DE2703317A1

DE2703317A1 - Ladungsgekoppelte korrelatoranordnung

Info

Publication number: DE2703317A1
Application number: DE19772703317
Authority: DE
Inventors: Yves Hubert; Nourredine Lakhoua; Raymond Poirier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-01-30
Filing date: 1977-01-27
Publication date: 1977-08-04
Also published as: GB1555202A; US4103333A; JPS5294051A; FR2339934A1; FR2339934B1

Description

Die Erfindung betrifft eine neue ladungsgekoppelte, d.h. mit Ladungsverschiebung arbeitende Korrelatoranordnung, mit der das Korrelationsprodukt P von zwei Signalen S. und S gebildet werden kann, wobei das Signal S gespeichert wird und das Signal S sich im Verlauf der Zeit ändert.

Die Anordnung nach der Erfindung ist insbesondere bei analogen Signalen anwendbar und nutzt die Eigenschaften der Ladungsverschieberegister ("Charge-Coupled Devices" oder CCD im englischen Sprachgebrauch) aus. Bekanntlich sind solche Register

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die analogen Äquivalente der Digital register. Sie enthalten mehrere Stufen. Jede Stufe enthält ein analoges Signal. Einerseits verschiebt unter der Einwirkung von Taktimpulsen jede Stufe das Signal, welches sie gespeichert hat, zu der nächsten Stufe und andererseits empfängt die erste Stufe bei jedem Taktimpuls den Augenblickswert des Signals, das zu speichern ist und das definitionsgemäß zeitabhängig ist.

Ladungsgekoppelte Korrelatoranordnungen sind bereits vorgeschlagen worden. Sie sind im allgemeinen kompliziert und liefern nicht direkt das Korrelationsprodukt.

Die ladungsgekoppelte Korrelatoranordnung nach der Erfindung weist zwei Ladungsverschieberegister auf, von denen das erste das zu speichernde Signal und das zweite das sich in Abhängigkeit von der Zeit ändernde Signal empfängt.

Sie ist gemäß der Erfindung vor allem dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsverschiebeelektroden des zweiten Registers Abmessungen haben, die viel kleiner sind als die des ersten Registers.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschalttild einer Korrelatoranordnung,

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Fig. 2 im Schnitt eine Stufe eines Ladungsvei—

Schieberegisters ,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Aus

führungsbeispiels der Korrelatoranordnung nach der Erfindung,

Fig. 4 ein Diagramm, welches in Abhängigkeit von

der Zeit die verschiedenen Signale zeigt, die in der Anordnung auftreten,

Fig. 5 im Querschnitt auf der Höhe einer Ausgangs

elektrode das Register nach der Erfindung, und

Fig. 6 in Draufsicht ein zweites Ausführungsbei

spiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist das Unifilardiagramm einer Korrelatoranordnung dargestellt, die in der Lage ist, das Korrelationsprodukt von zwei Signalen S und S zu bilden, von denen das Signal S sich beständig in Abhängigkeit von der Zeit ändert und das Signal S gespeichert wird.

Das Diagramm enthält zwei mit Ladungsverschiebung arbeitende Schieberegister R und R , wie weiter oben dargelegt.

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-y-

Diese beiden Register werden jeweils durch einen Taktgeber H bzw. H gesteuert und empfangen an ihren Eingängen analoge Signale S und S . In jedem Register wird bei jedem Taktimpuls einerseits das zur Zeit t abgetastete Signal S oder S in der ersten Stufe gespeichert und andererseits geht das aufgezeichnete Signal S oder S zur Zeit t - T (T ist die Periode der Taktimpulse) zur nächsten Stufe. In dem Fall der Erfindung ist das Register R , nachdem alle seine Stufen gefüllt sind, d.h. nach sechs Taktimpulsen "eingefroren", d.h. es hört auf Information zu empfangen. Es hält so das Signal S gespeichert, d.h. die Werte, die das Signal zu den Zeiten t, t - T, ..., t - 6T hatte.

Das Register R fährt fort, im Takt T seines Taktgebers H zu arbeiten. Die Stufen E und F der Register R und R

P P 1 2

sind mit den beiden Eingängen einer Multiplizierschaltung P

(p = 1, 2, 3, 4, 5 und 6) verbunden, deren Ausgänge mit den sechs Eingängen einer Summierschaltung Σ verbunden sind. Für das Ausgangssignal P(t) dieser Summierschaltung kann geschrieben werden:

P(t) = Σ S₂ (t - J) S₁ (χ)

wobei χ jeden Wert von 1 bis 6 in dem betreffenden Beispiel annehmen kann und wobei ν die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals in dem Register R ist, d.h. der Kehrwert von T, wobei T seine Taktgeberperiode ist, so daS außerdem geschrieben

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werden kann:

P(t) = Σ S₂ (t - xT) S₁ (χ)

X — Ij · · · £ O

Durch die Erfindung soll eine solche Anordnung mit zwei Ladungsverschieberegistern geschaffen werden.

Fig. 2 zeigt im Längsschnitt eine Registerstufe der in der Anordnung nach der Erfindung benutzten Art.

Fig. 3 zeigt ein solches Register in perspektivischer Darstellung.

Die beiden Register enthalten jeweils dasselbe Halbleitersubstrat 1 eines bestimmten Leitungstyps. Auf dieses Substrat ist eine Oxidschicht 2 aus Siliciumdioxid SiO aufgebracht. Das Substrat besteht aus Silicium und die Oxidschicht bedeckt nur den rechten Teil des Substrats. Das Substrat ist beispielsweise ein P-leitendes Substrat. In das nicht von Oxid bedeckte Gebiet des Substrats sind zwei Gebiete entgegengesetzten Leitungstyps, im vorliegenden Fall N-leitende Gebiete, d.h. Zonen 21 und 22 eindiffundiert oder implantiert, welche mit dem Substrat Dioden mit gleichrichtendem Übergang bilden. An diese Dioden werden die Signale S und S angelegt, die die beiden Dioden

in Sperrichtung vorspannen, nämlich die Signale S = — + s D 12 1

und S₂ = - + S₂.

Auf dem Substrat sind zwischen den beiden Registern P -leitende Isolierstreifen 3 eindiffundiert, die sich an der Oberfläche

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des Substrats, das die Form eines langgestreckten Parallelflachs hat, parallel zu dessen großen Seiten erstrecken. Diese Streifen, die eine Isolierwand bilden, isolieren die beiden Register voneinander. Auf der Oxidoberfläche 2 sind für jedes Register Metallisierungsstreifen angeordnet, von denen jeder mit dem Substrat eine MOS (Metall-Oxid-Halbleiter)-Struktur bildet. Es wird angenommen, daß es sich bei beiden Registern um 2-Phasen-Register handelt.

Sie enthalten zu allererst jeweils eine Gateelektrode, die bei dem Register R mit der Bezugszahl 31 und bei dem Register R mit der Bezugszahl 32 bezeichnet ist. Diese Gateelektrode ist mit dem Synchronisierungstaktgeber des entsprechenden Registers verbunden.

Darauf folgen in den beiden Registern die Phasenelektroden 111, 112 für die ersten Stufen des einem bzw. des anderen der beiden Register, die gemeinsame Aus gangs elektrode 110 der beiden Stufen, dann die Phasenelektroden 211, 212 der beiden zweiten Stufen und die Aus gangs elektrode 210, usw.

Die Elektrode 210 ist mit der Sourceelektrode eines ersten MOS-Transistors 201 verbunden, dessen Drainelektrode mit der gemeinsamen Vorspannungsquelle der Ausgangs elektroden verbunden ist, und die Gateelektrode empfängt aus dem Taktgeber Steuerimpulse Φ , die das Entspe-ren dieses Transistors

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-t -

gestatten. Dasselbe gilt für die Elektroden 110, 310, usw. Die Gateelektrode wird während der Impulse Φ auf ein

festes Potential gebracht, während ihr Potential während der übrigen Zeit festpunktlos ist. Die Änderungen dieses Potentials liefern das Ausgangssignal. Wenn die Gateelektrode auf dem festen Potential ist, ist der Transistor 201 leitend und die Elektrode 210 ist auf dem Potential V.

Das Ausgangssignal wird an der Gateelektrode eines zweiten Transistors 202 abgenommen, dessen Sourceelektrode mit der Ausgangsstufe und dessen Drainelektrode mit einer Stromversorgungsbatterie V verbunden ist.

al

Die Arbeitsweise der Anordnung wird anhand des Zeitdiagramms von Fig. 4 verständlich.

Zu den Zeiten t + T, t + 2T, t + nT liegen positive Impulse Φ an der Elektrode 211 an. Diese Impulse bewirken die Ladung verschiebung von der vorhergehenden Stufe zur nächsten Stufe.

Diese Impulse haben eine Amplitude von 2V. Die in der vorhergehenden Stufe gespeicherten Ladungen gehen in die auf diese Weise unter dieser Elektrode erzeugte Potentialmulde.

Diese Impulse haben alle die gleiche Dauer, nämlich die Dauer T.

Zu den Zeiten t + ΔΤ, t + T + ΔΤ werden Impulse Φ an die

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Gateelektrode des Transistors 201 während einer Zeit T angelegt. Die Elektrode 210, die normalerweise ein festpunktlas es Potential hat, wird mit ihrer Stromversorgungsquelle verbunden. Am Ende der Impulse φ wird die Verbindung mit der Elektrode unterbrochen und die Ladungen werden sich in einer Potentialmulde unter der Elektrode 210 befinden, wobei der Kondensator, den sie mit der Siliciumoxidschicht und dem Substrat bildet, aufgrund des Vorhandenseins von Ableitungswiderständen noch nicht entladen ist.

Das Potential V der Elektrode 210 wird festpunktlos und nimmt einen Wert V - AV an, wobei AV von freien Ladungen abhängig ist, die von der Elektrode 211 stammen, wie weiter unten deutlich werden wird.

Diese Ausgangsspannung steuert die Gateelektrode des Transistors 202 und ändert seine Leitfähigkeit. Die veränderliche Spannung V (Kurve III) wird durch einen Widerstand

R in einen veränderlichen Strom I umgewandelt. c s

Der Mechanismus der Anordnung nach der Erfindung wird in Fig. 5 deutlich, die im Querschnitt die in Fig. 3 dargestellte Anordnung auf der Höhe der Elektrode 210 zeigt. Unterhalb der Oxidschicht sind die beiden Sperrzonen zu erkennen, die durch die Signale — + s bzw. — + s erzeugt worden sind.

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Daraus ergeben sich zwei Kapazitäten C und C , in denen die Beläge die metallische Schicht 210 und die beiden Verarmungszonen sind, von denen die eine dem Signal s. entspricht, das konstant ist, während die andere dem Signal s, entspricht, das sich bei jedem Taktschritt ändert.

Es wird angenommen, daß diese Veramnungszonen ein Potential mit demselben Mittelwert D/2 und mit ein und demselben Maximalwert D haben.

Der Ankunft des Signals s unter der Elektrode 210 entspricht eine elektrische Ladung AQ und es gilt AQ = C fc- + s ).

Gemäß der Erfindung haben die Elektroden, die das sich in Abhängigkeit von der Zeit ändernde Signal empfangen, Abmessungen, die größenordnungsmäßig zehnmal kleiner sind als die, die das starre Signal enthalten, und infolgedessen gilt C » C

Dieser Ladung AQ entspricht eine Änderung des Potentials Elektri

AV =
si C di
(entsprechend der Elektrode 210) ist und wobei gilt:

der Elektrode 210
AQ
C
wobei C die Gesamtkapazität des halben Schrittes des Registers

Γ Γ

W V-/ .

oder, wenn s nicht zu groß ist,

s.

= C₂ (= +
und

s₁ ^{+ κ}'<¹⁺έγ>]

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Lediglich das letzte Glied ist von Nutzen. Das erste Glied hängt nicht von der Zeit ab, dagegen hängt das zweite von der Zeit ab.

Es ist vorteilhaft, es zu eliminieren. Das erreicht man gemäß der Erfindung mit Hilfe der Anordnung, die in Fig. 6 in Draufsicht dargestellt ist.

Diese Anordnung enthält, integriert auf ein und demselben Substrat, zwei Anordnungen, die der von Fig. 3 gleich sind.

Sie enthält außerdem vier Register, wobei für jedes Register nur zwei Schritte dargestellt sind. Diese Register R - R , T - T sind paarweise gleich und sie werden durch die gleichen Impulse gesteuert.

Eine gemeinsame Leitung fuhrt die Impulse Φ den Registern R und T zu, während eine weitere gemeinsame Leitung die Impulse Φ den Registern R und T zuführt.

Das Register R ist eingefroren, wie in dem vorhergehenden Fall und das Register T empfängt kein Signal; es bleibt also leer und für es gilt: s =0.

Die beiden Anordnungen arbeiten auf Verstärker A und B und diese beiden Verstärker arbeiten auf eine Schaltung Σ » die Differenz der beiden Signale bildet.

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D K'

Es verbleibt dann am Ausgang AV = C — K' s + C —- s s und die Differenzschaltung ergibt:

P <t) =Σ C₂- S₁ (χ)

χ = 1 ... η

+ Σ C₂ ^ S₁ (χ) S₂ (t - J

χ = 1 ... η

Das erste Glied, das nicht von der Zeit abhängig ist, stört nicht, und das zweite Glied ist das gesuchte Korrelationsprodukt.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche :

(jly Ladungsgekoppelte Korrelatoranordnung, mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Register, von denen jedes eine Stufenfolge und in jeder Stufe eine Ausgangselektrode enthält, die in dem Zeitpunkt des Übergangs der Ladungen von dieser Stufe zu der nächsten mit einem festen Potential verbunden ist und normalerweise von diesem Potential getrennt ist, wobei das erste Register in jeder dieser Stufen die Ladungen enthält, die nach der Speicherung einem in Abhängigkeit vön'der Zeit starren Signal entsprechen, und wobei das zweite Register ein Signal empfängt, das sich in Abhängigkeit von der Zeit ändert und im Takt eines Taktgebers abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden des zweiten Registers Abmessungen haben, die gegenüber denen des ersten Registers klein sind, und daß die Ausgangselektroden jeder Stufe beiden Registern gemeinsam sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei gleiche erste und zwei gleiche zweite Register aufweist, daß die beiden ersten Register parallel die beiden sich in Abhängigkeit von der Zeit ändernden Signale empfangen, daß von den beiden zweiten Registern das eine das starre Signal und das andere ein Signal Null empfängt, daß die ersten und zweiten Register zwei Paare miteinander bilden und daß die Ausgangssignale der beiden Paare an ev">e Subtrahierschaltung angelegt werden, deren Ausgang direkt jas Korrelationsprodukt abgibt.

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ORIGJNAL INSPECTED
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Register auf ein und demselben Substrat integriert sind, daß das Substrat ein Halbleitersubstrat eines vorbestimmten Leitungstyps ist, daß eine Isolierschicht das Substrat bedeckt, daß die Phasenelektroden jedes Registerpaars einander gegenüberliegen und daß die Gesamtheit dieser Elektroden aus auf die Isolierschicht aufgebrachten MetalIisierungen besteht.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ausgangselektrode einerseits über einen elektrisch gesteuerten Schalter mit einer elektrischen Potentialquelle und andererseits mit einem Spannungs-Stromwandlersystem verbunden ist, daß Taktimpulse den Schalter schließen und daß die von den Spannungs-Stromwandlern kommenden Ströme dem Eingang eines Verstärkers zugeführt und summiert werden.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter MOS-Transistoren sind, deren Sourceelektrode mit der Stromversorgungsquelle verbunden ist, deren Drainelektrode mit den Aus gangs elektroden und deren Gateelektrode mit einer Impulsquelle verbunden ist, die in der Lage ist, die Transistoren zu sperren.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Stromwandler MOS-Transistoren sind, deren Gateelektroden mit den Aus gangs elektroden, deren Sourceelektroden mit den Summierschaltungnverbunden sind und deren Drainelektrode mit einer Stromversorgungsquelle verbunden ist.

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