2 besteht aus der ersten Längskette K, den Querketten CA, Q₂. Qk-\, Qk und der zweiten Längskette K'. Die erste Längskette K ist so aufgebaut wie die Eimerkettenschaltung nach F i g. 1, d. h, sie besteht aus den Transistoren T₀, Ti, Ti, T₃, Ti, T_2m-s,T_2m-A, T_2m-3, Tiro-2, Ti_n-X, Too- Die Anzahl der verzögernden Stufen ist somit bei der Längskette K gerade im Gegensatz zur Anzahl der Stufen der Eimerkettenschaltung nach F i g. 1, die ungerade ist Die Längskette K wird vom ersten Taktsignal Φι, Φ χ' betrieben, während dem Eingang E wieder das zu verzögernde Analogsignal zugeführt wird.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig.2 ist an jedem ungeradzahligen Transistor der ersten Längskette K, also den Transistoren Ti, T₃, T_2m-s, T_2n-^ eine Querkette von gleichartigen Stufen angeschlossen, nämlich die Querketten Qi, Q2, Qk-1, Qk- Am Transistor T_2m-\ ist keine Querkette angeschlossen, da es sich bei diesem um keinen verzögernden Transistor handelt

Jede Querkette enthält die gleiche Anzahl von η Stufen und bildet durch die Hintereinanderschaltung

ihrer einzelnen Stufen jeweils eine Eimerkettenschaltung.

Die Steuerelektroden der Transistoren gleichnamiger Stufen der Querketten sind miteinander verbunden und führen zu einem Eingangsanschluß. So liegen am Eingangjaiischluß Φί,\ die Transistoren ΤΊ.ι, Ti,\, 7i_i,i, Til als erste Querkettenstufen. Ebenso liegen am Anschluß Φ_ί2 die Transistoren 71,2, 7^₂, T_k-\₂, Tu als zweite Querkettenstufen. Gleiches gilt auch für die fn-l)-ten Querkettentransistoren 7i,„-i, 7J_1n-I, 7i_i^i-i, Tkj,-u die am Anschluß Φ^η-ι liegen sowie für die /j-ten Querkettenstufen mit den Transistoren ΤΊ_Λ T₂J* T_k- ΐ_Λ Tin, die am Anschluß Φ₃._η liegen.

Die Ausgänge der einzelnen Querketten sind mit der zweiten Längskette K' verbunden, die bezüglich ihres Aufbaus im wesentlichen mit dem Aufbau der ersten Längskette K identisch ist Die zweite Längskette K' enthält die Transistoren T₂', T₃', 7V, T₂I_n-S, 7i'_m_₄, 7y_m_₃, 7*2/71-2, 72m-1. Τ«.

Die Ausgänge der einzelnen Querketten sind am Verbindungspunkt des gesteuerten Strompfades des jeweiligen ungeradzahligen Transistors mit seinem zugehörigen Kondensator der zweiten Längskette K' angeschlossen. So ist der Ausgang der Querkette Qi mit dem zum ersten ungeradzahligen Transistor gehörenden Anschluß des Kondensators verbunden, wobei allerdings der dem ersten ungeradzahligen Transistor 7"ί der ersten Längskette K entsprechende erste ungeradzahlige Transistor der zweiten Längskette K' nicht benötigt wird.

Der Ausgang der zweiten Querkette Qz, also der Transistor T₂J, liegt am Verbindungspunkt des gesteuerten Strompfades des Transistors T₃' mit dem zugehörigen Kondensator und ebenso die entsprechenden Ausgänge der Querketten Qk-\, Qk mit den Transistoren Tk-ΧΛ Tkj, an den Transistoren T₂'_m-s, T_2m-₃.

Vom Verbindungspunkt der gesteuerten Strompfade des vorletzten Transistors 7·>Ίη-ι und des vorvorletzten Transistors T₂'_m-₂ wird wiederum wie in Fig. 1 der Ausgangstransistor T^ gesteuert, der mit seinem gesteuerten Strompfad zwischen der Betriebsspannung Ub und dem Ausgang A liegt, während der Transistor Ta, durch Verbindung seines Steueranschlusses mit dem gesteuerten Strompfad für den Gleichstromabschluß der zweiten Längskette K'sorgt

Die zweite Längskette K' wird vom Taktsignal Φ₂, Φ₂ gesteuert, das hinsichtlich seiner Kurvenform mit der des Taktsignals Φι, Φι' identisch ist In Anwendungsfällen, bei denen es nicht erforderlich ist den gesamten Speicherinhalt sofort am Ausgang A abnehmen zu müssen, kann die Frequenz des zweiten Taktsignals Φ₂, Φ{ niedriger sein als die des Taktsignals Φι, Φι', wobei in Fällen, in denen es störend ist, daß bereits eingeschriebene Information durch nachfolgende überschrieben wird, durch entsprechende Speichersteuerung, beispielsweise zeitweises Anhalten des schnelleren Taktsignals, das Oberschreiben zu verhindern ist

Die Anschlüsse der gleichnamigen Stufen der Querketten Qi ... Qk werden vom Hilfstaktsignal mit den Teiltaktsignalen $3,1, Φ*2, Φχη-u Φχη gespeist, die die einzelnen Querkettenstufen zeitlich nacheinander aktivieren, wie dies durch das in F i g. 2 links gezeigte Impulsschema angedeutet ist, bei dem die einzelnen Impulse zeitlich gegeneinander versetzt sind.

Als Hilfstaktsignalgenerator ist ein n-stufiges Schieberegister vorgesehen, dessen η Parallel-Ausgänge mit den π gemeinsamen Anschlüssen der Querketten verbunden sind. Dieses Schieberegister wird so betrieben,' daß eine einzige Stufe gesetzt ist, deren Information in Richtung von der n-ten zur ersten Stufe, gesteuert von einem dritten Taktsignal, entsprechend umläuft.

Die Wirkungsweise des in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels ist folgende. Ist die erste Längskette K mit Signalwerten gefüllt, so werden durch entsprechende zeitliche Zuordnung der Impulse des ersten und dritten Taktsignals die in den signalgefüllten Kondensa toren enthaltenen Ladungen auf die Kondensatoren der ersten Stufen der Querketten Q\... Qk übertragen. Nach erneutem Füllen der ersten Längskette K mit Signalwerten wird wiederum durch entsprechende Steuerung mittels der Taktsignale die in den ersten Stufen der Querketten enthaltene Information auf die zweiten Stufen und die in der ersten Längskette K enthaltene Information in die ersten Stufen der Querketten übertragen. Dies geschieht fortlaufend, so daß allmählich sämtliche Stufen der Querketten mit Signalen gefüllt werden. Sind die n-ten Stufen der Querketten erreicht, so wird beim nächsten Taktsignalschritt deren Information in die entsprechenden Stufen der zweiten Querkette K' übertragen und dort, gesteuert vom zweiten Taktsignal Φ₂, Φ₂ zum Ausgang

A übertragen.

Da das Übertragen in die Querketten erst erforderlich ist, wenn die erste Längskette K gefüllt ist, kann das Übertragen von Querkettenstufen zu Querkettenstufen erheblich mehr Zeit beanspruchen als es in einei üblichen Ladungsverschiebeschaltung möglich ist, d. h. die Frequenz des dritten Taktsignals kann wesentlich niedriger als die Frequenz des ersten Taktsignals liegen Aufgrund dieser Tatsache ist es auch möglich, aul neutrale Spannungswerte speichernde Querkettenstu fen zu verzichten und lediglich für jede zweite Stufe dei ersten Längskette eine entsprechende Querkett« vorzusehen.

Während der Übertragung von den einen Stufen dei Querketten zu den nächsten Stufen wandert allerding!

vom Ende der Querketten her in einer Reih« gleichnamiger Stufen ein neutraler Spannungswer durch die Querketten, wie man dies auch von dei Erklärung der Wirkungsweise der Eimerkettenschal tung her kennt, daß nämlich die dem Signal entspre chenden Spannungswerte vom Anfang zum Ende um die neutralen Spannungswerte vom Ende zum Anfanj hin die Kette durchlaufend gedacht werden können. In einzelnen geht dies so vor sich, daß, nachdem alle Signalwerte der zweiten Längskette K'an den Ausgan j gelangt sind, alle Kondensatoren der letzten Querket tenstufen gleichzeitig ihren Signalinhalt in die Konden satoren der zweiten Längskette K' übertragen unc somit einen neutralen Spannungswert annehmer Daraufhin übertragen alle Kondensatoren der vorletz ten Querkettenstufen ihre Signalwerte in die Kondensa toren der letzten Querkettenstufen und nehmen dabe somit zwangsläufig einen neutralen Spannungswert ar Dieser Vorgang setzt sich zu den ersten Querkettenstu fen hin fort, indem die Signalwerte schrittweisi reihenparallel nach unten wandern und eine Querreihi mit neutralen Werten nach oben wandert, bis diese ii der ersten Längskette K angekommen ist Di Taktsignalsteuerung hat im allgemeinen lediglich ζ gewährleisten, daß zu diesem Zeitpunkt auch die erst

Längskette mit Signalen gerade gefüllt ist

Die Anzahl der neutrale Spannungswerte enthalten den Kondensatoren ist somit bei der Verzögerungsan Ordnung nach der Erfindung auf eine einzige Reih

gleichnamiger Stufen der Querketten reduziert, wobei sich diese Reduzierung auf die benötigte Kristallfläche bei der Integrieruiig dann besonders günstig auswirkt, wenn der Anteil der Querketten gegenüber dem Anteil der Längsketten groß ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verzögerungsanordnung ist darin zu sehen, daß ein

bestimmter Signalwert nur einen Teil der insgesamt vorhandenen Stufen durchläuft. Die eingangs erwähnte Unvollkomme/iheit der Ladungsübernahme bei jeder Weitergabe des Signalwerts wirkt sich daher viel geringer auf das Ausgangssignal als bei den bekannten Anordnungen aus.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 Patentansprüche:

1. Integrierte Verzögerungsanordnung nach dem Prinzip der Ladungsverschiebeschaltungen zum Verzögern bzw. zeitweiligen Speichern von Analogsignalen, die eine erste Längskette von hintereinandergeschalteten, gleichartig aufgebauten und von ersten Taktsignalen derart betriebenen Stufen und eine zweite Längskette von hintereinandergeschalteten, gleichartig aufgebauten und von zweiten Taktsignalen derart betriebenen Stufen aufweist, daß in der einen Phase der jeweiligen Taktsignale die geradzahligen Stufen einen Analogsignal-Spannungswert, die ungeradzahligen Stufen jedoch einen neutralen Spannungswert und in der darauffolgenden Phase der jeweiligen Taktsignale die ungeradzahligen Stufen einen Analog-Spannungswert, die geradzahligen Stufen jedoch einen neutralen Spannungswert enthalten, und bei der zwischen jeder geradzahligen oder jeder ungeradzahligen Stufe der ersten und zweiten Längskette Querketten mit der gleichen Anzahl hintereinandergeschalteter, von Hilfstaktsignalen betriebener Stufen angeordnet sind, deren Frequenz niedriger als die der ersten Taktsignale ist, und bei der die ersten, zweiten ... η-ten Stufen jeder Querkette bezüglich der Steuerelektroden ihrer Transistoren miteinander und jeweils mit den η Parallel-Ausgängen eines Hilfstaktsignalgenerators verbunden sind, wobei η die Stufenzahl der Querketten ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfstaktsignalgenerator ein /7-stufiges Schieberegister dient und daß im Schieberegister eine Stufe gesetzt ist und diese Information in Richtung von den n-ten zu den ersten Querkettenstufen im Schieberegister, gesteuert von dem dritten Taktsignal, umläuft.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Taktsignale Φι, Φ\, Φϊ, Φ2) eine unterschiedliche Frequenz aufweisen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei niederfrequenten zweiten Taktsignalen [Φι, Φϊ) zur Verhinderung des Überschreibens schon gespeicherter Information die schnelleren Taktsignale anhaltbar sind.