DE2630085B2 - Ccd-transversalfilter - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein CCD-Transversalfilter, bestehend aus einem CCD-Schieberegister, auf dessen Substrat in Transportrichtung der Ladung hintereinander eine Anzahl von Gewichtungselektroden angeordnet ist, die in ihrer sich quer zur Transportrichtung erstreckenden breiten Ausdehnung in zwei Abschnitte unterteilt sind, deren Breitenverhältnis die Filtercharakteristik bestimmt und die an Einrichtungen zur Kombination der von den Elektrodenabschnitten gelieferten Signale angeschlossen sind.

Wie aus der US-PS 38 19 958 sowie der DT-OS 23 64 870 bekannt, bewirken aus ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) aufgebaute Transversalfilter eine Filterung von Analogsignalen unter Anwendung von Techniken zur Abtastung zeitlich aufeinanderfolgender Amplitudenwerte (Sampling), wie sie in der CCD-Technik üblich sind. Bei den bekannten ladungsgekoppelten Transversalfiltern handelt es sich um doppelseitige Anordnungen, bei denen die Elektroden in solcher Weise in einen oberen und einen unteren Abschnitt geteilt sind, daß die Signale mittels der oberen und unteren Elektroden mit Gewichtungskoeffizienten belastet werden, bevor sie einem Differenzverstärker zur Bildung des Ausgangssignales des Transversalfilters zugeführt werden. Die Amplitude des zu filternden Eingangssignals wird wenigstens mit einer Rate abgetastet, die größer ist als das doppelte der im Signal vorhandenen höchsten, interessierenden Frequenz. Diese Abtaststufe wird dann von N Verzögerungsstufen gefolgt, in denen jede Signalprobe um eine Taktperiode verzögert wird. In jeder Verzögerungsstufe wird das Signal zerstörungsfrei abgetastet, mit einem vorbestimmten Gewichtungskoeffizienten multipliziert, der ! ch Tus der Differenz in der Breite der Elektrodenabschnitte «gibt, und es werden die gewichteten Proben i.rn Auseangssignal V₀ des Filters summiert. Demnach wTd durfh feilln jeder zweiten Metalielektrode des Jdungsgekoppelten Bauelementes m solcher Weise, IT„ Her Unterschied in den Breiten der Abschn.tte einer P^ktrode den entsprechenden Gewichtungskoeffizien-,'„ darstellt und Abtasten der Summe der Verschiebungsströme in den oberen und unteren Abschnitten die gewünschte Impuls-Charakteristik des Filters erzielt

Bei don bekannten zweiseitigen Transversalfiltern wird im Kanal des ladungsgekoppelten Bauelementes, am Rückstelltor und in den Ausgangskreisen Rauschen przeuet Beim Rauschen handelt es sich allgemein um einen begrenzenden Parameter in elektronischen und elektrooptischen Systemen. Ein relativ geringes Signal- ^ ^u u».j,s|triic yprminrlert wesentlich die Gesamt-,„ SSsei]gVmchäften des Systems. Da die Kapazität der Elektrodenfläche proportional ist, sind die Betriebseigenschaften bekannter zweiseitiger Transversalfilter durch die Rauschquellen im Fiitersystem begrenzt. Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein CCD-Transversalfilter der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß es einen minimalen Beitrag zu den Rauschsignalen und zugleich eine möglichst große Änderung seiner Ausgangsspannung liefert

Diese Aufgabe wird nach der Enindung dadurch «ι eelöst daß an die einen Abschnitte aller Gewichtungselektroden ein Bezugspotential angelegt ist und die anderen Abschnitte der Gewichtlingselektroden wahlweise mit einer von zwei Ausgangsleitungen verbunden sind, an welche die Einrichtungen /ur Kombination der ,5 Signale angeschlossen sind.

Das erfindungsgemäße Transversalfilter kann als einseitiges Transversalfilter bezeichnet werden, das effektives ladungsgekoppeltes Bauelement mit potentialfreien Toren arbeitet und eine Filterung von Eingant'ssignalen gemäß einer gewünschten Impulscharakteristik bewirkt. Bei diesem Filter ist das eine Ende der geteilten Elektroden an ein Bezugspotential angelegt, während die anderen Enden der Elektroden an die Ausg'angskreise angeschlossen sind. Hierbei sind die Gewichtungskoeffizienten für eine bestimmte Impulscharakteristik eine Funktion nur der Breite eines Abschnittes jeder geteilten Elektrode, und es ist infolgedessen die Elektrodenfläche, die zur Erzeugung von Rauschen im Ausgangssignal beiträgt, gegenüber der Elcktrodenfläche der bekannten Vorrichtungen erheblich reduziert. Wenn einige der Gewichtungsparameter gemäß der gewünschten Impulscharaktenstik negativ sein sollen, werden die aktiven Elektrodenabschnitte entweder mit dem invertierenden oder dem nichtinvertierenden Eingang eines Differentialverstärkers verbunden. Daher ist bei dem erfindungsgemäßen Filter das Rauschen, das in jeder Bitstellung erzeugt wird, durch die einseitige Anordnung bedeutend reduziert. Andererseits ist wegen der Flächen- und bo Kapazitätsverminderung der Hub oder die Variation der Ausgangsspannung bedeutend erhöht. Weiterhin ist auch das Rückstell-Rauschen gegenüber dem Stand der Technik bedeutend vermindert. Endlich ist auch das Gleichitaktsignal eliminiert, wodurch die Verwendung _b5 eines vereinfachten Differenzverstärkers möglich wird. Demgemäß wird durch die Erfindung ein verbesserte; CCD-Transversalfilter geschaffen, das einen wesentlicl· verminderten Rauschpegel und zugleich ein Ausgangs

signal mit größerer Spannungsänderung ergibt. Dieses Transversalfilter arbeitet befriedigend mit einem Differenzverstärker, an den hinsichtlich der Abweisung von Gleichtaktsignalen nur geringe Forderungen gestellt zu werden brauchen. Der wahlweise Anschluß ι der aktiven Abschnitte der Gewichtungselektroden an den einen oder anderen Eingang des Differenzverstärkers macht es möglich, unipolare oder bipolare Impulscharakteristiken zu realisieren.

Das erfindungsgemäße CCD-Transversalfilter kann ι ο in Verbindung mit Momentanwertspeichern oder Sample- and Hold-Schaltungen verwendet werden, um das Ansprechen auf Taktsignale am Ausgang des Filters zu verhindern und dadurch spezielle Forderungen bezüglich der Bandbreite an den Differenzverstärker zu ι > reduzieren.

L»ic LiriiiiuuTig Wiru im tOigCTiucn aHiiaHu uCr ΐΠ ucT

Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Ivierkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten, zweiseitigen CCD-Transversalfilters zur Erläuterung des Standes der Technik,

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines einseitigen CCD-Transversalfilters nach der Erfindung mit einer bipolaren Impuls-Übertragungscharakteristik,

Fig.3 ein Diagramm der Impuls-Übertragungscharakteristik der Filter nach den F i g. 1 und 2,

F i g. 4 eine schematische Darstellung eines einseitigen CCD-Transversalfilters nach der Erfindung mit einer unipolaren Impuls-Übertragungscharakteristik,

F i g. 5 ein Diagramm der Impuls-Übertragungscha- js rakteristik des Filters nach F i g. 4,

F i g. 6 das Blockschaltbild einer von einem Transversalfilter nach der Erfindung Gebrauch machenden Schaltungsanordnung,

F i g. 7 eine schematische Draufsicht auf ein einseitiges CCD-Transversalfilter mit einer bipolaren Impuls-Ubertragungscharakteristik,

Fig.8 einen Schnitt längs der Linie 8-8 durch das Filter nach F i g. 7,

Fig.9 ein Zeitdiagramm von Signalen zur Erläute- v-, rung der Übertragung von Ladungen zwischen den Elektroden eines Filters nach der Erfindung,

Fig. 10 ein Zeitdiagramm von Signalen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach F ig. 6, w

Fig. 11 die schematische Seitenansicht einer Eingangs-Anordnung, die in der Schaltungsanordnung nach F i g. 6 Anwendung finden kann, und

F i g. 12 das Schaltbild einer Sample- and Hold-Schaltung, die für das erfindungsgemäße System geeignet ist.

F i g. 1 veranschaulicht die Elektrodenanordnung eines bekannten Transversalfilters, das ein Substrat 10 aufweist, auf dem oder in dem eine Anzahl geteilter Elektroden 12,14 angeordnet ist, die einen Gewichtsparameter erzeugen, der gleich dem Unterschied zwischen wi den quer zur Ladungsflußrichtung gemessenen Breiten W] 1 und W\2 der Elektrodenabschnitte ist. Jede geteilte Elektrode hat in der Ladungsflußrichtung des CCD eine Länge L Es ist zu beachten, daß jeder geteilten Elektrode 12, 14 drei weitere Elektroden zugeordnet sind, die zum Ladungstransport von einer geteilten Elektrode zur anderen dienen. Ein Differenzverstärker 16 empfängt das Signal von den beiden Hälften der vorhandenen geteilten Elektroden, nachdem es eine Sample- and Hold-Schaltung oder einen Momentanwertspeicher 17 passiert hat. Der Differenzverstärker liefert eine Ausgangsspannung, die gleich der Differenz zwischen den Ladungen der beiden Hälften aller geteilter Elektroden ist. Um die Potentiale zur rechten Zeit einzustellen sind Stellschalter 18 und 20 vorgesehen, die an eine geeignete Vorspannungsquelle angeschlossen sind, um ein Bezugspotential an alle geteilten Elektroden anzulegen. Das Ausgangs-Steilrauschen ist angenähert proportional zu -\[C_h wenn C, die Gesamtkapazität der beiden Abschnitte derjenigen geteilten Elektroden ist, die gestellt werden. Die auf schnelle Grenzflächenzustände zurückzuführende Rauschspannung, in der k-ten Potentialmulde erzeugt wird, ist angenähert proportional zu fA~i, wenn Ak die Elektrodcnflächc ist. Durch Unvollständigkeit der Ladungsübertragung bedingtes Rauschen (leakage noise) und thermisches Rauschen sind beide für ladungsgekoppelte Bauelemente mit begrabenem Kanal ebenfalls etwa /Äj, proportional. Demgemäß sind alle bedeutenden Rauschquellen, abgesehen von den Rauschquellen der Eingabe- und Ausgabe-Vorrichtungen, der Quadratwurzel der gesamten Elektrodenfläche (W_u 4- Wn)L proportional, die an den Ausgangs-Differenzverstärker, ein Sourcefolger-Paar oder einen Momentanwertspeicher angeschlossen ist. Es tritt ein Korrelationseffekt ein, der den Beitrag des Rauschens, das in der Jt-ten Potentialmulde erzeugt wird, am Ausgangssignal proportional zur Differenz der folgenden Elektroden macht, die an die invertierenden und nichtinvertierenden Eingänge des Differenzverstärkers angeschlossen ist. Durch die Erfindung wird dieser Rauschanteil, der bei den nachstehenden Betrachtungen vernachlässigt wird, nicht vermindert.

Wenn bei einem bekannten CCD-Transversalfilter, wie es in F i g. 1 dargestellt ist,

η = pro Flächeneinheit unter einer Elektrode erzeugte Rauschleistung

M = Gesamtzahl der Elektroden

Wk\ = Breite des oberen Abschnittes der i-ten Elektrode

Wta = Breite des unteren Abschnittes der /c-ten Elektrode

L = Länge der Elektrode

hk — k-ter Gewichtungskoeffizient für die gewünschte Impuls-Ubertragungscharakteristik

Nk = von der it-ten Elektrode insgesamt aufgenommene Rauschleistung

dann wird die gesamte Rauschleistung N zu

N= Σ

k = 1

_kl + iiLW_k2=nL Σ {W_k]+W_k2).

In dieser Gleichung ist W_k\ + Wki - der Gesamtbreite W_k des CCD-Kanals. Daher wird

N = nL Σ W_k = η L W_k M = 11 A .

In dem letzten Ausdruck ist A die Gesamtfläche aller Elektroden.

Die Rauschspannung V_n ist gleich der Wurzel aus der Rauschleistung, also V_n = /W = ]/nA.

Wenn also das Rauschen und nicht das Signal reduziert werden soll, ist es erforderlich, die Elektroden-

fläche A zu reduzieren, ohne gleichzeitig die Signalspannung zu vermindern. Da die Rauschleistung pro Elektrode proportional der Elektrodenfläche W/n + W* 2, die Signalspannung aber proportional der Differenz der Flächen der Elektrodenabschnitte Wk ι — Wk 2 ist, ergibt sich für das Signal-Rausch-Verhältnis an der Ar-ten Elektrode

W₁,

Dieses Signal-Rausch-Verhältnis wird nach der Erfindung maximiert, indem W* ₂ = 0 gesetzt wird. Diese Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses wird nach der Erfindung dadurch erzielt, daß Wk \ = Λ* gemacht wird und Elektrodenabschnitte W_k 3 mit einem Bezugspotential und nicht mit dem Ausgangsverstärker verbunden werden. Um eine Impuls-Übertragungscharakteristik zu erzielen, bei der manche Gewichtungskoeffizienten hk negativ sind, muß IV* 1 entweder mit den invertierenden oder den nichtinvertierenden gemeinsamen Eingängen des Differenzverstärkers verbunden werden.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform eines einseitigen CCD-Transversalfilters nach der Erfindung sind die oberen Abschnitte der geteilten Elektroden, wie beispielsweise die Abschnitte 24, 26 und 28, mit einer Vorspannungsquelle 30 verbunden, während die unteren Abschnitte der geteilten Elektroden, wie beispielsweise die Abschnitte 32, 34 und 36, über eine Sample- and Hold-Schaltung 17 mit den Eingängen des Differenzverstärker 16 verbunden sind. Grundsätzlich wäre auch unter Fortlassung der Sample- and Hold-Schaltung 17 eine direkte Verbindung der unteren Elektrodenabschnitte mit den Eingängen des Differenzverstärkers 16 möglich. Ferner sei erneut darauf hingewiesen, daß jeder geteilten Elektrode drei zusätzliche Elektroden zugeordnet sind, die für den Ladungstransport benötigt werden.

Die ersten sechs Elektroden, beginnend mit dem Elektrodenabschnitt 32, und die letzten fünf Elektroden, beginnend mit dem Elektrodenabschnitt 35, sind mit dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 16 verbunden, wogegen die sechs mittleren Elektroden, beginnend mit dem Elektrodenabschnitt 33, mit dem invertierenden oder negativen Eingang des Differenzverstärkers 16 verbunden sind. Stellschalter 40 dienen dazu, den aktiven Abschnitten der geteilten Elektroden eine Vorspannung Vg zuzuführen, um ein Bezugspotential zu bilden. Demnach wird das gewünschte Signal für eine bipolare Impuls-Übertragungscharakteristik erzielt, indem der Spaltverlauf desjenigen Abschnittes der Impuls-Übertragungscharakteristik, der die zweite Polarität aufweist, umgekehrt wird und nur das Signal benutzt wird, das dem Absolutwert der gewünschten Differenz entspricht, indem die Ausgangs-Differenzschaltung in geeigneter Weise an die Elektroden angeschlossen wird.

Bei dem Filter nach F i g. 2 kann die zum Rauschen beitragende Elektrodenfläche beträchtlich kleiner sein als bei der bekannten Anordnung nach F i g. 1. Trotzdem wird ein vergrößertes Ausgangssignal erzielt, weil die Elektrodenkapazität abgenommen hat. In F i g. 3 ist die impuls-Übertragungscharakteristik 54 der CCD-Filter nach den Fig. 1 und 2 mit einem Momentanwertspeicher dargestellt, die das Ausgangssignal eines solchen Filters veranschaulicht, das das Filter liefert, wenn nicht dargestellten Eingangskreisen dieser Filter ein Impuls 55 zugeführt wird. Die durch die Erfindung erzielte Verminderung des Rauschens ist etwa gleich der Quadratwurzel aus dem Verhältnis der

■> Gesamtfläche der oberen Elektrodenabschnitte zur Gesamtfläche der unteren Elektrodenabschnitte der Anordnung nach F i g. 2.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Übertragungseigenschaften des Transversalfilters durch die Impuls-

Übertragungscharakteristik definiert wird, im Betrieb das Filter jedoch auf das Signal einer Quelle anspricht, bei der es sich beispielsweise um ein Infrarot-, Radaroder Lasersystern handeln kann. Die Impuls-Übertragungscharakteristik nach F i g. 3 definiert ein für Gleichstrom undurchlässiges Filter, wenn die Elektrodenflächen unter den positiven und negativen Abschnitten gleich sind, wodurch sich ein Hochpaß, ein Bandpaß oder ein Filter mit einer komplizierten Mehrfach-Bandpaß-Charakteristik ergibt. Bei einem für Gleichstrom undurchlässigen Filter geht die Amplitude des Ausgangssignals gegen Null, wenn sich die Frequenz des Eingangssignals Null nähen. Bezüglich bipolarer Filter ist die Erfindung nicht auf für Gleichstrom undurchlässige Typen beschränkt, sondern umfaßt Filter mit jeder gewünschten Charakteristik, die erzielt wird, wenn die positiven und negativen Elektrodenflächen ungleich sind. Obwohl das dargestellte Ausführungsbeispiel nur drei Abschnitte verschiedener Polarität aufweist, ist nach der Erfindung die Anwendung jeder beliebigen

ot Anzahl von Abschnitten abwechselnder Polarität möglich, die so kombiniert sein können, daß sie entweder eine Übertragungsfunktion oder auch mehrere Übertragungs' iktionen darstellen können, beispielsweise durcn die Anwendung von mehreren

Differenzverstärkern in Verbindung mit mehreren Doppel-Momentanwertspeichern.

F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines einseitigen Transversalfilters nach der Erfindung, das eine unipolare Impuls-Übertragungscharakteristik auf-

weist, das durch eine positive Spannung gegenüber einem vorgegebenen CCD-Bezugspotential veranschaulicht ist. Die Spalte zwischen den Abschnitten der Elektroden, wie beispielsweise der Elektroden 37 und 39, haben einen solchen Verlauf, daß die Gewichtungs-

koeffizienten die in Fig.5 durch die Kurve 41 dargestellte Impuls-Übertragungscharakteristik ergeben, wenn dem Filter ein Impuls nach Kurve 42 zugeführt wird. Da alle Gewichtungskoeffizienten positiv sind, sind die unteren Enden aller Elektroden mil einer Leitung 43 verbunden, die über ein bei Bedarl eingesetztes Momentanwertfilter 17 mit einer Klemme des Differenzverstärkers 16 verbunden ist. Die anderer oder oberen Enden der Elektroden sind an die Vorspannungsklemme 30 angeschlossen. Zur Verbesse

rung des Betriebsverhaltens durch Aufheben dei Vorspannung und Löschen von Störsignalen sine Rückstellschalter sowohl mit der Leitung 43 als auch dem anderen Eingang des Differenzverstärkers H verbunden. Es ist zu bemerken, daß es im Rahmen dei

bo Erfindung liegt, das Ausgangssignal an der Leitung 4i ohne Anwendung des Differenzverstärker 16 odei auch unmittelbar an der Leitung 43 ohne Verwendung der Sample- and Hold-Schaltung 17 abzunehmen. Die Übertragungscharakteristik nach Fig.4 stellt einer

gleichspannungsfreien Mittelwert dar und kann bei spielsweise als Impulsgenerator zur Bildung eine: Impulses mit einer gewünschten Amplituden-Zeit-Cha raktenstik verwendet werden. Es kann jedoch dai

jnipolarc Gewichtsfunktionsfilter nach der Erfindung cur Bildung jeder gewünschten Übertragungscharakteristik verwendet werden.

Wie aus Fig.6 ersichtlich, kann das einseitige, rauscharme Transversalfilter 25 oder das einseitige Transversalfilter nach F i g. 4 auf ein Signal ansprechen, das von einer Signalquelle 56 geliefert wird. Beim Signal der Signalquelle 56 kann es sich entweder um ein pulsförmiges Signal oder um ein Signalgemisch handeln, welches das Transversalfilter durchlaufen soll. Das Eingangssignal wird über eine Leitung 58 einem Eingangstor 60 des Transversalfilters 25 zugeführt, in dem eine Abtastung der Amplitudenwerte erfolgt, unc gelangt dann durch die getakteten Stufen des Transversalfiiters zu den Ausgangsleitungen 64 und 66. Die Signale auf den Ausgangsleitungen 64 und 66, welche die Summe der Differenzen der Verschiebungsströme zwischen den geteilten Elektroden charakterisieren, haben entweder einen positiven oder riegatigen Wert und werden über den auch entbehrlichen Momentanwertspeicher 17 dem Differenzverstärker 16 zugeführt, der auf der Ausgangsleitung 74 ein Ausgangssignal erzeugt. Bei dem veranschaulichten Einphasen-CCD-Betrieb, der nach der Erfindung anwendbar ist, kann eine Vorspannungsquelle 78 durch geeignete FETs 82 und 84 in Abhängigkeit von einem Taktimpuls Φ set auf einer Leitung 88 an die Leitungen 64 und 66 angelegt werden, um an den geteilten Elektroden ein gemeinsames Lesepotential herzustellen. CCD-Vorspannungsschaltungen 98 können vorgesehen sein, um dem Transversalfilter 25 über eine Leitung 38 geeignete Spannunben zuzuführen. Ein Takt- und Impulsgenerator 100 liefert einen Impuls Φι auf einer Leitung 156 dem Transversalfilter sowie den Impuls Φ₅εγ auf der Leitung 88 den Schaltern 82 und 84. Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, daß dem Differenzverstärker eine Sample- and Hold-Schaltung vorgeschaltet ist, sondern es kann die Sample- and Hold-Schaltung auch dem Differenzverstärker nachgeschaltet oder völlig fortgelassen sein.

Wie aus der Draufsicht nach F i g. 7 und dem in F i g. 8 dargestellten Schnitt längs der Linie 8-8 durch die Anordnung nach F i g. 7 ersichtlich, kann ein CCD-Transversalfilter nach der Erfindung ein Substrat 120 aus η-dotiertem Silicium aufweisen, auf dem sich eine Isolierschicht 122 aus Siliciumdioxid befindet, Elektroden aus geeignetem leitendem Material, beispielsweise aus Aluminium und aus polykristallinem Silicium (polysilicon) können auf der Oberfläche bzw. als begrabene Elektrode innerhalb der Siliciumdioxid-Schicht 122 angeordnet sein. Es sei erwähnt, daß die Erfindung nicht auf die beschriebene Herstellungstechnik beschränkt ist, sondern alle geeigneten Anordnungen umfaßt, wie beispielsweise Anordnungen mit Epitaxialschichten oder begrabenen Kanälen. Das Transversalfilter kann begrabene geteilte Elektroden 126 bis 130 aufweisen, deren einen Abschnitte mit einer eine Vorspannung von -10 V führenden Leitung 138 verbunden sind, während die anderen oder aktiven Abschnitte entweder mit einer positiven Ausgangsleitung 140 oder einer negativen Ausgangsleitung 142 verbunden sind. Jeder begrabenen geteilten Elektrode, wie beispielsweise der Elektrode 126, können drei andere Elektroden zugeordnet sein, wie die Elektroden 146,148 und 150, so daß vier Elektroden vorhanden sind, die eine Takt- oder Schrittstellung für die Ladungsübertragung bilden. Φι-Taktimpulsc werden von einer Leitung 156 den Elektroden 148 und 150 der der geteilten Elektrode 126 zugeordneten Gruppe zugeführt, und auch den anderen geteilten Elektroden zugeordneten entsprechenden Elektroden, wie beispielsweise den Elektroden 158 und 160, die der ^r. geteilten Elektrode 127 zugeordnet sind. Der Gleichspannungswert für den veranschaulichten Einphasenbetrieb kann - 10 V betragen, um das Substrat unter dem Gate zu verarmen. Diese Gleichspannung wird auf der Leitung 138 der der geteilten Elektrode 126 zugeordne-Ki ten Elektrode 146 und gleichartigen Elektroden zugeführt, wie beispielsweise der Elektrode 164, die der der geteilten Elektrode 127 zugeordneten Gruppe angehört. Der Stellimpuls Φςετwird einer Steuereinheit 143 für die Schalter 18 und 20 zugeführt, die einen i> geeigneten Schalter veranschaulichen, der dazu dient, die Gleichspannung von — 10 V von der Leitung 138 sowohl der positiven Ausgangsleitung 140 als auch der negativen Ausgangsleitung 142 im richtigen Zeitpunkt in bezug auf den Taktimpuls zuzuführen, damit in der begrabenen, geteilten Elektrode ein Bezugspotential erzeugt wird, so daß ein richtiger Lesewert zur Abtastzeit erhalten wird. Die Eingangsspannung V;/v wird auf einer Leitung 170 einer begrabenen Elektrode 172 zugeführt, wie es im folgenden erläutert wird. Wie 2¹S Fig.7 weiter zeigt, können die Aluminium-Elektroden auf Oberflächenabschnitten angeordnet sein, die zwischen den begrabenen Elektroden befinden und diese überlappen. Jede zweite begrabene Elektrode ist eine geteilte Elektrode, wie die Elektroden 126 und 128, und iii es ist die Gleichspannungs-Leitung 138 mit den Oberflächenelektroden verbunden, wie den Elektroden 146 und 164. Die Gleichspannungs-Leitung 138 kann auch mit einem Ende der begrabenen geteilten Elektroden verbunden sein, wie beispielsweise der Elektrode 126. Der Taktimpuls Φι auf der Leitung 156 wird den anderen beiden Elektrodenarten zugeführt, von denen die eine begraben ist und die andere sich an der Oberfläche befindet, wie beispielsweise den Elektroden 160 und 164, von denen sich die erste zwischen zwei begrabenen geteilten Elektroden aus polykristallinem Silicium befindet und die andere der Oberflächenelektrode 158 folgt. Jede aus vier benachbarten Elektroden bestehende Gruppe, wie beispielsweise die aus den Elektroden 146, 126, 158 und 160 <r, bestehende Gruppe, bildet ein einziges Verzögerungselement, so daß zur Zeit, wenn der Taktimpuls Φ\ vorliegt oder seinen vollen Wert von etwa —20 V aufweist, die Ladung den Zustand angenommen hat, der in Fig.9 durch die Kurve 182 dargestellt ist. Dieser V) Zustand ist während des Vorliegens eines negativen Impulses vorhanden. Bei Fehlen eines negativen Impulses auf der Taktleitung 156 liegt der durch die Kurve 185 veranschaulichte Zustand vor. Wie bekannt sind Signalladungen Minoritätsträger. Nach Ansteiger v, des Taktimpulses Φ\ auf der Leitung 156 gegen 0 V fließt die Ladung während Übergangs-Zuständen, die durch die Kurven 186 und 188 veranschaulicht sind, ir Transportrichtung ab. Durch die Art der erzeugter Potentiale sind die Ladungen dazu gezwungen, währenc Wi einer Taktimpulsflanke infolge der einander überlap penden Elektroden und des daraus resultierender elektrostatischen Potentialprofils unterhalb der Elek troden nur von links nach rechts zu fließen. Währenc dieser Ladungsübertragung unter einer Elektrode fließ μ in der Elektrodenleitung, und zwar entweder in de positiven Leitung 140 oder in der negativen Leitung 142 ein Verschiebungsstrom. Beim nächsten Taktimpuls Φ wird die Ladung der Kurve 185 in Vorwärtsrichtung zi

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der rechtsliegenden, nächsten Potentialmulde befördert.

Das Stellsignal Φ set, das die Kurve 198 in F⁷ ig. 10 veranschaulicht und das von dem Takt- und Impulsgenerator 100 nach Fig.6 geliefert wird, dient zum Schließen der Schalter 18 und 20, die in der Anordnung nach Fig.6 durch die Transistoren 82 und 84 gebildet werden, um dadurch an die positiven und negativen Ausgangsleitungen 64 und 66 mittels der Vorspannungsquelle 78 von -10 V an den Elektroden eine Bezugsladung zu erzeugen. Durch diese Bezugsladung wird eine vorbestimmte Spannung an alle Elektroden angelegt, so daß ein zuverlässiger und konstanter Lesewert erzielt wird. Zu einem geeigneten Zeitpunkt zwischen aufeinanderfolgenden Stellimpulsen #s£rnach Kurve 198 werden die Ausgangsspannungen durch einen Abtastimpuls Φ.$ιι nach Kurve 200, der der Sample- and Hold-Schaltung 17 nach Fig.6 zugeführt wird, abgetastet und vorübergehend gespeichert, um eine Darstellung des während dieser Taktperiode abgetasteten Signals zu erhalten. Die Kurve 206 in Fig. 10 zeigt das Ausgangssignal des Filters ohne Momentanwertspeicherung, das dem Verlauf des Taktsignals Φ ι folgt. Das Abtasten folgt nach den Taktimpulsen gemäß Kurve 190. Das Ausgangssignal des Filters nach der Momentanwertspeicherung am Ausgang eines Differenzverstärkers, sofern einer benutzt wird, ist durch die Kurve 207 veranschaulicht. Dieses Signal variiert als Funktion des Eingangssignals und der Filtercharakteristik. Es sei darauf hingewiesen, daß eine Charakteristik eines Transversalfilters darin besteht, daß das Prinzip der Gewichtung mittels geteilter Elektroden die Realisierung einer Vielzahl von Frequenzbeziehungen erlaubt, weil zum Einstellen der gewünschten Frequenzcharakteristik nur die Gestalt der geteilten Elektroden in Transportrichtung des ladungsgekoppelten Bauelementes richtig gewählt werden muß.

Anhand F i g. 11 wird der Eingabeteil näher erläutert, der bei einem Transversalfilter nach der Erfindung verwendet werden kann. Es versteht sich, daß es sich hier nur um eine beispielsweise dargestellte Ausführungsform handelt und bei einem Filter nach der Erfindung jede geeignete Eingabeanordnung verwendet werden kann. Das Eingangssignal V/n wird auf der Leitung 170 der Elektrode 172 zugeführt. Einer Elektrode 236 wird auf einer Leitung 230 eine Vorspannung von -10 V zugeführt. Ein diffundierter Eingabebereich 232 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit Masse verbunden. Das Substrat 120 vom η-Typ ist mit einer positiven Spannung von etwa + 5V vorgespannt, um gegenüber dem diffundierten Bereich eine umgekehrte Vorspannung zu erzielen.

Das Abtasten des Eingangssignals erfolgt mittels der Elektroden 148 und 150 in Abhängigkeit von dem Taktimpuls Φι.

Im Betrieb ist der diffundierte Bereich 232 in der Lage, dem ladungsgekoppelten Bauteil gemäß den Potentialbedingungen unter den Elektroden 172 und 236 Ladungen zuzuführen. Die Ladung wird dann in der Potentialmulde unter der Gate-Elektrode 236 gespeichert und anschließend nur in vorbestimmter Richtung während jeder Taktperiode zur benachbarten Potentialmulde transportiert. Demgemäß wird bei Anlegen einer Signalspannung an die Leitung 170 bei jedem Taktimpuls Φι dem p-dotierten diffundierten Bereich 232 Strom entzogen und zu einer folgenden Elektrode geleitet.

Fig. 12 zeigt eine Realisation des Momentanwertspeichers 17 nach Fig. 6 unter Verwendung von MOSFETs. In diesem Momentanwertspeichcr bilden MOSFET-Tetroden 290 und 292 Rückstellschalter. Die Source-Elektrode der Tetrode 290 ist mit der positiven

-> Leitung 140 verbunden, während ihre Drain-Elektrode mit einer Klemme 294 verbunden ist, an der ein Potential von -10 V anliegt. Eine erste Gate-Elektrode der Tetrode 290 ist mit einer ersten Gate-Elektrode der Tetrode 292 und außerdem mit einer Klemme 296

in verbunden, an der ein Potential von -12 V anliegt. Die zweiten Gate-Elektroden der Tetroden 290 und 292 sind mit einer Leitung 88 zum Empfang des Stellimpulses Φ$£Τ verbunden. Die Source-Elektrode der Tetrode 292 ist mit der negativen Leitung 152 verbunden, während

i^r> ihre Drain-Elektrode mit einer Klemme 298 verbunden ist, an der ein Potential von -10 V anliegt.

Die Momentanwertspeicherung oder Sample- and Hold-Funktion erfolgt mittels MOSFET-Pentoden 300 und 302 und Kondensatoren 308 und 310 in einer Schaltungsanordnung, die zwar von anderen entwickelt, jedoch noch nicht bei einem CCD-Transversalfilter in einem Filtersystem nach der Erfindung verwendet wurde, um ein Durchschlagen des Taktsignals zum Differentialverstärker zu verhindern und dadurch die

2> Anforderungen an die Bandbreite und die Leistungsaufnahme des Differenzverstärkers zu vermindern.

Die Pentoden 300 und 302 weisen Drain-Elektroden auf, die jeweils mit einer der Leitungen 140 und 142 verbunden sind, und zweite Drain-Elektroden, von

jo denen die eine mit der Leitung 67 und die andere mit der Leitung 69 verbunden ist. Zwei Isolier-Gate-Elektroden beider Pentoden 300 und 302 sind mit einer Klemme 306 verbunden, an der ein Potential von -16 V liegt, um die Steuer-Gate-Elektrode von den beiden Drain-Elektro-

Ji den zu isolieren. Die Steuer-Gate-Elektroden sind mit einer Leitung 108 verbunden, von der sie die Abtastimpulse Φ$_Η empfangen. Die Ausgangsseiten der Pentoden 300 und 302 sind jeweils mit den ersten Seiten eines der Kondensatoren 308 bzw. 310 verbunden, deren

■to andere Seiten an Masse gelegt sind, damit sie nach jedem Abtastimpuls ihre Speicherfunktion erfüllen.

Die Leitungen 67 und 69 führen jeweils zu einem hochohmigen Eingang des Differenzverstärkers.
Wie insbesondere Fig. 8 erkennen läßt, kann die

■r> Herstellung eines CCD-Transversalfilters nach der Erfindung unter Anwendung der bei der Herstellung von Silicium-Halbleiter-Bauelementen üblichen Technik erfolgen. Die nachstehend beschriebene Folge von Verfahrensschritten ist nur als Beispiel ausgewählt, und

•so es versteht sich, daß zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filters andere Verfahren angewendet werden können.

(1) Als Substrat wird ein Block aus n-dotiertem ^r>> Silicium ausgewählt, der einen spezifischen

Widerstand von 2 bis 3 Ohm · cm aufweist.

(2) Auf einer Seite des Substrates wird eine Oxidschicht von 1 μπι Dicke erzeugt.

(3) Unter Verwendung von Photolack-Masken werfe" den Löcher gebildet, durch welche hindurch ein

η+ -Dotierungsmittel zur Bildung von Kanalstops eindiffundiert wird.

(4) Durch ein Photolackverfahren werden Fenster geöffnet, in welche ein ρ+ -Dotierungsmittel

h5 injiziert wird, um Diffusionsbereiche zu bilden, wie

die Bereiche 304,310 und 312.

(5) Die Oxidmaske wird dazu benutzt, das Oxid an den Stellen zu entfernen, an denen eine SiOr

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Schicht von 0,1 μιη Dicke gebildet werden soll.

(6) Die dünne Oxidschicht 222 wird auf der Oberfläche des Siliciums gebildet.

(7) Auf die gesamte Oberfläche der dünnen Oxidschicht wird Polysilicium in einer Dicke von *> 0,5 μΐη abgeschieden.

(8) Das Polysilicium wird zur Bildung begrabener Polysilicium-Elektroden mit einer Maske geätzt.

(9) Das Polysilicium wird in einer Dicke von 0,150 μιη oxidiert, um eine Passivierungsschicht zu bilden, ι« Die Bereiche zwischen dem Polysilicium, die mit den Aluminium-Elektroden zu bedecken sind, weisen eine dickere Oxidschicht von 0,200 μιη auf.

(10) Durch Maskieren und Ätzen werden durch das Polysilicium hindurch Kontaktlöcher in solchen r> Bereichen gebildet, in denen ein Kontakt zu einer Aluminiumschicht hergestellt werden soll, wie beispielsweise öffnungen zu den p ⁺ -dotierten Eingabe- und Ausgabebereichen und öffnungen zur Herstellung von Kontakten zu den Polysilici- _>o um-Streifen um Leiter oder Leitungsbahnen zu bilden, wenn solche verwendet werden.

(11) Auf die ganze Oberfläche wird eine Aluminiumschicht von beispielsweise 1 μιη Dicke aufgebracht. 2^r>

(12) Die Aluminiumschicht wird unter Anwendung einer geeigneten Maske geätzt, um die Aluminium-Elektroden, die Verbindungen zu den Elektroden und Bereichen, Verbindungen zu begrabenen Polysilicium-Elektroden sowie allen erforderlichen Leitungsbahnen zu bilden. Es sei bemerkt, daß der Kanal, wie der in F i g. 10 dargestellte und sich über die Länge der Aluminium-Elektrode erstreckende Kanal 310 das Ergebnis der Abscheidung von Aluminium im Schritt 10 zwischen den r, geätzten Polysilicium-Streifen ist. Diese Maskierungs- und Ätztechniken sind in der einschlägigen Technik bekannt und brauchen hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Durch die Erfindung wurde demnach ein einseitiges CCD-Transversalfilter beschrieben, bei dem nur ein Ende der geteilten Elektroden mit den Ausgangsleitungen verbunden ist, während das andere Ende jeder geteilten Elektrode mit einer Vorspannungsquelle v-, verbunden ist. Auch die erstgenannten Enden der Elektroden können durch einen Schalter mit der

Vorspannungsquelle verbunden werden, um gleich Ausgangszustände herstellen zu können. Wenn einig der Gewichtungskoeffizienten, welche die gewünscht Impuls-Übertragungscharakteristik bestimmen, ein> zweite, beispielsweise negative Polarität aufweiser können ausgewählte Elektroden mit dem invertieren den Eingang eines Differenzverstärkers verbunden sein Es sei betont, daß die Erfindung einseitige CCD-Trans versalfilter umfaßt, bei denen alle Gewichtungskoeffi zienten die gleiche Polarität haben, sowie auch solche bei denen manche Gewichtungskoeffizienten zueinan der entgegengesetzte Polaritäten haben, und bei dener ein Ende jeder der geteilten Elektroden an eine geeignete Einrichtung zur Signalkombination angeschlossen ist. Das durch die Ladung charakterisierte Nettosignal ist bei dem erfindungsgemäßen CCD-Transversalfilter im wesentlichen das gleiche wie bei bekannten Transversalfiltern, jedoch ist die zum Rauschen beitragende Elektrodenfläche bedeutend vermindert. Da weiterhin die gesamte Elektrodenkapazität bei dem einseitigen Transversalfilter bedeutend reduziert ist, hat sich eine bedeutende Erhöhung der Spannungsänderung des Ausgangsssignals ergeben, das auf die Ladungen zurückzuführen ist, die durch die durch jede Elektrode fließenden Verschiebungsströme induziert worden ist. Demgemäß wird dem Differenzverstärker eine beträchtliche Spannung zugeführt, die hinter dem Differenzverstärker eine geringere Verstärkung erfordert und durch die die relative Wirkung des Rauschens der Eingabevorrichtung auf den Differenzverstärker reduziert. Die vom Ausgangs-Differcnzverstärker verlangte Zurückweisung von Gleichtaktsignalen, die zum Erzielen eines Ausgangssignals, dar; dem Ausgangssignal bekannter Anordnungen entspricht, wird durch das Eliminieren eines Gleichtaktsignals ebenfalls bedeutend reduziert. Die Länge eines aktiven Elektrodenabschnittes ist gleich dem Gewichtungskoeffizient in bezug auf den längsten Elektrodenabschnitt. Um das gleiche Nettosignal zu bekommen, mußte ein Filter bekannter Ausführung eine gesamte Elektrodenbreite von 2 W aufweisen, während beim einseitigen Filter nach der Erfindung nur die Breite Werforderlich ist. Schwankungen von Schwellenspannungen, die von Verfahrens-Temperaturschwankungen herrühren, werden daher durch die verminderte Breite W des erfindungsgemäßen Filters ebenfalls reduziert.

Hierzu 7 Blatt Zcicliiuiimen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   1 CCD-Transversalfilter, bestehend aus einem CCD-Schieberegister, auf dessen Substrat in Transportrichtung der Ladung hintereinander eine Anzani von Gewichtungselektroden angeordnet ist. ate in ihrer sich quer zur Transportrichtung erst. ?n~-n breiten Ausdehnung in zwei Abschnitte terteUt sind, deren Breitenverhältnis die F.ltercharaktenst.k bestimmt und die an Einrichtungen zur Kombination der von den Elektrodenabschnitten gelieferten Signale angeschlossen sind, dadurch ge: ke η ηι zeichnet, daß an die einen Abschnitte (z. B. i% 26, 28) aller Gewichtungselektroden ein Bezugspotential (30) angelegt ist und die anderen Abschnitte (z. B. 32, 33, 34, 35, 36) der Gewichtselektroden wahlweise mit einer von zwei Ausgangsleitungen verbunden sind, an welche die Einrichtungen (16) zur Kombination der Signale angeschlossen sind.
2. 2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (16) zur Kombination der Signale einen Differenzverstärker umfassen, dessen Eingänge an die beiden Ausgangsleitungen angeschlossen sind. . ,
3. 3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Ausgangsleitungen und die Eingänge des Differenzverstärkers (16) jeweils ein Momentanwertspeicher (17) geschaltet ist.
4. 4. Filter nach einem der .vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit den beiden Ausgangsleitungen Rückstelleinrichtungen (40) gekoppelt sind.

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