DE2631471A1 - Digitaler differenzverstaerker fuer ccd-anordnungen - Google Patents

Digitaler differenzverstaerker fuer ccd-anordnungen

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DE2631471A1 DE19762631471 DE2631471A DE2631471A1 DE 2631471 A1 DE2631471 A1 DE 2631471A1 DE 19762631471 DE19762631471 DE 19762631471 DE 2631471 A DE2631471 A DE 2631471A DE 2631471 A1 DE2631471 A1 DE 2631471A1
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Description

^ 263T471
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Berlin und München VPA 76 P 7 0 7 9 BRD
Digitaler Differenzverstärker für CCD-Anordnungen. Zusatz zu VPA 75 P 7152
Die Erfindung bezieht sich auf einen digitalen Differenzverstärker für CCD-Anordnungen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei ladungsgekoppelten Schaltungen ist es erforderlich, die Information nach einer bestimmten Anzahl von Übertragungen zu regenerieren, damit die ursprüngliche Information erhalten bleibt. Dabei werden an diese Regenrierstufen mehrere Anforderungen gestellt. Sie sollen zmeinen von Einsatzspannungsschwankungen und von Versorgungsspannungsschwankungen unabhängig sein« Zum anderen soll in den Schaltungen selbst eine Referenzspannung, die zum Auswerten des Eing4ngssignals benötigt wird, erzeugt werden. Die Ausgangsamplitude der Regenerierstufen soll möglichst groß sein. Ferner sollen diese Regenerierstufen die Erzeugung einer definierten Grundladung im CCD ermöglichen. Schließlich sollen sie in das CCD-Raster passen.
In der Hauptpatentanmeldung P 25 41 721.4 ist ein Differenzverstärker für CCD-Regenerierstufen beschrieben, der die oben aufgeführten Anforderungen weitgehends erfüllt. .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den genannten digitalen Differenzverstärker für CCD-Anordnungen dahingehend zu verbessern, daß eine wesentliche Verkürzung der Schaltzeiten erreicht wird.
24.6.1976/ VPI7HiP9883/0257
Diese Aufgabe wird durch einen wie eingangs bereits erwähnten Differenzverstärker gelöst, der durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist.
Weitere Erläuterungen zur Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Figuren hervor.
Die Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines erfindungsgemäßen digitalen Differenzverstärkers.
Die Fig. 2 zeigt eine Ausgestaltung der Sdaltung nach der Fig. 1 .
Die Fig. 3 zeigt das Zeitdiagramm für die Schaltungen nach den Fig. 1 und 2.
Die Fig. 4 zeigt die Kennlinie eines Flipflops.
Der digitale Differenzverstärker 1 nach der Fig. 1, der auch in der Hauptpatentanmeldung P 25 41 721.4 beschrieben ist,, besteht im wesentlichen aus den Transistoren
II bis 15. Dabei ist der Transistor 15 einerseits mit dem Eingang 151 und andererseits mit einem Punkt 152 verbunden. Der Transistor 15 ist durch den an seinem Gateanschluß 153 anliegenden Takt 0 steuerbar. Der Transistor 11 ist einerseits mit dem Punkt 152 und andererseits mit einer Leitung 111, an der die Versorgungsspannung Vcc anliegt, verbunden. Der Transistor 11 ist über seinen Gateanschluß 112 durch das Potential Vp11 steuerbar. Ebenfalls mit dem Punkt 152 verbunden ist der Gateanschluß 131 des Transistors 13· Dieser wiederum ist einerseits mit dem Ausgang 132 und andererseits mit dem Transistor 12 verbunden. Der Transistor 12 ist einerseits mit dem Transistor 13 und andererseits mit der Leitung
III verbunden. Der Transistor 12 ist über seinen Gateanschluß 121 durch das Potential V steuerbar. Der Gateanschluß eines weiteren Transistors τ4 ist mit dem Punkt 121 verbunden, in dem die Transistoren 12 und 13 in Reihe geschaltet sind. Der Transistor 14 ist einerseits mit dem Aus-
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gang 132 und andererseits mit der Leitung 111 verbunden. Die Transistoren 11 und 12 dienen dazu, um die parasitären Kapazitäten 16 und 17 vorzuspannen, während die Transistoren 13 und 14 zusammen mit einer Stromsenke 18 eine Referenzspannung erzeugen und die Verstärkung des Eingangssignals bewirken. Dabei ist die Stromsenke 18 auf der einen Seite mit dem Ausgang 132 und auf der anderen Seite mit einem Anschluß 181, an dem die Spannung Vß anliegt, verbunden. Der Transistor 15 verbindet den Eingang 151 mit dem Knotenpunkt 152. Im folgenden soll nun im Zusammenhang mit der Fig. 3 die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 1 beschrieben werden. Zur Zeit tQ sind die Transistoren 11 und 12 eingeschaltet, so daß die parasitären Kapazitäten 16 und 17 auf die Spannung Vcc aufgeladen werden. Wenn die Transistoren 13 und 14 die gleichen geometrischen Abmessungen aufweisen, ist der durch sie fließende Strom I-53 = I*a = Ip-i/p» wobei I„ der durch die Stromsenke 18 fließende Strom ist. Am Ausgang 132 des Differenzverstärkers 1 liegt dann eine Spannung von ü\. = Vcc - IL, an, wobei U™ die Einsatzspannungen der Transistoren 11 bis 15 sind. Zur Zeit t^ ist der Transistor 11 abgeschaltet» Dies wird durch Abschalten des Potentials Vp11 an den Gateanschluß 112 erreicht. Dabei ändert sich die Spannung am Kondensator 16 nicht und das. Stromverhältnis I1-* = X^ bleibt bestehen. Der Eingang 151 ist, wie in der Fig. 1 dargestellt, mit einer Stromsenke 19 verbunden, bei der das Vorhandensein des Stromes Ig einer binären "1" und das NichtVorhandensein des Stromes 1„ - 0 einer binären "0" entspricht» Der Kondensator 16 wird dadurch bei leitendem Transistor 15 entweder auf die Spannung Ug =0 entladen oder bleibt unverändert auf der Spannung U_ = V__ vorgespannt. Dadurch kann der Ausgang 132 zum Zeitpunkt t, zwei unterschiedlicheZustände annehmen.
a) Ist UE<^VCC5 so ist der Transistor 13 abgeschaltet9 da die Spannung zwischen seinem Gateanschluß und seinem Sourceanschluß UE - U^^ U™ isto Die Spannung U., an.der Kapazität 17 bleibt unverändert U.T = ν und damit bleibt die Ausgangsspannung U. - Ycc - U_ am Ausgang 132 des Verstärkers erhalten..
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X 263U71 76P 7073BRD
b) Ist U_ = V__, so "bleibt der Transistor 13 eingeschaltet,
r» CC
wodurch das Gate und der Sourceanschluß des Transistors 14 miteinander verbunden sind. Dies hat zur Folge, daß der Transistor 14 abgeschaltet wird und daß die Stromsenke 18 den Ausgang 132 in Richtung V_ entlädt.
Für die beiden Zustände a) und b) ist die Voraussetzung, daß der Transistor 12 g'esperrt ist.
Da die Ausgangsspannung U. nur von dem Verhältniss' der Spannung Un zu U an den Kapazitäten 16 und 17 abhängt, wobei UA = VCC " UT istf Wenn UE^UN ist υηά UA = VB' Wenn UE β UN ist, haben Versorgungsspannungs- und Einsatzspannungsschwankungen keinen Einfluß auf den Verstärkungsvorgang.
In der Fig. 2 ist eine SdBltungsvariante 10 zu dem digitalen Differenzverstärker 1 nach der Fig. 1 dargestellt. Dabei tragen Einzelheiten der Fig. 2, die bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben wurden, die entsprechenden Bezugszeichen. Der Transistor 110, der dem Transistor 11 der Fig. 1 entspricht, ist nicht wie in der Fig. 1 einerseits mit dem Punkt 112 und andererseits mit der Leitung 111 verbunden. Vielmehr ist der Transistor 110 einerseits mit dem Punkt 152 und andererseits mit dem Knotenpunkt 122 verbunden. Dies hat den Vorteil, daß der Spannungsabfall, der am Transistor 12 auftritt, wenn die Kapazität 17 vorgespannt wird, sich in gleichem Maße auf die Kapazität 16 auswirkt. Damit werden Spannungsunterschiede an beiden Kapazitäten 16 und 17 in vorteilhafterweise vermieden.
Die erfindungsgemäßen digitalen Differenzverstärker weisen, wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, weitere Transistoren 20 bis 23 auf. Der Transistor 20, der durch das an seinem Gate 201 anliegende Potential Vp20 steuerbar ist, ist einerseits mit der VersorgungsSpannungsleitung 111 und andererseits mit einem Transistor 22 verbunden. Der Transistor 22. ist einerseits mit dem Transistor 20 und andererseits mit einem Anschluß 222, an dem vorzugsweise Massepotential anliegt, verbunden. Das Gate 221 des Transistors 22 ist mit dem Punkt 24 des Differenzverstärkers verbunden. An diesem Punkt
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76P
24 liegt das Potential U. an. Der Transistor 21 ist einerseits mit dem Punkt 24 und andererseits mit dem Anschluß 212, an dem vorzugsweise ebenfalls Massepotential anliegt, verbunden. Das Gate 211 des Transistors 21 ist mit dem Punkt 25, in dem die Transistoren 20 und 22 in Reihe geschaltet sind, verbunden. Die Transistoren 21 und 22 bilden ein Flipflopr Parallel zu dem Transistor 22 ist der Transistor 23 geschaltet, wobei dieser Transistor durch das Potential Vp«·* an seinem Gate 231 steuerbar ist. Der Transistor 23 ist einerseits mit dem Punkt 25 und anderarseits mit dem Anschluß 232, an dem vorzugsweise wieder Massepotential anliegt, verbunden.
In der Fig. 4 ist das Verhalten des Flipflops in Abhängigkeit von den an den Punkten 24 und 25 anliegenden Spannungen t^ und U22 dargestellt. Die Gerade 26 trennt die beiden stabilen Zustände 28 und 29 voneinander.
Im folgenden soll die Funktion des Flipflops im Zusammenhang mit den Transistoren 23 und 20 zur Verkürzung der Schaltzeit des Differenzverstärkers beschrieben werden. Bis zum Zeitpunkt t, liegt an dem Anschluß 201 des Transistors 20 ein Potential von 0 V und an dem Anschluß 231 des Transistors 23 das Potential Vp2-Z an. Dies bewirkt, daß der Transistor 20 sperrt, der Transistor 23 leitet und am Punkt 25 das Potential 0 V anliegt. Somit liegt ein definierter Ausgangszustand vor. Zum Zeitpunkt t, wird das Flipflop aktiviert. Am Anschluß 201 des Transistors 20 liegt dann das Potential Vp20 und^ am Anschluß 231 des Transistors 23 das Potential 0 V an. Dies bewirkt, daß der Transistor 20 leitet und der Transistor 23 sperrt.
In dem einen Fall, in dem die Spannung U. = V^n - U ist, bleibt der Transistor 22 leitend, auch wenn der Transistor 23 sperrt. Mit dem Aktivieren wird das Flipflop in den s&bilen Punkt 29 (Fig. 4) gesetzt.
In dem anderen Fall, in dem die Spannung U. durch die Stromquelle entladen wird, kippt das Flipflop zum Zeitpunkt t, zunächst wieder in den Punkt 29, da U. anfänglich nur wenig
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entladen ist. Die Entladung des Ausgangsknotens 24 wird zunächst nur durch die Stromquelle 15 bestimmt und U2^ = ^A nimmt ab. Die Spannungen U21 und U22 ändern sich längs der in der Fig. 4 durch Pfeile angegebenen Zustandstrajektorie. überschreitet die Zustandstrajektorie die Separatrix 26, so kann das Flipflop nicht mehr in den Zustand 29 kippen und die Schaltzeit wird ab jetzt im wesentlichen durch die Schaltzeit des Flipflops bestimmt.
Ein symmetrisches Flipflop erhält man, wenn die Schalttransistoren 21 und 22 gleich und die Lasttransistoren 14 und 20 gleich sind. Streuungen der Einsatzspannungen dieser Transistoren verursachen eine Unsymmetrie und eine Verschiebung der Separatrix. Eine Verschiebung des labilen Punktes.27 bedeutet, daß der Zeitpunkt des Umkippens variiert. Die Separatrix wird früher oder später überschritten als beim symmetrischen Flipflop, so daß die Schaltzeit-Verkürzung größer oder kleiner wird.
In der Fig. 3 ist durch den Pfeil 3 die Schaltzeit der Regenerierschaltung ohne das Flipflop und durch den Pfeil 4 die Schaltzeit der Regenerierschaltung mit dem Flipflop eingetragen. Wie ohne weiteres ersichtlich ist, ergibt sich durch das Flipflop eine wesentliche Schaltzeitverkürzung.
Die erfindungsgemäßen Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 können, wie dies in der Hauptpatentanmeldung P 25 41 721.4 beschrieben ist, im Zusammenhang mit Ausgangs- und Eingangsstufen von CCD-Anordnungen Anwendung finden. In dieser Hauptpatentanmeldung sind ebenfalls Stromsenken dargeäbellt, wie sie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Differenzverstärker Verwendung finden. Die Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 können ebenfalls in der in der Hauptpatentanmeldung beschriebenen Technologie aufgebaut sein.
6 Patentansprüche
4 Figuren
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Claims (6)

  1. ,.·*-■ 76p, 70 79 BRD Patentansprüche 2 6 3 1 A 7 1
    '1 J Digitaler Differenzverstärker, insbesondere für Ladungsverschiebeanordnungen nach dem Charge-Coupled-Device-Prinzip, "bei dem ein erster Transistor (11) einerseits mit einem Eingangspunkt (152) verbunden ist, wobei der erste Transistor (11) über seinen Gateanschluß (112) durch ein Potential (Vp11 steuerbar ist, bei dem eine erste Kapazität (16) zwischen dem Eingangspunkt (152) und einem ersten Versorgungsspannungsanschluß vorgesehen ist, bei dem der Gateanschluß (131) eines zweiten Transistors (13).mit dem Eingangspunkt (152) verbunden ist, bei dem der"zweite Transistor (13) einerseits mit dem Ausgang (132) des Differenzverstärkers (1, 10) und andererseits mit einem Punkt (122) verbunden ist, bei dem ein dritter Transistor (12) einerseits mit dem Punkt (122) und andererseits mit einem zweiten Versorgungs spannungämschluß (111) verbunden ist, wobei der dritte Transistor (12) über seinen Gateanschluß (121) durch das Potential (Vp12) steuerbar ist, bei dem eine zweite Kapazität (17) zwischen dem Punkt (122) und dem ersten VersorgungsSpannungsanschluß vorgesehen ist, bei dem der Gateanschluß (141) eines vierten Transistors mit dem Punkt (122) verbunden ist, bei dem der vierte Transistor (14) einerseits mit dem zweiten Versorgungsspannungsanschluß (111) und andererseits mit einem Punkt (24) verbunden ist, bei dem zwischen dem Punkt (24) und dem ersten VersorgungsSpannungsanschluß eine Kapazität (19) vorgesehen ist, und bei dem eine Stromsenke (18) zwischen dem Punkt (24) und einem ersten Anschluß (181) vorgesehen ist, dadurch g e k e η η zeichnet , daß ein fünfter Transistor (21) einerseits mit dem Punkt (24) und andererseits mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluß verbunden ist, daß das Gate (211) des fünften Transistors mit einem weiteren Punkt (25) verbunden ist, daß ein sechster Transistor (20) einerseits mit dem weiteren Punkt (25) und andererseits mit dem zweiten Versorgungsspannungsanschluß (111) verbunden ist, daß ein siebter Transistor (22) einerseits mit dem weiteren Punkt (25) und andererseits mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluß verbunden ist, daß das Gate (221) des siebten Transis-
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    tors (22) mit dem Punkt (24) verbunden ist, wobei der fünfte Transistor (21) und der siebte Transistor (22) ein Flipflop bilden und daß ein achter Transistor (23), der über seinen Gateanschluß (231) steuerbar ist, einerseits mit dem v/eiteren Punkt (25) und andererseits mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluß verbunden ist.
  2. 2. Differenzverstärker nach Anspruch 1,dadurch g e ke η η zeichnet , daß der erste Transistor (11) andererseits 'mit dem Punkt (122) verbunden ist.
  3. 3. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der erste Transistor (11) andererseits mit dem zweiten Versorgungsspannungsanschluß (111) verbunden ist.
  4. 4. Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 Hs 3» dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Eingangspunkt (152) und dem Eingang (151) des Differenzverstärkers (1, 10) ein fünfter Transistor (15), der über seinen Gateanschluß (153) durch den Takt 0 steuerbar ist, vorgesehen ist.
  5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet j, daß der Differenzverstärker (1, 10) in einer Aluminium-Silicon-Technik aufgebaut ist, wobei die Transistoren der Differenzverstärker (1? 10) Feldeffekttransistoren sind.
  6. 6. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 tLs 5 j dadurch gekennzeichnet , daß der Kondensator (16) entsprechend der am Eingangspunkt (152) anliegenden Information entweder auf eine Spannung (U E<CVCC) entladen wird oder wodurch die Spannung (Vcc) am Kondensator erhalten bleibt, daß im Falle einer binären "1" für (U„ <" V ) der zweite Transistor (13) sperrt, weshalb die Spannung (Iwbei gesperrtem dritten Transistor (12) an der zweiten Kapazität (17) als (U = V) erhalten bleibt, und weshalb die Ausgangsspannung (U.) am Ausgang (132) ebenfalls erhalten bleibt, daß im Falle einer binären 88O55 für (Ug ^ Vcc) der zv/eite Transistor (13) eingeschaltet bleibt/ wodurch der
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    vierte Transistor (14) abgeschaltet wird, und wodurch die Stromsenke (13) den Ausgang (132) in Richtung (Vß) entlädt, daß zur Beschleunigung dieses Entladevorganges der sechste Transistor (20) leitend geschaltet und der achte Transistor (23) in den sperrenden Zustand versetzt wird, wodurch das Flipflop (21, 22, 11, 20) aktiviert wird.
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