DE2604449C3

DE2604449C3 - Analog-Digital-Umsetzer

Info

Publication number: DE2604449C3
Application number: DE2604449A
Authority: DE
Inventors: Peter Alan Trenton N.J. Levine (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1975-02-05
Filing date: 1976-02-05
Publication date: 1980-09-18
Also published as: AU1027076A; JPS51103752A; GB1529927A; FR2300463A1; CA1065055A; NL7601129A; US3958210A; JPS5442578B2; DE2604449B2; DE2604449A1

Description

Amplitude des in der /-ten Stufe des Eingangsteils gespeicherten Ladungssignals abhängt. Das heißt, das Ladungssignal der ersten Stufe des Eingangsteils wird auf die ersten Stufen der Register verteilt, das Ladungssigna! der zweiten Stufe des Eingangsteils wird auf die zweiten Stufen der Register verteilt, usw., bis zum Ladungssignal der w-ten Stufe des Eingangsteils, das auf die m -ten Stufe der Register verteilt wird. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu dem oben erwähnten Stand der Technik, denn bei dem bekannten Umsetzer wird das umzusetzende Ladungssignal auf die erste, zweite, dritte usw. Stufe einunddesselben Registers aufgeteilt.

Wenn beim erfindungsgemäßen Umsetzer die Register gleichzeitig im Schiebebetrieb ausgelesen werden, stammen die jeweils gleichzeitig in den Ausgangsstufen erscheinenden Ladungspakete jeweils vom selben Analogsignal, d. h. es erscheint jeweils eine Digitaldarstellung des Ladungssignals in Parallelform. Diese Parallelausgabe ist schneller als wenn man einzelne Digitalwörter in Serienform herausziehen müßte, wozu das vorbekannte Prinzip zwingt.

Es sei erwähnt, daß die Anzahl der Stufen in jedem Register auch größer als die Zahl in sein kann. So können sich an die »i-te Stufe noch eine oder mehrere weitere Stufen anschließen, etwa zur Weiterleitung der ausgegebenen Digitalsignale an irgendwelche anderen Schaltungen. Ebenso können den ersten Stufen eine oder mehrere zusätzliche Stufen vorgeschaltet sein, um den Registern auch an ihrer Eingangsseite Signale zuführen zu können und diese Signale vor ihrer Zuführung eventuell zwischenzuspeichern. Entsprechend kann z. B. wünschenswert sein, wenn man die Anordnung zu einem im Umlaufbetrieb arbeitenden Speicher machen will, wie es im Patentanspruch 6 gekennzeichnet ist.

Andere Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den anderen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen ai Hand von Zeichnungen naher erläutert. Es zeigt

Fg. 1 eine Draufsicht eines Teils eines die Erfindung verkörpernden Systems,

Fig. 2 ein Diagramm von Oberflächenpotentialen zwecks Erklärung der Arbeitsweise des Systems nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der in den Registern A und B während verschiedener Zeitperioden vorhandenen Ladung,

Fig. 4 eine graphisch·: Darstellung zwecks weiterer Erklärung der Arbeitsweise des Systems nach Fig. 1,

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines die Erfindung verkörpernden Speichers, und

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines die Erfindung verkörpernden Abbildnersystems.

Das System nach Fig. 1 umfaßt ein Halbleiter-Substrat 10, ein auf einem Teil des Substrats ausgebildetes Register A, eine CCD-Matrix aus Spalten und Reihen, bezeichnet als Register B, das auf einem zweiten Teil des Substrats ausgebildet ist, und ein Übertragungsgatter 12 zwischen den zwei Registern. Das Register A umfaßt eine (nicht gezeigte) Eingangsschaltung, die einen Bereich in dem Substrat von entgegengesetzter Leitfähigkeit gegenüber dem Sub- ₍ strat enthalten kann, das als eine Quelle von Ladungsträgern wirkt. Das Register kann auch ein (nicht gezeigtes) Eingangsgatte·- einschließen, an das ein analoges Signal angelegt werden kann, damit Ladung in serieller Form von der Quellenelektrode nach der ersten Speicherelektrode übertragen wird. (Alternativ dazu könnte eine Art Register A verwendet werden, das Eingangssignale in paralleler Form empfinge.) Das Register A enthält ebenfalls eine Vielzahl von Speicherelektroden, die mit drei Phasenspannungen 0_AV Q_Ai und 0,3 arbeiten. Zwei Gruppen solcher Elektroden sind dargestellt, nämlich 14-1,14-2,14-3

κι und 16-1,16-2,16-3. Jede Elektrodengruppe umfaßt einen Speicherplatz. Diese Elektroden sind von dem Substrat durch eine dünne, beispielsweise aus Siliziumdioxid gebildete Isolationsschicht getrennt. Die Elektroden können sehr dicht beeinander angeordnet

i) sein oder können an ihren Enden einander überlappen. Alle diese Elemente machen ein CCD-Register aus, das an sich wohl bekannt ist.

Die Abschlußbereiche des Registers A enthalten Kanalstopps 18 und 20. Der Kanalstopp 18 ist zusam-

2» menhängend, wohingegen der Kanalstopp 20 an den Enden der Elektroden der Phasensp-^nnungen 0,, und 0,- vorhanden ist, aber nicht in deo Bereichen vorhanden ist, die an die Elektroden der Phasenspannung 0_A1 angrenzen, wie z. B. 14-2 und 16-2. Wie in der

-'". Technik wohl bekannt ist, können die Kanalstopps Bereiche des Substrats enthalten, die hochdotiert und von dei gleichen Leitfähigkeit wie das Substrat sind. Sie schränken die in einem Registerkanal vorhandene Ladung auf den Kanal ein.

jo Das Register B besitzt Spalten und Reihen aus CCD-Speicherplätzen, und jede Reihe kann als ein digitales Register angesehen werden. Der Aufbau des Registers B schließt eine Vielzahl von Kanälen ein, von denen vier Kanäle 22, 24, 26 und 28 gezeigt sind,

j) die die Reihen einer Matrix bilden. Die Kanäle sind voneinander durch Bereiche getrennt, die bei Oberflächenpotentialen erhalten werden und die »Oberlaufsperren« bilden, war kurz erläutert werden soll. Solche Sperren können z. B. durch Einlagerung dif-

w fundierter Bereiche 30, 32 und 34 in dem Substrat erhalten werden. Ein jeder solcher Bereich besitzt die gleiche Leitfähigkeit wie das Substrat, aber ist nicht so hoch dotiert wie ein Kanalstoppbereich. Auf diese Weise sind die durch die Bereiche wie 30, 32 und so

r, weiter geschaffenen Oberlaufpotentialsperren nicht so hoch wie die durch einen Kanalstcpp geschaffene Sperre. Das Dotierungsniveau ist auch derart beschaffen, daß die Überlaufsperren, die die Potentialmulden entlang der Kanäle voneinander trennen, niedriger

-)ii sind als die Potentialsperren entlang der Länge der Kanäle unterhalb der Gatterelektroden. Diese Eigenschaften werden später in Verbindung mit der Arbeitsweise des Systems in größerer Ausführlichkeit erläutert. Das letzte der Register ist an einem Ende

,ι djrch ernen Kanalstopp 36 begrenzt.

Das Register B umfaßt weiterhin eine Vielzahl von Elektroden, von denen zwei Gruppen 3W-1, 38-2, 38-3 und 40-1, 40-2, 40-3 dargestellt sind. Diese Elektroden bilden eine Linie mit den entsprechenden

,ο Elektroden des Registers A und arbeiten mit den drei Phasenspannungen 0_BV 0_B2 und 0_B3. Die unterhalb der zwei Elektroden 14-2 und 16-2 der Phasenspannung O₁₂ des Registers A gespeicherte Ladung kann auf die zwei Elektroden 38-2 und 40-2 mit der Pha-

,-, senspannung O₁₁₂ des Registers B gekoppelt werden, indem eine geeigne!? Spannung TD an die Übertragungsgatterclcktrode 12 angelegt wird, wie kurz erläutert werden soll.

In der nachfolgenden Erläuterung der Arbeitsweise des Systems nach Fig. 1 sollen auch Fig. 1-4 herangezogen werden. Es soll zuerst angenommen werden, daß analoge Information darstellende Ladungssignale in das Register A verschoben worden sind und daß die Phasenspannungen 0_A derart sind, daß die Ladung bei jeder Stufe nur unterhalb der Elektroden 14-2 und 16-2 eier Phascnspaniuing 0,, gespeichert wird. Die verbleibenden Elektroden 14-1, 14-3. 16-1 und 16-3 behalten Potentiale derart bei, daß Potentialsperrcn unterhalb dieser Elektroden vorhanden sind. Es soll bemerkt werden, daß die Elektroden des Registers /1 eine beträchtliche Oberfläche besitzen, und zwar viele Male großer als die Fläche einer Elektrode des Registers Ii über einem bestimmten Kanal. Mit anderen Worten, eine solche Elektrode wie 14-2 kann eine Fläche im Bereich der Elektrode über dem Kanal A besitzen, die zehnmal größer ist als die der Fläche von Elektrode 38-2 über Kanal 22. Anders ausgedrückt, wenn der Kanal des Registers A eine Weite W_A hat und die Weite eines Kanals des Registers Ii gleich W₁, ist. dann kann W_A zehnmal größer sein als W_B, wobei angenommen wird, daß die Elektroden 14-2 und 38-2 die gleiche Länge besitzen. Was dies in Wirklichkeit bedeutet, ist die Tatsache, daß jede Stufe des Eingangsregisters A eine viel größere Ladungsspeicherkapazität besitzt als die entsprechende Stufe eines Kanals des Registers Ii, wobei angenommen wird, daß dieselbe Spannung an den Elektroden dieser Stufe anliegt. E,s soll nebenbei bemerkt werden, daß das gegebene Verhältnis von K) zu 1 nicht kritisch ist. da die gewählte Verhältniszahl eine Konstruktionsangelegenheil ist. Bei einem Verhältnis von H) zu 1 ist die in einer Stufe des Registers A vorhandene Ladung, wenn die Mulde dieser Stufe gefüllt ist. imstande, die Mulden in einer entsprechenden Lage in 10 Kanälen des Registers ti zu füllen (unter der Annahme, daß zumindest 10 verschiedene Kanäle in dem Register V vorhanden sind).

Um auf die Arbeitsweise zurückzukommen: nachdem die analogen Signale in dem Register A gespeichert sind, kann das Oberflächenpotentialprofil, wie

ig.

LTIi, 1 Uli. II-

tialmulde unterhalb der Elektrode 14-2, beispielhaft gezeigt, ist mit einer Ladungsmenge proportional einem analogen Signal gefüllt. Die Ubertragungselektrode 12 liegt an einem Potential derart, daß eine (bei 42 gezeigte) Sperre in dem Übertragungskanal vorhanden ist. Die Potentialmulden unterhalb der Elektrode 38-2 sind alle leer. Die diffundierten Bereiche 30, 32 und 34 bewirken, daß relativ niedrige Potentialsperren zwisciien diesen Potentialmulden vorhanden sind. Der Kanalstopp 36 bewirkt, daß eine relativ hohe Potentialsperre an einem Ende des Registers B vorhanden ist. Die Elektroden 38-1, 40-1 und 38-3, 40-3 der Phase 1 und der Phase 2 liegen bei Potentialen, um Potentialsperren unterhalb dieser Elektroden zu bilden, die höher sind als jene durch die Bereiche 30. 32, 34 bestimmten Sperren.

Ein Ubertragungsimpuls wird nun an die Übertragungsgatterelektrode 12 angelegt. Das Ergebnis ist bei b) in Fig. 2 dargestellt. Als Antwort auf den Impuls wird die Potentialsperre 42 beseitigt, und ein Leitungskanal tritt an deren Stelle. Ein Teil der unterhalb der Elektrode 14-2 vorhandenen Ladung fließt durch diesen Leitungskanal und füllt teilweise eine erste Potentialmulde 44. Diese Mulde ist die in Kanal 22 nach Fig. 1 vorhandene Mulde. Diese Ladung wird durch

die Potentialsperren unterhalb der Elektroden der Phasenspannungen O₁₁ , und O₁₁ , des Registers Ii daran gehindert, sich den Kanal 22 hinunter auszubreiten (in Richtung senkrecht zum Papier nach Fig. 2). Als nächstes wird das Potential 0., ₂ in einem gewissen Sinne verändert, um die Tiefe der Potentialmulde unterhalb der Elektrode 14-2 zu verringern, wahrem: der Impuls TE noch vorhanden ist. Das Ergebnis isi bcic) in Fig. 2 gezeigt. Die erste Mulde 44 ist iibergeströmt, und Ladung ist über eine Überlaufsperre 4f in eine zweite Mulde 46 geflossen. Dann füllt sich dii /weite Mulde und strömt über eine Sperre 47 in eim dritte Mulde 48. In dem bei c) gezeigten End/.ustani ist die ganze, vorher unterhalb der Elektrode 14-i vorhanden gewesene Ladung im Bereich des Substrat; abgeflossen, die den Übcrtragungskanal und die Po tcntialmuldcn 44. 46 und 48 umfassen. In dem vorlie genden Beispiel ist die Potcntialmulde 44 bis zun Rand gefüllt. Die benachbarte Potentialmulde 46 is auch bis zum Rand gefüllt, und die nächste Potential mulde 48 ist fast vollständig gefüllt. Die Ladung fließ vorzugsweise eher von Kanal zu Kanal über die durcl die Strukturbereichc 30,32, 34 bestimmten Überlauf sperren als einen bestimmten Kanal hinunter, weil dii Potentialsperrcn unterhalb der Elektroden der Pha senspannungen 0_fll und O_n, höher sind als die Über laufsperren.

Der letzte Schritt in dem Übertragungsprozeß is bei cJ) ti) Fig. 2 gezeigt. Dieser Schritt ist vorgesehen damit das Potential an der Übcrtragungsgatterelek trode 12 auf seinen ursprünglichen Wert zurückgc führt wird, um die Potentialsperre 42. wie gezeigt wieder vorzusehen. Dieser Vorgang zwingt jede un terhalbder Übertragungselektrode vorhanden gcblie bene Ladung, sich in den Potentialmulden unterhalt der Elektrode 38-2 auszubreiten. Das Ergebnis, dar gestellt in Fig. 2 bei d), ist, daß die Potentialmukh 48. die vorher nur teilweise gefüllt war. sich nun bl· zum Rand füllt und eine geringe Ladungsmenge ir eine Potentialmulde 50 überströmt. Die Elektrod< 14-2 kann nun auf ihr ursprüngliches Spannungsni veau zurückgeführt werden, wie bei e) in Fig. 2 dar

Um zusammenzufassen, was in Fig. 2 dargestell ist, hat die anfänglich in einer Stufe des Registers A vorhanden gewesene Ladung verursacht, daß eint Vielzahl von Potentialmulden in dem Register B ge füllt wird. Die Anzahl solcher Mulden, die gefüllt wer den, wird von der Amplitude des Ladungssignals ir der Stufe des Registers A abhängen. In dem vorlie genden Beispiel sind die drei Mulden 44, 46 nnd 4} vollständig gefüllt worden, und eine kleine Ladungs menge ist in die Mulde 50 hineingeflossen. Die gefüll ten Mulden sollen die binäre 1 repräsentieren. Jedf weniger als halbvoll gefüllte Mulde soll die binäre ( repräsentieren. Demgemäß ist in dem durch die Dar stellung gegebenen Beispiel das in einer einzelner Stufe des Registers A vorhandene analoge Signal ir drei len übersetzt worden.

Nach dem oben beschriebenen Übertragungsverfahren übertragen die Mehrphasenspannungen 0_B, dit dieselbe oder eine andere Frequenz als die der Spannung 0_A haben können, die in dem Register B vorhandene digitale oder gequantelte Information au eine Ausgangsschaltung. Die Übertragung erfolgt ir der Kanalrichtune. wie in Fig. 1 und 2 angezeigt Während dieses Obertragungsvorgangs arbeiten di( Überlaufsperren als Kanalstopps, um die einen Kana

hinunter sich ausbreitende Ladung daran zu hindern, in einen benachbarten Kanal hineinzufließen.

Bei der Arbeitsweise des Systems nach Fig. 1 ist der langsamste Übertragungsvorgang der von dem Register A nach dem Register B. Der Grund dafür ist die relativ lange Weglänge (die Länge einer Elektrode der Phase 2 in dem Register A plus der Länge einer Elektrode der Phase 2 in dem Register B), über die sich das Ladungssignal ausbreiten muß. Diese Ubertragungszeit ist viel langer als die Zeit, die für die Mehrphasenspannungen erforderlich ist. um Ladungssignale von einer Stufe zur nächsten den Kanal hinunter zu bewegen. Da jedoch die Übertragung von Ladung vom Register A nach dem Register B im Par-■lllelverfahren stattfindet, d. h. der vollständige Inhalt des Registers A in das Register B fließt, und da das Register A viele viele Stufen (KK), 500 und mehr, alle sind tragbar) besitzen kann, findet die Analog-Digital-Umsetzung noch bei angemessen schnellem Zugriff statt.

Fig. 3 stellt schematisch die Umsetzung von analoger Information in dem Register A in gequantelte Information in dem Register B dar. Diese Information wird anschließend Spalte um Spalte durch die Mehrphasenspannungen Q_n bis zum Ausgang des Registers B fortgepflanzt. Dort kann jede Signalspalte auf eine Schwellwertschaltung 60 gegeben werden. Die Schaltung kann ausgelegt sein, um ein eine 1 repräsentierendes Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Ladung größer als ein gegebener Wert ist - angenommen eine halbvolle Mulde -, und ein eine 0 repräsentierendes Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Ladung kleiner als dieser Wert ist. Auf diese Weise ist jedes erzeugte Mehrfachbit-Ausgangssignal ein digitales oder gequanteltes Äquivalent in einer einzelnen Stufe des Registers A vorhandenen analogen Signals.

Die durch die Schaltung 60 erzeugten Mehrfachbitsignale können an Logikstufen zur Übersetzung der digitalen Anzeige in eine binäre Zahl oder eine binäre codierte Dezimalzahl (BCD) angelegt werden. Eine solche binäre oder BCD-Zahl kann in einem Digitalcomputer gespeichert und später durch diesen verar-U**:«n* **·η*-Λ***\ Λ Iternqtiif U^nr»«>r» Hi« οΐηταΐηαη Ci

micrcr 72 verwendet werden, um die einzelnen Signale in jeder Gruppe zu addieren und dadurch die anfangs in dem Register A vorhandenen analogen Signale zu reproduzieren. Alternativ können in gestrichelten Linien gezeigte Logikschaltungen 74 verwendet werden, um die digitalen Signale in binäre oder BCD-Signale zu übersetzen.

Ein wichtiges Merkmal des Speichers nach Fig. 5 besteht darin, daß infolge des digitalen Chrakters der Signale Übertragungsverluste im wesentlichen keinen Einfluß auf die Arbeitsweise des Systems haben. Würde das analoge Signal des Registers A einfach erneut in Umlauf gesetzt, dann würden solche Verluste auftreten. Jedesmal wenn ein Signal in der geschlossenen Schleife von seinem ursprünglichen Platz zur Ausgangsstation des Registers A zurück zur Eingangsstation und dann zurück zu seinem ursprünglichen Platz umliefe, würde es einen gewissen Verlust erleiden, der abhängig ist von der Anzahl der Ladungsübertragungen und der Wirksamkeit der Ladungsübertragung. Während ein solcher Verlust für einen einzelnen erneuten Umlauf sehr klein sein kann, wird er mit jedem zusätzlichen erneuten Umlauf größer, und wo es sich um Hunderte oder Tausende solcher Umläufe in der Schleife handelt, kann das analoge Signal bald zerstört werden. In dem System nach Fig. 5 entscheidet jedoch die Auffrischschaltung, jedesmal wenn sie ein Signal empfängt, ob eine 1 oder eine 0 vorhanden ist. und erzeugt ein Rückkopplungssignal von einem vorbestimmten Wert, der jene binäre Ziffer repräsentiert. Auf diese Weise wird, selbst wenn ein Ladungswert für eine 1 fast 50% an Wert während eines Umlaufs in der Schleife verliert, der Wert jedesmal auf 100% zurückgeführt, sobald die Auffrischschaltung erreicht wird.

Wenn eine große Anzahl Kanäle im Register B vorhanden ist, dann wird es eine entsprechend große Anzahl in dem System nach Fig. 5 benötigten Rückkopplungsleitungen geben. Unter gewissen Umständen kann dies unerwünscht sein. Auf solche Rückkopplungsleitungen kann verzichtet werden und ar deren Stelle eine einzelne, in gestrichelter Linie ge-7«inte I pitiinn TX in ninpr <alt*»rr»otiv*»n Pnrm H*»c ζυ-

gnale in einer Gruppe solcher Signale einander addiert werden, um im wesentlichen das analoge Signal zu reproduzieren, von dem das digitale Signal ursprünglich abgeleitet wurde.

Fig. 4 zeigt lediglich ein Diagramm, um die von der Schwellwertschaltung 60 erzeugten Ausgangssignale als Funktion der Zeit für das in Fig. 3 gezeigte spezielle Beispiel darzustellen.

Fig. 5 zeigt anschaulich, wie das System der vorliegenden Erfindung als ein Speicher verwendet werden kann. (Das Übertragungsgatter 12 soll, obwohl nicht eigens dargestellt, als vorhanden angenommen werden.) Die Register A und B sind jenen bereits dargestellten und erläuterten ähnlich. Der Ausgang des Registers B liegt an einer sogenannten Auffrischschaltung 70, die die empfangenen Signale regeneriert und diese Signale an die Eingangsschaltung des Registers B zurückliefert. (In der Schaltung 70 ist eine Schwellwertschaltung zur Eliminierung von Ladungssignalen eingeschlossen, die weniger als eine halbvolle Mulde ausfüllen. Auf diese Weise kann, wenn die ursprüngliche Übertragung vom Register A nach Register B beendet ist, die Information in dem Register B so lange wie gewünscht gespeichert (in Umlauf gesetzt) werden. Während des Auslesens kann ein Sum-

stems eingesetzt werden. Nun wird das Ausgangssignal des Summierers (ein analoges Signal, aber gequantelt bei einem von η verschiedenen Werten, wobei /i die Anzahl der Kanäle ist) auf das Register A zurückgekoppelt, eher als daß eine Rückkopplung von der Auffrischschaltung 70 auf das Register B durchgeführt wird. Die Arbeitsweise wird in anderer Hinsicht aufgrund der bereits gegebenen Erklärung für selbstverständlich gehalten. Der für die Reduzierung der Anzahl der Rückkopplungsleitungen gezahlte Preis besteht darin, daß die Umlauffrequenz durch die Übertragungsgeschwindigkeit von Register A zum Register B begrenzt wird.

Die Anordnung nach Fig. 6 zeigt, wie Strahlung in digitale Signale übersetzt werden kann. Eine Schaltungsanordnung 80 ist vorzugsweise eine lineare Anordnung, wie z. B. ein linearer CCD-Abbildner oder eine lineare Anordnung von Photodioden oder eine lineare Anordnung jeder anderen Art, die die Fähigkeit besitzt, ein Strahlungssignal in ein Ladungssignal zu übersetzen, und die sich entweder selbst rücksetzen kann oder nach jeder Übertragung eines Ladungssignals durch das Gatter 12 auf ein Bezugsniveau zurückgesetzt werden kann. Eine »Zeile« der betrachteten Szene kann auf die lineare Anordnung projiziert

werden, um ein gespeichertes analoges Ladungsmuster entsprechend der empfangenen Beleuchtung hervorzurufen. Jenes Ladungsmustcr kann in eine digitale Information übersetzt werden, die in dem Register Ii in der bereits erläuterten Weise gespeichert wird, und jene Information kinn dann aus dem Register B über die Schwellwertschaltung 60 zu einer Ausangsschaltung verschoben werden. Die Ausgangsschaltung kann jede einzelne der bereits erläuterten Arten sein. Dasselbe Verfahren kann für aufeinanderfolgende Zeilen der Szene durch Schaffung einer relativen Bewegung zwischen der linearen Anordnung 80 und der Szene auf eine Weise wiederholt werden, die an sich bekannt ist.

Eine Auflösung bleibt von Übertragungsverlusten in dem System nach Fig. 6 im wesentlichen unbeeinflußt. Jeder analoge Ladungswert wird sofort in eine Anzahl von len übersetzt. Die Schwellwertschaltung erneuert das Sional. in ilall rla« ιlioitsilr' AiiKUitnoccianul

Lj ... _σ . —_o—_{σ c}

10

Obwohl die Erfindung in Form eines Dreiphasensysterns dargestellt wurde, isi die erfinderische Lehre ebenso auf CCD-Systeme mit einer Phase oder mit 2. 4 oder mehr Phasen anwendbar. Auch können

"' CCD-Systeme entweder des />-Kanals (d. h. n-Typ-Substrat) oder des /i-Kanals (d. h. ρ -Typ-Substrat) verwendet werden, vorausgesetzt, daß geeignete Arbeitsspannungen verwendet werden. Weiterhin kann das System CCD-Systeme entweder mit »Oberflä-

" chenkanal« oder mit einem sogenannten »vergrabenen Kanal« verwenden.

Obwohl in der Verkörperung nach Fig. 6 eine lineare strahlungsempfindliche Schaltungsanordnung 80 gezeigt ist, können an deren Stelle andere Formen von

■ Sehaltungsanoidnungen verwendet werden, wie /. B jene mit einer Anzahl von Spalten und Reihen oder sogar spiralförmige Anordnungen. Wo die Anordnungen 80 aus einer einzelnen Reihe von Elementen

eine sehr genaue Darstellung des analogen Signals ist. .'" Anordnung von Abtastelemcnten sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Analog/Digital-Unisetzer in ladungsgekoppelter Schaltungsanordnung, gekennzeichnet durch:

einen Eingangsteil (A; 80) enthaltend eine Reihe von m > 1 Stufen, in deren jeder eine gegebene Ladungsmenge speicherbar ist, um dort jeweils ein analoges Ladungssignal zu speichern;

eine Vielzahl /i von ladungsgekoppelter Registern (22, 24, 26, 28), deren jedes mindestens m Registerstufen aufweist, von denen jede nur einen Bruchteil der Ladungsspeicherkapazität einer Stufe des Eingangsteils hat;

eine Übertragungseinrichtung (12) zum Ergielien des Ladungssignals jeder ;-ten Stufe des Eingangsteils in die Gruppe der jeweils y-ten Stufen der Register, derart, daß die Anzahl (0 bis /i) der dabei gefüllten Registerstufen von der Amplitude des in der ;-ten Stufe des Eingangsteils gespeicherten Ladungssignale abhängt, wobei / eine ganze Zahl gleich 1.2.../M ist;

eine Steuereinrichtung (0_ßl, 0_BV 0_?3) zum gleichzeitigen Verschieben der in die Register eingebrachten Ladungssignale entlang den Registern;

eine Leseeinrichtung (70; 60), welche jede Gruppe der die Ausgangsstufe« der η Register erreichenden Ladungssignale parallel ausliest.

2. Analog/Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ladungsgekoppelten Regis'er (22,24,26,28) auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert sind und daß jedes Register vom nächst-bewachbarten Register durch eine Anordnung (30, 32, 34) getrennt ist, welche im Substrat eine Potei ialbarriere bildet, die einerseits niedrig genug ist, damit während des Ladungsergusses aus dem Eingangsteil in die Register Signalladung von einer Stufe eines Registers in eine entsprechende Stufe des nächsten Registers fließen kann, und die andererseits hoch genug ist, um während der entlang den Registern laufenden Ladungsverschiebung die in einem Register befindliche Ladung von der im nächsten Register befindlichen Ladung zu isolieren.

3. Analog/Digital-Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsteil aus einem ladungsgekoppelten Register (A) besteht.

4. Analog/Digital-Umsetzer nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsteil aus einer Reihe von Strahlungsfühlern (80) besteht.

5. Analog/Digital-Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Bildung von Potentialbarrieren Diffusionsbereiche (30, 32...) im Substrat sind, die den gleichen Leitungstyp wie das Substrat haben, jedoch höher als das Substrat dotiert sind.

6. Analog/Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Vielzahl η der Register (B) an seinem einen Ende eine Ausgangsstufe und an seinem anderen Ende eine Eingangsstufe enthält, und daß zwischen der Ausgangsstufe und der Eingangsstufe jedes Register jeweils eine von /ι Rückkopplungsvcrbindungen (über 70 in Fig. 5) vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer in ladungsgekoppelter Schaltungsanordnung.

Ladungsgekoppelte Schaltungsanordnungen sind an sich bekannt und haben unter der Kurzbezeichnung CCD (abgeleitet aus dem englischen Begriff »Charge Coupled Devices«) bereits vielfältigen Eingang in die Technik gefunden. Ihre Funktion beruht im allgemeinen auf Speicherung und Weiterleitung elektrischer Ladung mit Hilfe von sogenannten »Paientialmulden« und leitenden Kanälen, die an einem Substrat durch ausgewählte Dotierungsverteilung und ansteuerbare, flächenpotentialerzeugende Elektroden gebildet werden.

Aus einer Veröffentlichung von T. D. Mok u.a. mit dem Titel »A Charge-Transfer-Device Logic Cell« (erschienen in Solid State Electronics, 1974, Band 17, Seiten 1147-1154) ist es auch bekannt, Schaltungen, die mit Ladungsübertragung arbeiten, zur Analog-Digital-Umsetzung heranzuziehen. Bei dieser bekannten Umsetztechnik wird ein Ladungssignal, das einer analogen Größe entspricht, in eine Reihe hintereinanderliegender Speicherzellen längs des Kanals eines ladungsgekoppelten Registers ergossen, so daß die Anzahl der vollgeflossenen Registerstufen dem Betrag der analogen Größe entspricht und somit eine digitale Darstellung des Analogsignals gibt (vgl. Fig. 7a und zugehöriger Text der Veröffentlichung).

Um die Digitalinformation aus dem Register auszulesen, müssen die Ladungspakte im Schiebebetrieb des Registers längs aus dem Register hinausgeschoben werden. Man bekommt in diesem Fall eine serielle Wiedergabe der Digitalinformation. Bevor die nächste Analoggröße in das Register eingefüllt werden kann, müssen alle Stufen geieert sein. Vom Beginn der Eingabe einer Analoggröße bis zum Beginn der Eingabe der nächsten Analoggröße muß also neben der an sich schon relativ langen Einfüllzeit die Entleerungszeit des Registers abgewartet werden. Mit den bekannten Maßnahmen bekommt rnan also einen relativ langsamen Betrieb des Umsetzers, einmal weil das ausgelesene »Digitalwort« seriell erscheint und zum anderen, weil jeweils die vollständige Entleerung des Registers a^^wartet werden muß.

Mit dem gleichen Problem wäre man konfrontiert, wenn man im Bestreben einer Erhöhung der Leistungsfähigkeit den bekannten Umsetzer »vervielfacht«, indem man mehrere Register nebeneinander vorsieht und jedes Register aus einer gesonderten Eingangsspeicherstufe mit einem Analogsignal versorgt. Man könnte die Register zwar gleichzeitig auslesen, jedoch würden dann die jeweils gleichzeitig ausgelesenen Ladungsquanten von verschiedenen Analogsignalen stammen. Die in Parallelform ausgelcsenen Digitalwörtcr wären sinnlos, d. h. keines von ihnen würde eine eingegebene Analoggröße in Digitalform wiedergeben. Ein Analog-Digital-Umsetzer wäre auf diese Weise nicht realisiert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Analog-Digital-Umsetzer in ladungsgckoppelter Schaltungsanordnung zu schaffen, der schneller als der bekannte Umsetzer arbeitet. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung ergießt sich das Ladungssignal jeder y'-ten Stufe des Eingangsteils in die Gruppe der jeweils y-tvin Stufen der Register, derart, daß die Anzahl der dabei gefüllten Registerstufen von der