DE2521503C2

DE2521503C2 - Ladungsübertragungsvorrichtung zum Filtern eines Analogsignals

Info

Publication number: DE2521503C2
Application number: DE2521503A
Authority: DE
Inventors: Robert Henry Warren Somerset N.J. Walden
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1974-05-16
Filing date: 1975-05-14
Publication date: 1986-02-27
Also published as: DE2521503A1; FR2271716B1; JPS6120172B2; CA1023050A; NL7505729A; GB1495636A; BE829026A; SE7505230L; JPS50161138A; FR2271716A1; US3944850A; SE399347B

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladungsübertragungsvorrichtung zum Filtern eines Analogsignals, mit einer ein Ladungsspeichermedium umfassenden Verzögerungsleitung, die eine Vielzahl von in dem Medium gebildeten Ladungsspeicherzellen aufweist, welche in Reihe zueinander geschaltet sind und je eine Fläche A aufweisen, und mit einem Paar Anschlußzellen, von denen eine den Eingang und die andere den Ausgang der Verzögerungsleitungbildet.

Das Aufkommen der Ladungskopplungstechnologie in jüngerer Zeit hat das Auftreten von inzwischen wohlbekannter Schieberegister- und Speichervorrichtung mit sich gebracht. Um vollständige Systeme herzustellen, werden häufig andere Schaltungsfunktionen verwendet. Beispielsweise umfassen solche zusätzlichen Funktionen oft ein logisches UND und ODER, binäres Zählen und Signalfiltern. Wenn alle die verschiedenen Funktionen des Systems durchführenden Schaltungen ladungsgekoppelte Vorrichtungen (für die nach dem im englischsprachigen Raum verwendeten Ausdruck »charge coupled devices« auch die Abkürzung CCD verwendet wird) sind, wird die Herstellung des Systems vorteilhafterweise vereinfacht. Beispielsweise könnten ein Schieberegister und ein UND-Gatter mit Hilfe der bekannten Technologie integrierte Schaltungen auf einem einzigen Plättchen hergestellt werden. Überdies würden Grenzflächen- oder Schnittstellenprobleme, wie Impedanzanpassung und Belastung aufgrund von Streukapazität, verringert.

Obige Probleme werden gelöst mit einer Ladungsübertragungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um ein Ladungsübertragungs-Analogsignalfilter mit einer Vielzahl Ladungsspeicherzellen, die je eine Fläche A aufweisen und zueinander in Reihe geschaltet sind, um eine Verzögerungsleitung zu bilden, welche eine Zeitverzögerung T zwischen ihren Eingangs- und Ausgangszellen erzeugt.

Eine Rück- oder Vorwärtskopplungsvorrichtung koppelt die Anschlußzellen der Verzögerungsleitung so miteinander, daß ein Filtern des Analogsignals auftritt. Insbesondere wird das zu filternde Analogsignal über eine Ladungsspeicherzelle mit einer ersten Fläche auf eine Anschlußzelle der Verzögerungsleitung gegeben und eine verzögerte Version des Signals wird über eine andere Steuerladungsspeicherzelle unterschiedlicher Fläche auf dieselbe Anschlußzelle gegeben.
Bei einem vorwärtsgekoppelten Sperrfilter wird das

Analogsignal über eine Ladungsubertragungszelle der Fläche A \ auf die Eingangszelle der Verzögerungsleitung und über eine andere Übertragungszelle der Fläche Ai auf die Ausgangszeile der Verzögerungsleitung gegeben. Die Übertragungsfunktion des Sperrfilters ist gegeben durch

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Die charakteristische Übertragungskurve des Sperrfilters weist Spannungsminima bei Frequenzen f = n/2T auf, wobei η eine ungerade Zahl ist. Andererseits wird bei einem rückgekoppelten Bandpaßfilter das Analogsignal über eine Ladangsspeicherzelle der Fläche A\ auf die Eingangszelle der Verzögerungsleitung gegeben, und das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung wird über die Reihenschaltung eines Analoginverters und einer anderen Ladungsspeicherzelle der Fläche Ai auf die Eingangszelle gegeben. Die Übertragungsfunktionen des Bandpaßfilters ist gegeben durch

25

Die charakteristische Übertragungskurve des Bandpaßfilters weist Spannungsmaxima bei den Frequenzen f = n/2 Tauf, wobei η eine ungerade ganze Zahl ist.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf ein vorwärtsgekoppeltes Sperrfilter gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;

F i g. 2 eine schematische Draufsicht auf ein anderes vorwärtsgekoppeltes Sperrfilter gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf ein rückgekoppeltes Bandpaßfilter gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform; und

Fig.4 eine schomatische Draufsicht auf ein anderes rückgekoppeltes Bandpaßfilter gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf ein vorwärtsgekoppeltes Sperrfilter gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt. Das Filter 10 umfaßt ein Speichermedium 10.1, beispielsweise ein p~-Ieitendes Halbleitersubstrat, wie Silicium, auf welchem eine (nicht dargestellte) isolierende Schicht gebildet ist, typischerweise aus thermisch gewachsenem Siliciumdioxid. Im Substrat befinden sich mehrere rechtwinklige Ladungsspeicherzellen, deren Grenzen durch gestrichelte und strichpunktierte Linien gekennzeichnet sind. Diese Barrierengitter genannten Grenzen werden in dem Substrat beispielsweise durch Ionenimplantation oder Diffusion von Streifen unbeweglicher Ladungsträger (d. h., Störstellenzentren) in der Weise gebildet, wie sie in der US-PS 37 89 267 angegeben ist.

Das Barrierengitter setzt sich aus Ladungsstreifen mit zwei verschiedenen Potentialhöhen zusammen:

(1) Kanalstopperbarrieren (gestrichelte Linien), die bo vorgesehen sind, um eine Ladungsübertragung über diese hinweg zu verhindern. Die Aufgabe der Kanalstopperbarrieren, wie sie in der US-PS 37 28 161 beschrieben sind, liegt darin, eine unbeabsichtigte Inversion der Oberfläche eines eine integrierte Schaltung tragenden Halbleiterplättchen aufgrund kapazitiver Kopplung zwischen Metallisierung und/oder Feldoxid im Halbleitersubstrat auszuschalten. Wäre eine solche Kopplung genügend stark, um die Halbleiteroberfläche zu invertieren, könnte ein Strom zwischen benachbarten Vorrichtungen in Form von Leckstrom fließen oder sogar Elemente einer einzelnen Vorrichtung kurzschließen.

(2) Übertragungsbarrieren (strichpunktierte Linien), welche eine Höhe aufweisen, die typisch für ein n-Kanal-Bauelement ist; d. h, das Anlegen der positiven Taktspannung an die Barrierenzone sollte eine praktisch vollständige Ladungsübertragung erlauben. Die Übertragungsbarrieren sind hinsichtlich der Mitte der darüberliegenden Elektrode asymmetrisch angeordnet, um einen Ladungsfluß in voraussagbarer Richtung zu bewirken. Zusätzlich sind die Grenzen von Diffusionszonen für Dioden und dergleichen durch punktierte Linien gekennzeichnet.

Betrachtet man nun wieder den in Fig. 1 dargestellten strukturellen Aufbau, so kann man sehen, daß das vorwärtsgekoppelte Sperrfilter 10 eine Verzögerungsleitung aufweist, die mehrere Ladungsspeicherzellen 1, 2... N umfaßt, die in dem Speichermedium 10.1 in Kaskaden- oder Serienschaltung angeordnet sind. An der Grenzfläche zwischen jedem Paar benachbarter Zellen befinden sich eine Übertragungsbarriere (beispielsweise Barriere 2.1 zwischen den Zellen 1 und 2). Über einer jeden Zelle der Verzögerungsleitung liegt eine Feldelektrode, die bezüglich der darunterliegenden Übertragungsbarriere asymmetrisch angeordnet ist. Beispielsweise liegt eine Elektrode 2.2 über der Zelle 2 und ist so angeordnet, daß die Übertragungsbarriere 2.1 in der Nähe ihres linken Randes, des näher am Eingang befindlichen Randes, liegt, so daß Ladung von links nach rechts übertragen wird (vom Eingang zum Ausgang).

Die Ladungsübertragung geschieht unter der Steuerung eines Taktgebers 20, der beispielsweise zwei Spannungsphasen Φ] und Φι aufweist, wobei entgegengesetzte Phasen mit abwechselnden Elektroden der Verzögerungsleitungs-Feldelektroden verbunden sind. Generell bestimmt sowohl die Taktzyklenfrequenz als auch die Anzahl der Zellen N in der Verzögerungsleitung die Zeitverzögerung T vom Eingang bis zum Ausgang der Verzögerungsleitung.

Ein zu filterndes Analogsignal 12 wird auf den Eingangsanschluß 14 gegeben, der mit beiden Verzögerungsleitungs-Anschlußzellen gekoppelt ist; d. h.. mit Eingangszelle 1 und Ausgangszelle N. Die Kopplung sowohl am Eingang als auch am Ausgang wird mit Hilfe einer Reihenanordnung einer Diode und einer Ladungsspeicherzelle bewirkt. Somit ist am Eingang der Anschluß 14 mit einer Elektrode 16.2 verbunden, die einen Kontakt mit einer η+ -Diodendiffusionszone 16.1 herstellt. Bekanntlich wird ein elektrischer Kontakt mit der Zone 16.1 typischerweise dadurch hergestellt, daß ein (nicht dargestelltes) Loch in die isolierende Schicht geschnitten wird, welche über dem p--Halbleitersubstrat liegt, so daß die Elektrode 16.2 durch das Loch einen physikalischen Kontakt zur Zone 16.1 herstellt. Zwischen der Diodendiffusionszone 16.1 und der Eingangszelle 1 der Verzögerungsleitung befindet sich eine weitere Ladungsspeicherzelle 18.1 mit einer Fläche A₁. Über .^J.er Zelle 18.1 liegt eine Feldelektrode 18.2. die mit der Phase Φ\ des Taktgebers 20 verbunden ist; d. h.. mit der Phase, welche derjenigen entgegengesetzt ist. mit welcher die Feldelektrode 1.2 der Eingangszelle 1 verbunden ist. An der Grenzfläche zwischen den Zellen 1

und 18.1 befindet sich eine Übertragungsbarriere 1.1, welche unter der Elektrode 1.2 liegt, um eine Ladungsübertragung von Zelle 18.1 zu Zelle 1 zu bewirken. Aus den gleichen Gründen erstreckt sich die Diodendiffusionszone 16.1 auch unter die Feldelektrode 18.2; d. h., der Rand 16.3 der Zone 16.1 liegt unter der Elektrode 18.2.

In gleicher Weise ist die Eingangszelle 14 mit der Ausgangszelle /Vder Verzögerungsleitung über eine Diode 20 und eine Ladungsspeicherzelle 22 gekoppelt, wobei letztere eine Fläche A₂ aufweist. Zelle 22 und Zelle Λ/sind mit entgegengesetzten Phasen des Taktgebers 20 verbunden, wohingegen die Zellen 22 und 18 mit derselben Phase verbunden sind, so daß das analoge Eingangssignal 12 im wesentlichen gleichzeitig auf die Eingangszeile 1 und die Ausgangszeile ;V gegeben wird.

Das Ausgangssignal des Filters wird beispielsweise von einer Diode 24 abgenommen, die mit der Ausgangszeile N gekoppelt ist. Komponenten des Eingangssignals, deren Frequenzen in den »Einkerbungen« der Filterübertragungskurve liegen, erscheinen nicht in dem Ausgangssignal am Anschluß 26. Diese Einkerbungen oder Spannungsminima werden durch die Filterübertragungskurve

H(s) = (dl

bestimmt und treten bei Frequenzen auf, welche ungerade Ganzzahlige von l/2Tsind. Wie bereits erwähnt, ist 7eine Funktion der Taktfrequenz und der Anzahl der Zellen Λ/ in der Verzögerungsleitung. Die Koeffiziente-einstellanordnungen der verzögerten und unverzögerien Signale werden durch die relativen Flächen der Zellen 18, 22 und 1 bis N bestimmt; d. h., durch die Verhältnisse A\IA und A₂IA. In dieser Hinsicht können die Zellen A, und A₂ als Steuerzellen betrachtet werden, da sie die Verstärkung der verzögerten und der unverzögerten Signale einstellen.

Vorzugsweise ist A\ + A₂ <A, so daß die Verzögerungsleitungsausgangszeiie N(der Fläche /^genügend Kapazität aufweist, um gleichzeitig direkt von der Zelle 22 (der Fläche A₂) übertragene Ladung und verzögerte Ladung aufzunehmen, die von der Zelle 18 (der Fläche Ai) über die Verzögerungsleitung übertragen worden ist.

Da die Zeitverzögerung Teine Funktion der Anzahl N der Zellen in der Verzögerungsleitung ist, besteht eine Möglichkeit zur Vergrößerung Tdarin, die Anzahl der Zellen N zu erhöhen. Konstruktionsgesichtspunkte, wie Packungsdichte, begrenzen jedoch aus praktischen Gründen die Anzahl solcher Zeilen, die in einer einzigen Zeile angeordnet werden können. Dieses Problem wird durch die in Fig.2 dargestellte kompaktere Ausführungsform der Erfindung verringert bei welcher die Verzögerungsleitung gefaltet ist um ihre Größe zu reduzieren. Nur als Beispiel ist somit eine Verzögerungsleitung dargestellt welche vier Reihen von Ladungsspeicherzellen aufweist (101 — 106, 107-112, 113—118 und 119—124). Jede Reihe umfaßt sechs Zellen, je mit der Fläche A. Wie zuvor wird das Eingangssignal über Zellen 125 und 126 mit der Fläche A\ bzw. A₂ auf die Eingangszelle 101 bzw. die Ausgangszelle 124 gegeben. Die Grenzfläche zwischen benachbarten Reihen (d. h. zwischen benachbarten Zellen in aneinanderstoßenden Reihen) ist eine Kanalstopperbarriere, wovon die »Urakehr«-Übergangsstellen der Verzögerungsleitung ausgenommen sind. Diese Übergangsstellen sind die Grenzflächen zwischen den letzten Zellen (106 und 107) des ersten Reihenpaares, zwischen den ersten Zellen (112 und 113) des nächsten Reihenpaares usw. Somit ist die gemeinsame Grenzfläche zwischen den Zellen 106 und 107 eine Übertragungsbarriere 127. Gleichermaßen sind die gemeinsamen Grenzflächen zwischen den Zellen 112 und 113 und zwischen den Zellen 118 und 119 ebenfalls Übertragungsbarrieren 128 bzw. 129.

Nicht dargestellt sind in F i g. 2 die Taktverbindungen, die im wesentlichen mit denjenigen der F i g. 1 identisch sind. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist ebenfalls dieselbe mit der Ausnahme, daß an der Zelle 125 eingeführte Ladung mittels Zweiphasentaktgabe in der durch Pfeile 130, 131 und 132 angegebenen Richtung transportiert wird. Mit Ausnahme einer unterschiedlichen Zeitverzögerung sind die Filtcrcigcnschaften des vorwärtsgekoppelten Sperrfilters der F i g. 2 jenen der F1 g. 1 ebenfalls gleich.

In gleicher Weise kann nach den erfindungsgemäßen Prinzipien ein rückgekoppeltes Bandpaßfilter aufgebaut werden. Wie schematisch in Fig.3 gezeigt ist, umfaßt ein solches Filter 200 eine Verzögerungsleitung, welche beispielsweise sieben Ladungsspeicherzellen 201 bis 207 mit je einer Fläche A umfaßt. Die Elektroden, weiche über diesen Zellen liegen, und deren Verbindungen mit den entgegengesetzten Phasen eines Zweiphasentaktes sind zur Vereinfachung weggelassen worden. Die Grenzfläche zwischen benachbarten Zellen der Verzögerungsleitung ist eine Übertragungsbarriere (beispielsweise Barriere 208 zwischen Zellen 201 und 202). Angrenzend an die Eingangszelle 201 ist eine gegabelte Zelle angeordnet, die hinsichtlich ihrer Form mit den Verzögerungsleitungszellen identisch ist, die jedoch geteilt ist, um zwei aneinander angrenzende rechtwinklige Subzellen 209 und 210 der Fläche A₁ bzw. A₂ zu bilden. Die gemeinsame Grenzfläche 211 zwischen den Subzellen ist eine Kanalstopperbarriere, während die Grenzfläche 212 zwischen den Subzellen und der Eingangszelle 201 eine Übertragungsbarriere ist. Wie zuvor sind die (nicht dargestellten) Feldelektroden der Subzellen mit derselben Phase des Taktgebers verbunden, jedoch mit der Phase, welcher derjenigen Phase entgegengesetzt ist, mit welcher die Eingangszeilen 201 verbunden sind.

Das zu filternde Signal wird auf die Subzelle 209 gegeben, während die zeitverzögerte Version dieses Signals, die an der Ausgangszelle 207 erscheint, über einen Analoginverter 213 auf die Subzelle 210 rückgekoppelt wird. Beim Analoginverter 213 handelt es sich vorzugsweise um eine CTD (charge transfer device, d. h. Ladungsübertragungsvorrichtung), beispielsweise von jenem Typ, welcher in der deutschen Patentanmeldung P

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Das Ausgangssignal des Filters wird beispielsweise von einer (nicht dargestellten) Diode abgenommen, die mit der Ausgangszelle 207 gekoppelt ist. Komponenten des Eingangssignals, deren Frequenzen innerhalb des Durchlaßbandes der Filterübertragungskurve liegen, erscheinen im Ausgangssignal. Diese Durchlaßbänder oder Spannungsmaxima werden von der Filterübertragungsfunktion

bestimmt und treten bei Frequenzen auf, welche ungerade Ganzzahlige von l/27sind. Wie bereits erwähnt ist T eine Funktion der Taktfrequenz und der Anzahl Zel len in der Verzögerungsleitung. Die Koeffizientenein-

Stellungen der verzögerten und unverzögerten Signale werden jedoch durch die relativen Flächen der Zellen 201 bis 207, 209 und 210 bestimmt; d. h., durch die Verhältnisse A\IA und AiIA. Wie zuvor können die Zellen A\ und Ä2 als Steuerzellen betrachtet werden. 5

Das rückgekoppelte Bandpaßfilter der F i g. 3 kann dadurch kompakter gemacht werden, daß die Verzögerungsleitung gefaltet wird, wie es in Fig.4 gezeigt ist. Ladung wird in den durch Pfeile 320 und 321 angedeuteten Richtungen übertragen. Die Arbeitsweise des Filters io ist ansonsten identisch mit der im Zusammenhang mit F i g. 3 beschriebenen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

15

20

25

30

35

40

45

55 V₁

60

m 65 m

Claims

Patentansprüche:

1. Ladungsübertragungsvorrichtung zum Filtern eines Analogsignals, mit einer ein Ladungsspeichermedium umfassenden Verzögerungsleitung, die eine Vielzahl von in dem Medium gebildeten Ladungsspeicherzellen aufweist, welc he in Reihe zueinander geschaltet sind und je eine Fläche A aufweisen, und mit einem Paar Anschlußzellen, von denen eine den Eingang und die andere den Ausgang der Verzögerungsleitung bildet gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die in dem Medium Ladungsspeicherzeilen (18, 22; 125, 126; 209, 210) unterschiedlicher Flächen A, und A₂ bildet, und eine Einrichtung (16.2,20), mit welcher an eine Anschlußzelle (1; 101; 201) das Signal über eine der Ladungsspeichercteuerzellen (18; 125; 209) und eine verzögerte Version des Signals über die andere Ladungsspeichersteuerzelle (22; 126; 210) angelegt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal auf beide Steuerzellen (18,22; 125,126) gegeben wird und alternierende Zellen der Verzögerungsleitung (1, 2 ... N) mit entgegengesetzten Phasen einer Zwei-Phasen-Takteinrichtung (20) und die Steuerzellen mit der selben Phase der Takteinrichtung gekoppelt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung eine Vielzahl Reihen von Ladungsspeicherzellen (101,102... 119) aufweist, eine Vorrichtung zur Bildung von Kanalstopperbarrieren an der Grenzfläche zwischen benachbarten Reihen mit Ausnahme desjenigen Teils der Grenzfläche, über welchen Ladung von einer Reihe in die angrenzende nächste Reihe zu übertragen ist, und eine Vorrichtung zur Bildung von Übertragungsbarrieren (127, 128, 129) an diesen Teilen der Grenzflächen, und daß diese Teile zwischen den letzten Zeilen eines jeden zweiten Paars benachbarter Reihen und zwischen den ersten Zellen der restlichen Paare benachbarter Zellen angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Analoginverter(213) umfaßt, daß das Signal auf die Steuerzelle (209) der Fläche A ι gegeben wird, daß die an der Ausgangsanschlußzelle (207) erscheinende zeitverzögerte Version des Signals auf den Eingang des Inverters (213) gegeben und das Ausgangssignal des Inverters (213) auf die Steuerzelle (210) der Fläche A₁ geführt ist, und daß alternierende Zellen (201, 203,... 202. 204 ...) der Verzögerungsleitung mit den entgegengesetzten Phasen der Zwei-Phasen-Takteinrichtung und die Steuerzellen mit der selben Phase der Takteinrichtung gekoppelt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerzellen (209,210) aneinander und an die Eingangsanschlußzelle (201) angrenzen und eine Einrichtung zur Bildung einer Kanalstopperbarriere (211) an der Grenzfläche zwischen den Steuerzellen (209,210) umfassen, sowie eine Einrichtung zur Bildung einer Übertragungsbarriere (212) an den Grenzflächen zwischen der Eingangszelle und den Steuerzellen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Form der Steuerzellen (209, 210) mit derjenigen der Eingangszelle (201) übereinstimmt und A\ +/42 = Λ ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn-

zeichnet, daß die Verzögerungsleitung eine Vielzahl Reihen von Ladungsspeicherzellen aufweist, eine Vorrichtung zur Bildung von Kanalstopperbarrieren an den Grenzflächen zwischen benachbarten Reihen mit Ausnahme desjenigen Teils der Grenzflächen, über welche Ladung von einer Reihe in die angrenzende nächste Reihe zu übertragen ist, und eine Vorrichtung zur Bildung von Übertragungsbarrieren an diesen Teilen der Grenzflächen, und daß diese Teile zwischen den letzten Zellen eines jeden zweiten Paars benachbarter Reihen und zwischen den ersten Zellen der restlichen Paare benachbarter Reihen angeordnet sind (Fig. 4).