DE2602520B2 - Linearer ausgangsverstaerker fuer ladungsgekoppelte elemente - Google Patents

Linearer ausgangsverstaerker fuer ladungsgekoppelte elemente

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen linearen Ausgangsverstärker für ladungsgekoppelte Elemente nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ladungsgekoppelte Elemente (Charge-Coupled-Devices) sind für die Verarbeitung von analogen Signalen von Bedeutung, da sie als analoge Schieberegister verwendbar sind. Die üblichen Ausgangsschaltungen von ladungsgekoppelten Elementen sind als Sourcefol- 6U ger aufgebaut. Dabei wird die nichtlineare Kennlinie des MOS-Sourcefolgers mit externem Lastwiderstand mit der Hilfe eines hochohmigen Sourcewiderstandes weitgehend linearisiert. In der Veröffentlichung D.F. Barbe »Imaging devices using the charge coupled hs concept« Proceedings of the IEEE, Vol. 63, No. 1, Jan. 1975, S. 38 bis 67 ist eine solche Ausgangsschaltung beschrieben. Der hochohmige Sourcewiderstand dieser Anordnung bringt jedoch den Nachteil, daß die obere Grenzfrequenz der Ausgangsschaltung stark vermindert wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Verstärkung eines solchen Sourceiolgers immer kleiner als 1 ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen linearen Ausgangsverstärker für ladungsgekoppelte Elemente anzugeben, bei dem die oben geschilderten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch einen wie eingangs bereits erwähnten linearen Ausgangsverstärker für ladungsgekoppelte Elemente gelöst, der durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Verstärkung von ν > 1 auf dem Halbleiterchip erreichbar ist und daP der erfindungsgemäße MOS-Verstärker immer im linearen Gebiet betrieben wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Rauschen des erfindungsgemäßen MOS-Verstärkers sehr gering ist und somit vorteilhafterweise nicht maßgeblich zum Gesamtrauschen der gesamten Kette beiträgt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und der Beschreibung näher erläutert.
Fig. 1 und 3 zeigen in schematischer Darstellung die Schaltung eines erfindungsgemäßen linearen Ausgangsverstärkers und seinen Anschluß an eine CCD-Anordnung.
F i g. 2 zeigt die Arbeitskennlinien des erfindungsgemäßen Verstärkers nach der F i g. 1.
In der Fig. 1 ist die Ausgangsstufe der CCD-Schaltung dargestellt. Sie besteht aus einem Substrat 1 aus halbleitendem Material, beispielsweise aus Silizium. Das entgegengesetzt zu dem Silizium-Substrat 1 dotierte Ausgangsdiffusionsgebiet ist mit 2 bezeichnet. Dieses Ausgangsdiffusionsgebiet ist mit der Gateelektrode 62 des Schalttransistors 6 verbunden. Dieser Schalttransistor 6 bildet zusammen mit dem Transistor 7, zu dem er in dem Punkt 61 in Reihe geschaltet ist, den Ausgangsverstärker 8. Dabei stellt der Gateanschluß 62 den Eingang und der Punkt 61 den Ausgang des Ausgangsverstärkers dar. Der Schalttransistor 6 ist einerseits mit dem Punkt 61 und andererseits mit einem ersten Versorgungsspannungsanschluß 63 verbunden. Der Transistor 7 ist einerseits mit dem Punkt 61 und andererseits mit einem zweiten Versorgungsspannungsanschluß 72 verbunden. Die Versorgungsspannung LOd liegt zwischen dem ersten Versorgungsspannungsanschluß 63 und dem zweiten Versorgungsspannungsanschluß 72. Vorzugsweise liegt der Anschluß 63 an Masse.
Der Transistor 7 dient als Lasttransistor. Sein Gate kann entweder mit dem Versorgungsspannungsanschluß 72 verbunden werden oder an eine getrennte Versorgungsspannung am Punkt 71 angeschlossen werden. Vor jedem Auslesevorgang soll der Verstärker in seinen Arbeitspunkt zurückgesetzt werden. Dieser Arbeitspunkt soll immer im linearen Bereich der Übertragungskennlinie des Verstärkers liegen. Zu diesem Zweck ist der Transistor 4, der über seinen Gateanschluß 41 steuerbar ist und der in seinem leitenden Zustand den Ausgang 61 des Ausgangsverstärkers mit dem Eingang 62 des Ausgangsverstärkers verbindet, vorgesehen. Wird der Transistor 4 mit Hilfe des Spannungsimpulses Φα\ in den leitenden Zustand versetzt, so wird der Ausgang 61 des Ausgangsverstärkers mit dem Eingang 62 kurzgeschlossen. Es stellen sich dann die in der Fig. 2 dargestellten Arbeitspunkte P
bzw. P'ein. Die Fig.2 zeigt die Abhängigkeit der an dem Ausgang 61 des Ausgangsverstärkers anliegenden Spannung UA von der an dem Eingang 62 dieses Verstärkers anliegenden Spannung Lt Der Arbeitspunkt P bzw. P' ist dadurch charakterisiert, daß die Ausgangsspannung U\ gleich der Eingangsspannung Ue ist. Die in der F i g. 2 eingetragene Gerade G, die durch den Arbeitspunkt P bzw. P' geht, trennt die Übertragungskennlinie in einen linearen Bereich Kt bzw. ATi und einen nichtlinearen Bereich Ks bzw. Κ'χ. Die Übertragungskennlinien und ihre Eigenschaften sind in der Veröffentlichung R. H. Crawford, »MOSFETin circuit design«, Mc Graw Hill Book Company, 1976, USA, ausführlich beschrieben.
Mit Hilfe des leitenden Transistors 4 bzw. des an seinem Gateanschluß 41 anliegenden Spannungsimpulses Φ41 wird der Ausgangsverstärker in den Arbeitspunkt P bzw. P' gesetzt, gleichzeitig wird das Ausgangsdiffusionsgebiet 2 über den Transistor 7 vorgespannt. Gelangt anschließend ein Ladungspaket in die Raumladungszone 21 des vorgespannten pn-Überganges, so wird die Spannung am Gate des Transistors 6 absinken, was bedeutet, daß die Eingangsspannung Ue am Eingang 62 kleiner wird. Beim Auslesevorgang ist der Transistor 4 gesperrt. Aus diesem Grunde wird die Kennlinie Kl bzw. K'l durchfahren, und zwar vom Arbeitspunkt P bzw. P'aus in die Richtung auf kleinere Ue-Werte und damit auf größere Werte der Ausgangsspannung L/a zu. Dies bedeutet, daß der lineare Teil Kl bzw. K'l der Arbeitskennlinie durchfahren wird, weshalb sich eine lineare Verstärkung des Signals ergiat.
In der Fig. 2 sind zwei Kennlinien für verschiedene Widerstandsverhältnisse eingezeichnet. Je mehr sich die Kennlinie ΚΊ. in Richtung auf KL und somit in die Richtung größerer Verstärkungen verschiebt, um so kleiner ist die Spannung Uh bzw. L/r, mit der der pn-übergang vorgespannt wird. Mit einem vorgegebenen CCD läßt sich daher eine maximale Verstärkung erzielen, die bei der Verwendung von üblichen CCD-Anordnungen in der Größenordnung von 2 bis 8 liegt.
Die in der Fig. 1 dargestellten Transistoren 3 und 5, die symmetrisch zu dem Transistor 4 in Reihe geschaltet sind, und deren Gateanschlüsse über den Anschluß 31 gemeinsam ansteuerbar sind, dienen dazu, daß keine Takteinkopplungen der Spannungsimpulse Φ41 an den Ausgang 61 des Verstärkers oder an das Ausgangsdiffusionsgebiet 2 des CCDs gelangen. Der Gateanschluß dieser Transistoren liegt an einer konstanten Gleichspannung Uc-
Der erfindungsgemäße Ausgangsverstärker kann auch an eine Steuerelektrode (CCD-Elektrode) angeschlossen werden. Dann kann, im Gegensatz zu der beschriebenen Anordnung, bei der der Ausgangsverstärker mit dem Diffusionsgebiet verbunden ist, die Ladung zerstörungsfrei ausgelesen werden. In der Fig.3 ist der Anschluß des Ausgangsverstärkers an eine CCD-Steuerelektrode dargestellt. Dabei ist diese Elektrode mit 9 bezeichnet. Einzelheiten der F i g. 3, die bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben wurden, sind entsprechend bezeichnet.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Linearer Ausgangsverstärker für ladungsgekoppelte Elemente, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker (8) mit einem Schalttransistor (6) und einem Lastelement (7) vorgesehen ist, daß der Schalttransistor (6) und das Lastelement (7) in einem Punkt (61), der den Ausgang des Verstärkers (8) darstellt, zueinander in Reihe geschaltet sind, daß ein Gateanschluß (62) des Schalttransistors (6) den Eingang des Verstärkers (8) darstellt, daß der Eingang (62) des Verstärkers (8) mit der CCD-Anordnung verbunden ist und daß der Ausgang (61) des Verstärkers (8) über einen Transistor (4) mit dem Eingang (62) des Verstärkers (8) verbunden ist, wobei der Gateanschluß (41) des Transistors (t) mit einer Impulsquelle verbunden ist, die den Transistor (4) während des Auslesevorganges sperrt und zwischen den Auslesevorgängen leitend schaltet.
2. Ausgangsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lastelement (7) ein Feldeffekttransistor ist, dessen Lastwiderstand durch Anlegen einer Spannung an den Gateanschluß (71) veränderbar ist.
3. Ausgangsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung von Takteinkopplungen von Steuerimpulsen (Φ41) des Transistors (4) zwischen dem Transistor (4) und dem Eingang (62) des Verstärkers (8) ein Transistor (3) und zwischen dem Transistor (4) und dem Ausgang (61) des Verstärkers (8) ein Transistor (5) geschaltet sind und daß die Gateanschlüsse der Transistoren (3 und 5) mit dem an einer konstanten Gleichspannung liegenden Anschluß (31) verbunden sind.
4. Ausgangsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (6), das Lastelement (7), der Transistor (4) und die Transistoren (3 und 5) Transistoren vom MOS-Feldeffekt-Typ sind.
5. Ausgangsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (62) des Verstärkers mit einem Ausgangsdiffusionsgebitt (2) der CCD-Anordnung verbunden isi.
6. Ausgangsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (62) des Verstärkers mit einer Steuerelektrode (9) der CCD-Anordnung verbunden ist.
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