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Regenerierstufe für Ladungsverschiebeeinrichtung Die Erfindung betrifft
eine Regenerierschaltung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 umrissen
ist.
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Ladungsverschiebeeinrichtungen sind bereits aus "Bell System Technw
Journal' (1970), 5. 587 ff., aus "Appl. Phys. Lett.", Bd. 17 (1970), S.111 ff. und
aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 107 037 bekannt. Es handelt sich dabei um
Halbleitereinrichtungen, die gegenüber den schon früher bekannten sogenannten Eimerketten-Schaltungen
(bucket-brigade) Vorteile insbesondere in Bezug auf die technologische Herstellung
einer Ladungsverschiebeeinrichtung bieten.
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Für Ladungsverschiebeeinrichtungen und Eimerketten-Schaltungen ist
z.B. in der obengenannten deutschen Offenlegungsschrift 2 107 037, in "Elector",
(1970), S. 321 ff. und in "IEEE Journ.
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of Solid-State Circuits", Bd. FC4 (1969), S. 131 ff. bereits vorgeschlagen
worden, für den Rückzirkulationsbetrieb oder für die notwendige Regenerierung des
Signals zusätzlich eine Regenerierschaltung zu verwenden. Nit dieser Regeneri.erschalu
tung soll der bei der Verschiebung der Ladung in der Ladungsverschiebe einrichtung
bzw. in der Eimerketten-Schaltung unvermeidlich von Stufe zu Stufe auftretende Ladungs-
bzw. Signalverlust regeneriert werden.
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In anderen Zusammenhang, nämlich mit der Bewertung und Regenerierung
einer Speicherkapazität, ist in der US-PS 3 514 765 die Verwendung einer Flip-Flop-Schaltung
angegeben.
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Mit dieser Flip-Flop-Schaltung wird das beispielsweise durch
Ladungsverlust
relativ schwach gewordene Auslesesignal, d.h.
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die in dem Speicherlement relativ gering gewordene Ladungsmenge, wieder
verstärkt bzw. regeneriert, indem von dem Flip-Flop aufgrund des für Flip-Flop-Schaltungen
bekannten Schaltens eine vergleichsweise zum Auslesesignal größere Spannung bzw.
größere Ladungsmenge in das Speicherelement wieder zurückgegeben wird. Dabei kann
außerdem eine Bewertung des Lesesignals vorgenommen werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine speziell für Ladungsverschiebeeinrichtungen
geeignete Regenerierstufe anzugeben. Insbesondere soll diese Regenerierstufe ohne
technologische Schwierigkeiten in die in Halbleiter-Technologie, insbesondere tWOS-Technik,
ausgeführte Ladungsverschiebeeinrichtung zwecks Vermeidung zusätzlicher parasitärer
Kapazitäten, die beim Anschalten von externen Regenerierschaltungen entstehen, integriert
sein.
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Diese Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff des Patentanspruches
1 angegebenen Regenerierstufe für Ladungsverschiebe einrichtungen gelöst , wie dies
im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben ist. Weitere Ausgestaltungen und
Weiterbildingen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Die Erfindung geht von der ueberlegung aus, daß sich mit einer F3.ip-Flop"Schaltung
eine Regenerierung des ausgelesenen Signals durchfUhren läßt. Dabei werden bei Verwendung
einer Flip Flop Schaltung die insbesondere mit ihrem Rückkopplungseffekt verbundenen
Vorteile ausgenutzt, nämlich daß das Schalten der FllpwFlop-Schaltung und damit
der Regeneriervorgang schneller abläuft und daß bei einer Flip-Flop-Schaltung der
Jeweils eine Transistor entweder voll geöffnet oder ganz geschlossen ist, so daß
ZvJXschenzustände vermieden sind. Das Schalten der Flip-Flop-Schaltung erfolgt durch
Auftreten eines aus der LadungXsverschiebeeinrichtung eintreffenden Ladungssignals
an einem
ersten Schaltungspunkt der Flip-Flop-Schaltung. Die mit
diesem an sich bekannten Umschalten eines Flip-Flops erreichbare Verstärkung des
aus dem Flip-Flop entnehmbaren Ausgangssignals, vergleichsweise zu dem zum Schalten
des Flip-Flop notwendigen Eingangssignal, entspricht einer Verstärkung. Notwendig
ist lediglich, daß das aus der Verschiebeeinrichtung noch entnehmbare Ladungs- bzw.
Spannungssignal ausreichend groß ist, um von der Flip-Flop-Schaltung eindeutig als
Schaltsignal bewertet zu werden.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei Beispiele einer Ladungsverschiebeanordnung
mit Regenerierschaltung nach Art eines Fiip-Flop.
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Die Flip-Flop-Schaltung ist Jeweils mit 1 bezeichnet. Mit 3 und 5
bzw. 3 led 15 sind Ladungsverschiebeeinrichtungen bezeichnet. Mit Rücksicht auf
den voranstehend genannten Stand der Technik, auf den hier ausdrücklich verwiesen
wird, erübrigt es sich, weitere Einzelheiten zur technologischen und elektrischen
Ausgestaltung der Ladungsverschiebeanordnungen 3, 5, 15 zu erörtert. Unterschiedlich
zwischen den Figuren 1 und 2 ist, daß im Falle der Figur 1 beide Ladungsverschiebeeinrichtungen
3 und 5 mit ihrem Ausgang (von 3) und ihrem Eingang (von 5) auch direkt miteinander
verbunden sind. In beiden Fällen sind die Ladungsverschiebeanordnungen 3, 5, 15
mit einem als Knotenpunkt bezeoichneten, wie aus den Figuren entnehmbaren Schaltungspunkt
des Flip-Flop 1 verbunden. Bei der Ausführungsform nach Figur 1 ist dies für beide
Ladungsverschiebeeinrichtungen 3 und 5 derselbe Knotenpunkt 11. Der andere Knotenpunkt
ist mit 12 bezeichnet.
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Die Flip-Flop-Schaltung besteht im wesentlichen aus zwei Schalttransistoren
13, 14 und zwei Lasttransistoren 16, 17. Durch die Uberkreuzverbindungen 18, 19
sind diese vier Transitoren in der für ein Flip-Flop charakteristischen Weise überkreuz
geschaltete Die Lasttransistoren 16, 17 haben miteinander verbundene
Gateanschlüsse,
die an eine getrennte Taktspannung anlegbar sind. Das ganze Flip-Flop 1 liegt zwischen
den Anschlüsseln 21 und 22 an einer Quelle für eine Versorgungsspannung.
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Eine solche Flip-Flop-Schaltung ist z.B. gegenüber einfachen Inverterschaltungen
vorteilhafter, da die Flip-Flop-Schaltung als Regenerierstufe höhere Empfindlichkeit
hat und somit auch ein schon sehr schwach gewordenes Verschiebe signal regeneriert
werden k85ne Die durch die Flip-Flop-Schaltung erreichbare höhere Empfindlichkeit
rührt davon her, daß mit Hilfe eines passend gewählten zeitlichen Verlaufes der
Potentiale an den Schaltungspunkten 21, 22 und 23 die an dem Ausgang der vorangehenden
Ladungsverschiebeeinrichtung 3 am Schaltungspunkt 11 auftretende Ladung nur so groß
sein muß, daß das Flip-Flop in eine entsprechende Lage kippt. Dabei muß das Flip-Flop
gerade noch zwischen einem gewollten Auslesesignal mit einer Re,stladung und dem
Fall keine Ladung" unterscheiden können.
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Keine Ladung entspricht arigenommenerweise einer eingespescherten
"O" undlVorhandene Landung" entspricht dann einer gespeicherter 1". Es ist darauf
hinzuweisen, daß aufgrund von spontaner.
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Ladungsträgererzeugung in einer Ladungsverschiebeeinrichtung geringe
(Stör-)Ladungsmengen erzeugt werden können, so daß der Fall "O" zwangsläufig mit
dem Auftreten einer kleinen Ladungsmenge verbunden ist. Das Flip-Flop hat also zwischen
größerer gewollter Ladungsmenge 1" und kleinerer (Stör") Ladungsmenge "O" zu entscheiden.
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Durch Anlegen eines Taktimpulses an den Anschluß 23 für die Gateelektroden
der Lasttransistoren 16 und 17 der Flip-Flop-Schaltung 1 lassen sich durch Öffnen
der Lasttransistoren 16 und 17 die beiden Schaltungspunkte 11 und 12 vorübergehend
auf weitgehend nahezu gleiches Potential bei zwischen den Anschlüssen 21 und 22
anliegender Versorgungsspannung bringen. Aufgrund
der Unsymmetrie
der Flip-Flop-Schaltung verbleibt Jedoch ein notwendiger geringer Differenzbetrag
zwischen den Potentialen der Schaltungspunkte 11 und 12. Zum Zeitpunkt des beabsichtigten
Auslesens bzw. des möglichen Eintreffens eines Auslesesignals aus der Ladungsverschiebeeinrichtung
am Schaltungspunkt 11 sind durch entsprechendes Potential am Anschluß 23, wobei
z.B. die Anschlüsse 23 und 22 dann miteinander verbunden sind, die Lasttransistoren
16, 17 wieder gesperrt. Sie stellen dann Lastwiderstände einer wie üblichen Flip-Flop-Schaltung
dar. Für den angenommenen Fall einer gespeicherten 1", d.h. für den Fall des Eintreffens
eines Ladungssignals am Pullkt 11, erfährt die Flip-Flop-Schaltung 1 an 11 einen
Anstoß, in den anderen Schaltzustand. umzuschalten, da sich in dieser Zeit am Schaltungspunkt
12 (vergleichsweise zum Schaltungspunkt 11) keine wesentlichen Änderungen von außen
ergeben. Erscheint am Schaltungspunkt 11 kein Ladungssignal, entsprechend einer
eingespeicherten "O", verbleibt das Flip-Flop in seinem sich nach Sperrung der Lasttransistoren
16 und 17 von selbst wieder einstellenden bisherigen Schaltungszustand.
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Die Potentialwerte, auf die sich die Schaltungspunkte 11 und 12 einstellen
bzw. wieder einstellen, sind in an sich bekanntctr Weise wesentlich durch die Schaltungskapazität
bzw. parasitären Kapazitäten der Flip-Flop-Schaltung 1 gegeben.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der zur Regenerierung zu verwendenden
FliI)-Flop-Schaltwng, vergleichsweise zu den Flip-Flop-Schaltungen nach Figuren
1 und 2, wird mit einer in Figur 3 gezeigten Flip-Flop-Schaltung 31 erreicht. Der
Vorteil besteht, wie dies noch aus dem Nachfolgenden näher hervorgeht, darin, daß
für die Flip-Flop-Schaltung nach Figur 3 nur noch ein Takt benötigt wird und ihre
Empfindlichkeit größer ist.
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Die Flip-Flop-Schaltung 31 nach Figur 3 weist wiederum zwei Schalt
transistoren 13, 14 und dazu die Querverbindungen 18, 19 auf. Abweichen
zu
den Figuren 1 und 2 hat die Flip-Flop-Schaltung 31 nur einen einzigen Lasttransistor
16. DerJenige Source- bzw.
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Drain-Anschluß des Lasttransistors 16, der nicht an dem Schaltungs
punkt 11 anliegt, ist mit dem Gate-Anschluß 32 verbunden.
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Die Flip-Flop-Schaltung 31 hat zusätzlich noch einen sogenannten Quertransistor
33, wie er für Flip-Flop-Schaltungen in der deutschen Offenlegungsschrift 2 148
896 sowohl in seiner Anordnung als auch in seiner schaltungstechnischen Bedeutung
beschrieben ist. Mit diesem Quertransistor lassen sich die Pof tentiale der Schaltungspunkt
11 und 12 vorab noch besser auf gleiches Potential bringen. Für diese Ausgleichung
der Potentiale der Schaltungspunkte 11 und 12 wird der Quertransistor 33 an seinem
Gate-Anschluß 34 mit einer Impuls spannung getaktet. Aufgrund von Unsymmetrien in
der Flip-Flolp-Schaltung verbleibt aber dennoch ein geringer Potential-unterschied
zwischen 11 und 12, wie dies in seiner Bedeutung bereits oben erläutert ist.
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Eine Besonderheit der erfindungsgemäß vorgesehenen Flip-Flop-Schaltung
ist, daß der Gate A.nschluß 34 des Quertransistors 33 mit dem Gate-Anschluß des
Lasttransistors 16 und mit dessen vom Schaltungspunkt 11 abgewandten Source- bzw.
Drain-Anschluß verbunden ist. Diese Verbindung 35 ist die Taktleitung zum Anlegen
eines Taktpotentials R Durch den Kurvenzug 36 ist das Taktpotential, das an die
Verbindungsleitung 35 und damit an den Lasttransistor und an den Quertransistor
angelegt wird, charakterisiert. Das Taktpotential schwankt zwischen den Potentialwerteri
XR1 und #R2. Figur 4 zeigt Potentialverhältnisse in den Ladungsverschiebeeinrichtungen
3 und 15, die dort aufgrmld der an die an sich bekannten Elektroden 103, 203, 115
und 215 angelegten Taktimpulspotentiale °1 und °2 auftreten. Figur 4a gehört dabei
zu der Ladungsverschiebeeinrichtung 3 und Figur 4t zur Ladungsverschiebeeinrichtung
15.
Durch Abwechseln der Potentiale 1 und 2 wird, wie für Ladungsverschiebeeinrichtungen
bekannt, Ladung in dieser verschoben, und zwar angenommen in Richtung von links
nach rechts in den Figuren. Der Schaltungspunkt 11 ist mit dem Ausgang der Ladungsverschiebeeinrichtung
3 verbunden. In den einzelnen Speicherelementen der Ladungsverschiebeeinrichtung,
Je nachdem welches Signal eingespeichert ist, ob eine "O" = keine Ladung oder eine
1" = vorhandene Ladung (angenommene Definition) vorliegt, ändert sich das Potential
am Schaltungspunkt 11. Das Jeweils am Schaltungspunkt 11 anliegende Potential ist
in Figur 4a mit 111 bezeichnet. Das an dem Schaltungspunkt 12 anliegende Potential
ist in entsprechender Weise mit 112 in Figur 4b bezeichnet. Die Angabe 0'R1 und
llR1 bezieht sich auf die durch kr erreichten Potentiale an den Schaltungspunkn
11 und 12.
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Die Figur 5a zeigt den Fall der Potentialverteilung für den Fall,
daß am Ausgang der Ladungsverschiebeeinrichtung 3, d.h. am Schaltungspunkt 11, kein
Ladungssignal auftritt, d.h. nach obiger Definition eine "O" auszulesen bzw zu regenerieren
ist. Sobald beim Takt R das Potential erhöht wird, werden die Schalttransistoren
13 und 14 aktiviert und die ohne Lastelemente arbeitende Schaltung 31 schaltet daml
in die stabile Lage, die durch die bereits erwähnte Vorzugslage vorgegeben ist,
und bei der der Schalttransistor 14 leitend ist. Dadurch steigt aber das Potential
am Schaltungspunkt 12 und dar,lit an dem mit diesem Schaltungspunkt verbundenen
Eingang der Ladungsverschiebeein richtung 15. Diese Potentialveränderung von 0'R1
nach R2 in Figur 5b mit 113 bezeichnet, macht sich in der wie aus der Figur ersichtlichen
Weise bemerkbar. Wie mit dem Pfeil 121 ange.-deutet, führt dies zu einer Ladungsverschibung
aufgrund des nunmehr von 113 ausgehenden, in Richtung der für 15 vorgesehenen Ladungsverschiebung
vorliegenden Potentialgefälles.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die in den Figuren 4, 5 und der noch
nachfolgend zu beschreibenden Figur 6 beschriebenen Verhältnisse der Verschiebung
der Potentiale auf ein p-dotiertes Ausgangs element der Ladungsverschiebeeinrichtung
3 und ein p-dotiertes Eingangselement der Ladungsverschiebeeinrichtung 15 bezogen
sind.
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Aufgrund des veränderten Potentials 113 fließt über den Schalttransistor
14 Ladung entsprechend einer Einspeisung in die Ladungsverschiebeeinrichtung 15
ein. Dies ist das regenerierte Signal. Infolge der vorhandenen Vorzugslage werden
kleine ankommende Störledungsmengen; wie sie bereits oben erwähnt sind, am Schaltungspunkt
11 so bewertet, als würde keine Ladung, entsprechend der angenommenen "O" angekommen
sein.
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F'igur 6a zeigt die Potentialverhältnisse in der Ladungsverschiebeeinrichtung,
wenn an deren Ausgang eine hier angenommen positive Ladung ankommt. Infolge der
ankommenden Ladung steigt das Potential am Ausgang auf einen mit 121 gekennzeichneten
Potentialwert. Die Flip-Flop-Schaltung 31 kippt dann beim Umschalten des Taktes
R in denJenigen stabilen Zustand, bei dem der Schalttransistor 13 leitend wird.
Wie mit 131 angedeutet, ändert sich damit, vergleichsweise zur Figur Sb, das Potential
im Ausgang der Ladungsverschiebeeinrichtung 3. Vor allem aber bleibt das Potential
am Schaltungspunkt 12 und damit im Eingang der Ladungsveirschiebeeinrichtung 15,
zu der die Potentialverhältnesse in Figur 6b gezeigt sind, auf dem alten Wert 112.
Es kann infolge des gesperrten Zustandes des Schalttransistors 14 keine Ladung an
den Eingang der Ladungsverschiebeeinrichtung 15 gegeben werden.
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Wie ersichtlich1 erfolg durch die erfindungsgemäß vorgesehene Flip-Flop-Schaltung
31 eine Invertierung des regenerierten Signals. Dies spielt aber im praktischen
Fall regelmäßig keine Rolle. Will man diese Invertierung unbedingt vermeiden, schließt
man
beide Ladungsverschiebeeinrichtungen an nur einen Schaltungspunkt 11 oder 12 der
Flip-Flop-Schaltung an. Der dann freie Schaltungspunkt kann dann beispielsweise
als Ausgang benutzt werden.
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Figur 7 zeigt zum noch besseren Verständnis der vorangehenden Erläuterungen
das Taktschema für die Taktspannungen #1' 2 und #R. Die einzelnen Darstellungen
für #1, #2 und #R sind parallel untereinanderliegend dargestellt und eine vertikale
Linie kennzeichnet Jeweils den gleichen Zeitpunkt für die Taktpotentiale #1, #2
und #R. Wie insbesondere für #R zu erkennen ist, ist der Taktimpuls #R an seinem
Impulsende zeitlich Jeweils kürzer, dh. eher beendet, als der zugehörige Taktimpuls
2 bzw. 1 in der Jeweiligen Ladungsverschiebeeinrichtung0 Sinn dieser Verkürzung
des Taktimpulses ist, daß der Takt #R früher umschaltet als beispielsweise der Takt
damit nicht. zuviel Regenerierladung an den Eingang der nachfolgenden Ladungsverschiebeeinrichtung
15 abgegeben. wird.
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Eine wie im Zusammenhang mit den Figuren 3 bis 7 beschriebene Rogenerierschaltung
läßt sich auch für Ladungsverschiebeeinrichzungen mit 3-Phasen-Takt und bei entsprechender
Anpassung auch für bereits eingangs erwähnte Eimerketten-Schaltungen verwenden.
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Eine weitere Verbesserung einer wie im Zusanen1iang mit den Figuren
3 bis 7 beschriebenen Regenerier-Flip-Flop-Schaltung läßt sich erreichen, wenn eine
wie in Figur 8 gezeigte Flip-Flop-Schaltung 81 verwendet wird. Einzelheiten der
Schaltung 81, die auch bei der Schaltung 31 vorliegen, sind mit Jeweils übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen. Zusätzlich sind in der Flip-Flop.-Schaltung 81 noch zwei
Kapazitäten 82 und 83 sowie eine weitere Taktleitung 84 vorgesehen. Die Kapazitäten
82 und 83 liegen Jeweils zwischen dem Schaltungspunkt 11 bzw. 12
einerseits
und der erwähnten Taktleitung 84. An die Verbindungsleitung 35 wird wieder, wie
voranstehend beschrieben, das Taktpotential XR angelegt. Damit werden wieder beide
Schaltungspunkte 11 und 12 auf gleiches Potential gebracht. Bei der er findungsgemäß
weitergebildeten Flip-Flop-Schaltung 81 werden jedoch die im Einzelfall möglicherweise
störenden Nachteile vermieden, die darauf beruhen, daß beide Schalttransistoren
13, 14 zunächst leitend werden und daher die elektrischen Ladungen von den Schaltungspunkten
abfließen. Das bedeutet, daß für den Einzelfall ein zu kleines .Spannungssignal
am Schaltungspunkt 12 zur Eingabe in die nachfolgende Ladungsverschiebeeinrichtung
auftreten könnte.
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Uber die vorgesehenen Kapazitäten 82 und 83 läßt sich eine weitere
Ladung sowohl auf den Schaltungspunkt 11 als auch auf den Schaltungspunkt 12 bringen,
und zwar über die Taktleitung 84 mit einem Taktpotential L. Sobald die Flip-Flop-Schaltung
81 ihren durch das Ausgangssignal der einen Ladungsversc.hiebe einrichtung gesetzten
Zustand erreicht hat, d.h. entsprechend einer tlO7 oder einer 1" geschaltet ist,
fließt bei dem Schaltungspunkt 11 oder 12, der mit einem dann leitenden Schalttransistor
13 oder 14 verbunden ist, die Ladung ab, die durch die Kapazität 82 oder 83 auf
den Schaltungspunkt 11 oder 12 zugeführt worden ist. An dem Schaltungspunkt, der
mit dem in diesem Schaltungszustand gesperrten Schalttransistor verbunden ist, bleibt
die Ladung erhalten und es tritt an diesem Schaltungs punkt ein entsprechend hohes
Spannungssignal auf. Die beiden Kapazitäten werden also u.a. als kapazitive Lastelemente
eingesetzt.
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Daß eine zusätzliche Taktleitung 83 für das Taktpotential L vorzusehen
ist, erfordert innerhalb einer Ladungaverschiebeennrichtung keinen störenden zusätzlichen
Aufwand. Diese Leitung 84 läuft nämlich parallel zu den anderen Taktleitungen für
die
Takte #1, 2 und #R. Außerdem kann die Leitung 84 durch einen
schon vorhandenen Takt 1 oder 2 gespeist werden.
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Um das voranstehend erwähnte, an sich unerwünschte Abfließen übermäßiger
Ladungsmengen von den Schaltungspunkten beim Anlegen des Potentials XR einzuschränken,
wird der Taktimpuls R so gewählt, daß derJenige Schalttransistor, der nach Ablauf
des Regeneriervorganges gesperrt ist, nur wenig in leitendem Zustand geschaltet
wird. Diese Wahl besteht in einem bestimmten Verlauf der Rückflanke dieses Taktimpulses,
der in Bol:L, Lynch: "Optimization of Lodging Pulse for Dynamic Flip-Flop-Sensors"
beschrieben ist.
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6 Patentanspruche 8 Figuren