DE2736326B2

DE2736326B2 - CCD-Subtrahierer

Info

Publication number: DE2736326B2
Application number: DE772736326A
Authority: DE
Inventors: Paul R. Fountain Valley Calif. Prince (V.St.A.)
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1976-09-15
Filing date: 1977-08-12
Publication date: 1979-03-08
Also published as: JPS5727494B2; IT1089841B; AU2740577A; IL52589A0; DE2736326C3; GB1566947A; SE7710259L; AU502883B2; NL7710157A; FR2365245A1; DE2736326A1; JPS5362962A; IL52589A

Description

Die Erfindung betrifft einen CCD-Subtrahierer zur Bildung der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden *5 Signalen, die seriell in Form von Ladungen übertragen werden, mit einem Substrat, das an einer ersten Oberfläche einen Anschluß für ein Bezugspotential und an der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche in Ladungstransportrichtung hintereinander abwechselnd erste und zweite äußere Elektroden und dazwischen erste und zweite vergrabene Elektroden aufweist, und mit einer an die benachbarten ersten äußeren und ersten vergrabenen Elektroden angeschlossenen Taktimpulsquelle.

Zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das eine Differenzfunktion darstellt oder für eine Subtraktion charakteristisch ist, unter Verwendung von ladungsgekoppelten Bauelementen (CCDs), wurde bisher ein Operationsverstärker und ein Kurzzeitspeicher benötigt. Ein Kurzzeilspeicher für große Präzisions-Operationsverstärker hoher Leistung hat jedoch einen typischen Gleichtaktfehler von 60 db, nimmt einen erheblichen Raum in Anspruch und hat eine beträchtliche Wärmeverlustleistung. Eine Vorrichtung, die ausschließlich von ladungsgekoppelten Bauelementen Gebrauch macht und eine Differenzfunktion oder Subtraktion unmittelbar aufgrund vorhandener Ladungen ohne Bedarf an äußeren Kreisen lieferte, würde einen erheblichen technischen Fortschritt darstellen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen CCD-Subtrahierer zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer CCD-Anordnung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß mit den zweiten äußeren und zweiten vergrabenen Elektroden, ausgenommen einer vergrabenen Fühlelektrode, eine Gleichspannungsquelle verbunden ist, während nit der Fühlelektrode ein Aasgangskreis und eine Klemmschaltung zum Festhalten einer sich unter der Fühlelektrode befindenden Ladung verbunden ist, daß mit der Klemmschaltung 56 eine Kiemmspannungsqueile 60 verbunden ist, welche vor dem Auftreten ausgewählter, den ersten Elektroden 25, 27, 37, 38 zugeführter Taktimpulse Φι der Klemmschaltung 56 Klemmimpulse Φα, zuführt, und daß mit der Fühlelektrode 42 eine Kapazität C, gekoppelt ist, in der zu Beginn des dem Klemmimpuls Φα« folgenden Taktimpulses Φι die für eine unter der Fühlelektrode 42 gespeicherte erste Ladung charakteristische erste Signalspannung und am Ende dieses Taktimpuises eine zweite Signalspannung gespeichert wird, die für die Differenz zwischen der unter der Fühlelektrode 42 gespeicherten ersten Ladung und der am Ende des Taktimpulses Φι unter dieser Elektrode vorhandenen zweiten Ladung charakteristisch ist.

Durch die Erfindung wird eine CCD-Einrichtung geschaffen, die bei sehr geringem Leistungs- und Platzbedarf eine Differenzbildung zwischen seriell aufeinanderfolgenden Signalen bei sehr guter Gleichtaktunterdrückung ohne die Verwendung von Differenzverstärkern ermöglicht. Die Fühlelektrode, die als Ausgangsglied benützt wird, wird elektrisch auf einer Bezugsspannung festgeklemmt und dann freigegeben, wenn sich unter ihr eine erste Ladung Q_n- \ in einer Speichermulde befindet. Nachdem die Ladung Q_n-\ aus dieser Mulde herausgetaktet worden ist, wird eine ihrem negativen Wert entsprechende Spannung in der Knotenkapazität gespeichert, die von den Elektroden und der sonstigen Struktur gebildet wird. Wenn die folgende Ladung Q_n in die Potentialmulde getaktet wird, entsteht eine Spannung, die für die Differenz Q_n- Q_n-\ charakteristisch ist. Der erfindungsgemäße Subtrahierer erlaubt nicht nur die Subtraktion benachbarter Ladungen in einem Kanal, sondern auch die Subtraktion von Ladungen, die durch einen oder mehrere Isolierbits getrennt sind, sowie die Subtraktion ausgewählter Ladungen aus dem einen CCD-Kanal passierenden Ladungsstrom. Daher können durch geeignete Zuordnung von Klemmimpulsen zu ausgewählten CCD-Taktimpulsen und die Beobachtung dazwischenliegender Perioden selektive Differenzsignale erhalten werden.

Demgemäß wird durch die Erfindung ein reiner CCD-Subtrahierer geschaffen, der zur Durchführung der Subtraktion eine Fühlelektrode aufweist. Eine bevorzugte Verwendung kann ein solcher CCD-Subtrahierer in Einrichtungen zur Festzielunterdrückung zum Signalvergleich finden, wofür die ausgezeichnete Gleichtaktunterdrückung von besonderem Vorteil ist. Ebenso ist von besonderem Vorteil, daß die Erfindung bei Signalfolgen eine selektive Differenzbildung ermöglicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen schematichen Querschnitt durch einen Abschnitt eines CCD-Subtrahierers mit p-Kanal,

Fig. la eine schematische Draufsicht auf den CCD-Subtrahierer nach F i g. 1,

F i g. 2 ein Diagramm von Spannungen oder Ladungen als Funktion der Zeit zur Erläuterung der Funktion des CCD-Subtrahierers nach Fig. 1,

F i g. 3a bis 3c schematische Diagramme, welche den Potentialverlauf im CCD-Subtrahierer nach F i g. 1 für drei aufeinanderfolgende Zeiten und dadurch den Transport der Ladung von Potentialmulde zu Potentialmulde veranschaulichen,

Fig.4a eine schematische Darstellung eines Abschnittes eines CCD-Subtrahierers nach der Erfindung in drei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten,

Fig.4b ein Diagramm des Potentialverlaufes während der drei in F i g. 4a dargestellten Zustände und die Bewegung der Ladungspakete von Potentialmulde zu Potentialmulde,

Fig.5 ein Diagramm zur Erläuterung der Kapazitäten, die in dem CCD-Subtrahierer nach F i g. 1 vorhanden sind, und deren Funktion während des Subtrahiervorganges,

F i g. 6 ein Diagramm von Spannungen und Orten der Ladung als Funktion der Zeit zur weiteren Erläuterung der kontinuierlichen Subtraktion oder Differenzbildung in dem CCD-Subtrahierer nach F i g. 1,

F i g. 7 ein Diagramm von Spannungen als Funktion der Zeit zur Erläuterung der selektiven Differenzbildung in dem CCD-Subtrahierer nach Fig. 1,

F i g. 8 ein Diagramm von Spannungen als Funktion der Zeit zur Erläuterung der Wirkungsweise des CCD-Subtrahierers nach F i g. 1 in dem Fall, daß zwischen Signalladungen ein Isolationsbit vorgesehen ist,

Fig.9 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Erzeugung der Impulse Φ und Φ&,,

Fig. 10 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ladungs-Subtraktion in einem Dreiphasen-CCD,

Fig. 10a ein Diagramm der Oberflächenpotentiale der drei zeitlich aufeinanderfolgenden Zustände der Struktur nach F i g. 10 und

F i g. 11 ein Diagramm von Spannungen als Funktion der Zeit zur Erläuterung der Wirkungsweise der Dreiphasen-Anordnung nach Fi g. 10.

Der in F i g. 1 im Querschnitt dargestellte Kanal eines ladungsgekoppelten Bauelementes befindet sich in einem Substrat 10, das beispielsweise ein Halbleiter vom η-Typ sein kann. An dieses Substrat ist von einer Quelle 12 eine Bezugsspannung von +5 V angelegt, die einer an der Unterseite des Substrats angeordneten leitenden Platte 14 zugeführt wird. An der Oberseite des Substrats befindet sich eine dünne Oxidschicht 16, die sowohl an ihrer Oberfläche äußere Elektroden aufweist als auch vergrabene Elektroden enthält. An diese Elektroden werden in der Weise Potentiale angelegt, daß Ladungen von links nach rechts von einer Potentialmulde zur anderen befördert werden. Die Elektroden können eine Breite haben, die etwa das Fünffache ihrer Länge in Längsrichtung des Kanals beträgt, wie es in Fig. la dargestellt ist.

Die Ladungen werden in den Kanal durch eine geeigrit;? der in der CCD-Technik bekannten Anordnungen am Anfang des Kanals eingegeben. Die in den Fig. 1 und la dargestellte Anordnung weist zu diesem Zweck einen ρ+ -Diffusionsbereich als Eingangsstruktur auf, wie es Fig. la zeigt, um ein CCD mit p-Kanal zu bilden. Geeignete n + -!ianalbegrenzungen 19 und 21 sind an den Rändern des Substrates 10 vorhanden, wie es Fig. la zeigt, um die Ladungen in dem Kanal zu halten.

Die Erfindung ist in Verbindung mit einer Vierphasen-Struktur mit Einphasen-Antrieb veranschaulicht. Ein von einer geeigneten Quelle 20 geliefertes Signal Φ, wird über eine Leitung 22 u. a. den Elektroden 25,37,27 und 38 zugeführt Ein Gleichspannung-Signal Φ₂ wird von einer geeigneten Quelle 30 über eine Leitung 32 u. a. den Elektroden 24, 36, 26, 28 und 39 zugeführt. Eine vergrabene Fühlelektrode 42, die zum Lesen benutzt wird, ist über eine Leitung 44 mit einem Source-Folger 46 verbunden, der einen FET 48 umfaßL Die Leitung 44 ist mit der Gate-Elektrode des FET 48 verbunden. Die anderen Elektroden des FET 48 sind an geeignete Spannungs- und Stromquellen angeschlossen, so daß auf einer Ausgangsleitung 50 ein Signal V₀₁₁, erzeugt wird. Eine Klemmspannung — V wird von einer Quelle 54 über einen FET 56 der Leitung 44 zugeführt, um ein Bezugspotential zu bilden, das die Operation des Subtrahieren ermöglicht Der FET 56 wird zeitlich durch ein Signal Φ.$α gesteuert, das von einer Quelle 60 geliefert wird, und klemmt die Fühlekktrode 42 fest, wenn sich eine erste Ladung des Subtrahier Vorganges in der Potentialmulde an dieser Stelle befindet Die mit der Leitung 44 gekoppelte Kapazität G, die in F i ?. 1 gestrichelt angedeutet ist, umfaßt die Kapazität des Verstärke* und Streukapazitäten C die Serien-Kapazität Cox der Oxidschicht und die spannungsabhängige Verarmungs-Kapazität Cd- Es sei erwähnt, daß die äußeren Elektroden bei manchen Anordnungen eine geringere Breite haben können als bei der Anordnung nach Fig. la, beispielsweise eine Breite von etwa drei Vierteln der Breite der vergrabenen Elektroden.

In F i g. 2 sind die Signale Φ\ durch eine Kurve 64 und Φ&ι durch eine Kurve 66 dargestellt, die in Verbindung mit dem Gleichspannungs-Signal Φ2 dazu dienen, Ladungen durch den Kanal zu bewegen. Zur Zeit /1 befindet sich eine Signalladung Q„_, die in Fig. 2 auf einer Signallinie 68 dargestellt ist, in der Fühlmulde unter der Fühlelektrode 42, wie es in F i g. 3a dargestellt ist. Zu dieser Zeit wird ein Impuls <&s« gemäß Kurve 66 der Gate-Elektrode des MOSFET-Schalters 56 zugeführt, um neben der Erzeugung der Mulde das Oberflächenpotential der Ladung Q„-\ einzustellen. Wenn der Impuls Φχα gemäß Kurve 66 auf sein Ruhepotential zurückkehrt, bevor der Impuls Φ\ gemäß Kurve 64 beginnt, ist die Leitung 44 isoliert und es nimmt die Kapazität C, die Ladung V/C, auf. Zur Zeit f2 wird der Impuls Φ\ gemäß Kurve 64 den sich an der Oberfläche befindenden oder äußeren Elektroden 24,26 und 28 zugeführt, wodurch die Ladung Q_n-\ zur folgenden Mulde transportiert wird, wie es Fig.3b zeigt.

Da die Ladung (?„-i von ihrem Platz unterhalb der Füh'ele.'.U'ode 42 entfernt wird, muß eine entsprechende Ladung aus dem Kondensator C, entfernt werden, um einen Ladungsausgleich zu erzielen. Daher ist zur Zeit /2 die Spannung auf der Leitung 44, die in F i g. 2 als V44 dargestellt ist, V—Q„-\IC_t. Wenn der Impuls Φ\ gemäß Kurve 64 beendet ist. befindet sich die Ladung Q_n in der Mulde unter der Fühlelektrode 42, wie es in F i g. 3c für die Zeit tj dargestellt ist. Demgemäß beträgt die Spannung an der Kapazität C, nunmehr

V-Q_n.,/C, + Q_nIC₁.

Hierbei handelt es sinh um ein Differenzsignal, das während der in F i g. 2 durch eine geschweifte Klammer angegebenen Zeit ausgelesen werden kann. Demgemäß wird durch Speichern der Spannung V-Q_n-\/C, der

vorhergehenden Ladung in der Elektrodenkapazität beim Zuführen der Ladung Q_n zur Potentialmulde unter o'er Fühlelektrode 42 ein Differen/.signal mit einer sehr guten Gleichtaktunterdrückung erzeugt, da für Qn = Qn-\ das Ausgangssignal im wesentlichen von Q_n unabhängig ist. Ähnlich wird zur Zeit /4, wenn sich die Ladung Q_n in der Potentialmulde unter der Elektrode 42 befindet, der Impuls Φ.^ι gemäß Kurve 66 zugeführt, um das Überflächenpotential in Gegenwart der Ladung Q_n unter der Fühlelektrode 42 festzuhalten, indem die Spannung V-Q_nIC, in der Kapazität C, gespeichert wird. Auf den Impuls Φ\ gemäß Kurve 64 zur Zeit f? wird die Ladung Q_n aus der Mulde unter der Elektrode 42 entfernt, während zur Zeit fe die Ladung Q_n^tIC, zur Mulde unter der Fühlelektrode 42 transportiert wird, so daß als nächstens die Spannung

V ₊ Q_n^IC₁-Q_nIC,

ausgelesen werden kann. Es ist ersichtlich, daß die CCD-Kanalstruktur eine Subtraktion benachbarter Signale ohne Anwendung eines Differenzverstärkers ermöglicht.

Zur weiteren Erläuterung der Arbeitsweise des Subtrahierers wird nunmehr außer auf die F i g. 1 und 2 auch auf die F i g. 4a und 4b Bezug genommen. Zur Zeit U befindet sich die Ladung Q_n-\ in der Fühlmulde, die sich unter der Fühlelektrode 42 befindet, während die Spannung V des Impulses Φ&, gemäß Kurve 66 das Oberflächenpotential der Ladung bestimmt. Zur Zeit f) wird die Ladung Q_n-1 aus der Mulde unter der jo Elektrode 42 entfernt und es wird die Spannung V—Q„-\/C, in der Kapazität C, gespeichert und auf der Leitung 44 gehalten. Zur Zeit /j gelangt die nächste Ladung Q_n in die Potentialmulde unter der Fühlelektrode 42 und es entsteht auf der Leitung 44 die Differenzspannung

V-Q_n-IlC,+Q_nZC₁.

Der effektive Boden der CCD-Potentialmulde ist durch die Spannung an der Elektrode bestimmt. Da sich -to die Spannung an einer isolierten Elektrode ändert, wenn zu der Potentialmulde Ladung hinzugefügt oder aus der Poteniialmulde Ladung entfernt wird, ändert sich entsprechend auch der Boden der Potentialmulde. Diese Änderung des Bodens der Potentialmulde beeinträchtigt in geringem Maße den Dynamikbereich, da normalerweise die Kapazität C, relativ groß im Vergleich zur Kapazität Cj ist. Bei dem in den Fig.4a und 4b veranschaulichten Beispiel sind die Ladungsträger Löcher, so daß zur Zeit t₂ der Boden der Mulde 120 geringfügig niedriger liegt als das Niveau 110 zur Zeit fi. da das Elektrouenpotential selbst um —Q_n-\IC, geändert wurde. Zur Zeit (3 liegt der Boden der Potentialmulde 130 leicht über dem Pegel¹10 zur Zeit ii, weil für Q_n ein größerer Wert angenommen wurde als für Q_n-\. Wenn gemäß Fig.5 der Schalter 56 geschlossen ist, wird durch einen Stromfluß an den gemeinsamen Knoten 44 das Kapazitäten C₃ und C₀₁ eine Spannung von — 10 V angelegt. Wenn dieser Schalter 56 geöffnet wird und der Knoten 44 isoliert ist. fließt Strom über die Kapazitäten C_a und C_o„ um während der Zeit, während der die Ladung die Potentialmulde unter der Fühlelektrode 42 verläßt, eine für die Ladung -Q_n-] charakteristische Spannung zu speichern. Wenn die Ladung Q_n zwischen den Zeiten r₂ und /3 in die Potentialrnulde gelangt, fließt ein Strom über die Kapazitäten C₁ und C_0x, um eine Spannungsänderung zu speichern, die für + Q_n charakteristisch ist. wodurch auf der Leitung 44 eine Differenzspannung erzeugt wird.

In Fig. 6 sind Impulse Φι durch eine Kurve 80 in bezug auf Impulse Φ.&, gemäß Kurve 82 sowie eine Differenzspannung V_n,, gemäß Kurve 84 dargestellt. E; ist ersichtlich, daß die Impulse Φ.*, stets den Impulsen Φ vorausgehen und eine Differenzspannung, wie beispielsweise die Differenzspannungen

(Qn - <?„-i)/C,undf<?„₊i - Q_n)IC,

nach jedem Impuls Φ\ gelesen werden können vorausgesetzt, daß die Vorspannung 0 V beträgt. Be Verwendung einer Vorspannung von 0 V kann die Substratspannung -15 V betragen, während die Taktimpulse zwischen +10V und -10 V variieren. Während der Dauer der Impulse Φ\ nach Kurve 80 befindet sich unter der Fühlelektrode 42 keine Ladung, wril dor kL'in Potential-Minimum herrscht. Es ist demnach ersichtlich, daß mit dem erfindungsgemäßen System be Bedarf kontinuierlich die Differenzen zwischen einer Folge von Signalladungen gebildet werden können.

F i g. 7 zeigt eine Art der Taktgabe, bei der eine erste Ladung von einer oder mehreren ausgewählten Ladungen längs einer Folge von Ladungen, die den Kanal passieren, subtrahiert wird. In F i g. 7 sind die Impulse Φι durch eine Kurve 88 zusammen mit der Spannung dargestellt, die sich aufgrund der unter der Fühlelektrode 42 befindenden Ladung einstellt. Ferner sind durch eine Kurve 90 die Impulse Φ^α veranschaulicht, von denen ein erster Impuls vor dem ersten Impul Φι erscheint, wenn sich unter der Fühlelektrode 42 die Ladung Q_n 1 befindet. Der zweite impuls Φ .sw erschein gemäß Kurve 90, wenn sich die Ladung Q_n, 4 in der Potentialmulde unter der Fühlelektrode 42 befindet, um an der Kapazität C, ein neues Bezugspotentia einzustellen. Während aller Leseperioden zwischen zwei Impulsen Φ.·*-, wird von der Ladung in dei Kapazität C, die Ladung Q_n-\ abgezogen. Diese Operation erfolgt so lange, bis der zweite Impuls Φ
gemäß Kurve 90 erscheint. Auf diese Weise kann jeder Wert zum Subtrahieren von einer Folge von Signalladungen, die durch den Kanal transportiert werden ausgewählt werden. Es sei erneut erwähnt, daß das Auslesen zwischen den negativen Impulsen gemäß Kurve 88 stattfindet.

F i g. 8 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung, be der zwischen jede Subtraktion ein Isolationsbit einge schaltet ist, so daß beispielsweise bei einem Transpon von Ladungen durch viele Zyklen längs des Kanals, be dem die Ladungsübertragung von gewissen Ladungsverlusten begleitet ist, der Ladungsverlust in Herr vorhergehenden Kanal nicht wesentlich den Differenz wert beeinflußt, weil verlorene Ladungen in der Isolierbits erscheinen. Bei dem Isolierbit kann es sich urr eine »fette Null« (fat zero) handeln. Es versteht sich, daf. das Prinzip der Erfindung die Einschaltung jedei beliebigen Anzahl von Isolationsbits zwischen dif voneinander zu subtrahierenden Ladungen umfaßt. Dif Impulse Φ\ gemäß Kurve 100 bilden nach jedem Impuh Φ5« gemäß Kurve 102 zwei Impulse, so daß zu der Zeiten fi und (3 die Spannung unter der Fiihlelektrode 4; jeweils V—Q_nA/C, beträgt Zur Zeit h ist die Spannung in der Potentialmulde

V+(Q_n,- Q_nA)ZC,.
: zur Zeil U ausgele;

V+(Q_nB-Q„_AyC,.

Die Spannung, die zur Zeil U ausgelesen werden kann ist dann

Q„a ist ein Signal A, Q„i ein festes Isolationsbit, bei dem es sich um eine fette Null zuzüglich einer gewissen durch Verluste bei der Übertragung bedingte Restladung handeln kann, und 9„eein Signal B. Zur Zeit h wird der Impuls Φ.*., gemäß Kurve 102 zugeführt. Zur Zeit fe ist die in Abhängigkeit von dem ersten Impuls gemäß Kurve 100 in der Kapazität C, gespeicherte Spannung V— Q(c, :)aICi, während zur Zeit h die Spannung

_|0

beträgt. Zur Zeit ig hat der Impuls Φι gemäß Kurve 100 die Spannung V-CV_n+1 μ/C, an der Kapazität C, zur Folge. Der zur Zeit /9 zum Auslesen zur Verfugung stehende Wert ist

V+ (Q_(n+ i)fl-CV im)/ C₁.

Demgemäß wird durch die Verwendung eines einzigen Isolationsbit eine größere Subtraktionsgenauigkeit erzielt. Wenn eine noch höhere Genauigkeit erforderlich ist, können weitere Isolationsbits benutzt werden. Die Folgefrequenz der Impulse <Pset gemäß Kurve 102 ist gleich der Folgefrequenz der Impulse 0s« gemäß Kurve 100 dividiert durch die um 1 erhöhte Anzahl der Isolationsbits.

Fig.9 zeigt ein Beispiel einer Impulsquelle, welche die Durchführung der verschiedenen, als Beispiel behandelten Subtraktionen ermöglicht. Ein Oszillator 110 führt Signale einem Verzögerungs-Monoflop 112 zu, das seinerseits Signale einem Impulsbreiten-Monoflop 114 zuführt. Ein Takttreiber 116, der zur Amplit iden-Einstellung dient, spricht auf das Ausgangssignal des Impulsbreiten-Monoflop 114 an und bildet die Impulse Φι, welche in den Anordnungen nach den F i g. 2, 6 und 7 benutzt werden können. Für die mit Isolationsbits arbeitende Anordnung nach Fig.8 kann ein zweites Verzögerungs-Monoflop 118 mit dem Ausgang des Verzögerungs-Monoflop 112 gekoppelt sein, das das Signal nacheinander einem zweiten Impulsbreiten-Monoflop 120, einem UND-Glied 122 und einem Takttreiber 124 zuführt. Das UND-Glied 122 «0 empfangt auch ein Eingangssignal von dem Impulsbreiten-Monoflop 114. Die Impulse Φ&, für die drei Anordnungen, die einen sich kontinuierlich wiederholenden Impuls benutzen, also für alle Anordnungen außer derjenigen nach Fig.8, können von einer ⁴' Hintereinanderschaltung eines Verzögerungs-Monoflop 126, eines Impulsbreiten-Monoflop 128 und eines Takttreibers 130 erzeugt werden. Von dieser Hintereinanderschaltung ist das Verzögerungs-Monoflop 126 mit dem Oszillator 110 verbunden. Der Impuls Φ&ι für die Anordnung nach Fig.8, der erscheint, wenn eine Differenzbildung gewünscht ist, kann von eintr Hintereinanderschaltung gebildet werden, die einen mit dem Oszillator 110 gekoppelten, einstellbaren Zähler 138 zur Division um n, ein Verzögerungs-Monoflop 140, ein Impulsbreiten-Monoflop 142 und einen Takttreiber 144 umfaßt. Es versteht sich, daß die in Fig.9 dargestellte Anordnung nur ein zur Erläuterung der Erfindung dienendes Beispiel darstellt und statt dessen jede Anordnung benutzt werden kann, welche die für ^w die Erfindung benötigten Impulse zu liefern imstande ist

Anhand der Fig. 10, 10a und 11 wird nun eine Dreiphasen-Subtrahieranordnung dargestellt, um zu zeigen, daß das erfindungsgemäße Prinzip bei jeder geeigneten CCD-Struktur und bei jeder beliebigen Anzahl von Phasen sowie bei jeder Kombination von Phasen-Impulsen und Gleichspannungs-Signalen anwendbar ist, die für den Transport der Ladungspakete und den CCD-Betrieb benötigt werden. Auf einem Substrat 180 befindet sich eine Platte 182, die an eine geeignete Spannungsquelle ^angeschlossen ist. Auf der der Platte 182 gegenüberliegenden Seite des Substrats sind Elektroden 183 bis 190 angeordnet, denen von geeigneten Quellen Signale Φι, Φι, Φ* Φι, Φ\, eine Gleichspannung DC(^), Φ} und Φ\ zugeführt werden. Die Elektrode 188, bei der es sich um die Fühlelektrode handelt, ist an eine Leitung 192 angeschlossen, die ihrerseits über einen FET 194 mit einer DC^)-QUeIIe 1% verbunden ist. Die Leitung 192 führt auch zu einem Source-Folger 196, um ein Ausgangssignal V₀Ui zu bilden. Bei der dargestellten Anordnung werden die Ladungen durch den Kanal transportiert und es wird an der Fühlelektrode 188 ein Differenzsignal ausgelesen. Wie Fig. 10a zeigt, befinden sich zur Zeit fi, bei der es sich um die Rückstellzeit handelt, Ladungspakete unter den Elektroden 184 und 188, wie es das Potentialprofil 198 zeigt. Zur Zeit b sind die Ladungspakete aufgrund des Impulses Φ3 zu den Mulden unter den Elektroden 186 und 189 geschoben, wie es das Potentialprofil 199 zeigt. Zur Zeit t₃ werden die Ladungspakete mittels des Impulses Φι unter die Elektroden 184, 189 und 190 verschoben, wie es das Potentialprofil 200 zeigt. Zur Zeit U werden die Ladungspakete unter die Elektroden 185 und 188 verschoben, wie es das Potentialprofil 201 veranschaulicht, so daß der Differenzwert an der Fühlelektrode 188 abgelesen werden kann. Dieser Vorgang wiederholt sich fortlaufend in gleicher Weise in Abhängigkeit von den Taktimpulsen.

Wie F i g. 11 im Prinzip zeigt, in der die sich unter der Fühlelektrode 188 befindende Ladung durch eine Linie 204 angegeben ist, wird zur Zeit t\ in Abhängigkeit von dem Impuls Φ&< gemäß Kurve 206 die Spannung V gemäß Kurve 205 an der Knotenkapazität der Fühlelektrode gespeichert, wie es die Kurve 208 veranschaulicht Der Impuls Φ₃ gemäß Kurve 210 bildet die Potentialmulde des Spannungsprofils zur Zeit t₂, während der Impuls Φι gemäß Kurve 214 die Mulde des Spannungsprofils zur Zeit h bildet Zur Zeit fs ist die ladungsbedingte Spannung am Knoten der Fühlelektrode V-<?„_, /C₁.

Wenn zur Zeit U das Ladungspaket Q_n unter die Fühlelektrode 188 gelangt, ist die Knotenspannung an der Fühlelektrode V+ (Q_n-Q_n-^)ZC₁. Hierbei handelt es sich um die Differenzspannung, die oben für den Zweiphasen-Betrieb erläutert wurde. Zur Zeit t'\ wird in Abhängigkeit von dem Impuls Φ sei gemäß Kurve 206 die Spannung Van dem Knoten der Fühlelektrode wieder hergestellt und es findet anschließend der Vorgang der Differenzbildung in der gleichen Weise statt, um die näcl.ste Differenz

V+(Q_n+1-QnVC,

zur Zeit t\ zu bilden. Demgemäß sind die Prinzipien der Erfindung auch bei anderen Strukturen und Treibanordnungen anwendbar, wie beispielsweise bei der Dreiphasen-Struktur nach F i g. 10.

Es wurde demnach ein CCD-Subtrahierer angegeben, bei dem eine Fühlelektrode in Gegenwart einer ersten Ladung auf einem vorbestimmten Potential festgeklemmt wird. Wenn diese Ladung die Potentialmulde unter der Fühlelektrode verläßt und eine zweite Ladung zugeführt wird, wird bei idealer Gleichtaktunterdrükkung das Differenzsignal festgestellt Durch Zuordnung der Rücksieli-Klemmung durch Takten ju ausgewählten CCD-Taktintervallen und Beobachtung während Zwischenzeiten, kann ein für die Differenz zwischen

ausgewählten Ladungen charakteristisches Signal erhalten werden. Ferner kann bei Operationen, bei denen der Wirkungsgrad der Ladungsübertragung ein Problem darstellt, jede beliebige Anzahl von Isolationsbits benutzt werden, indem die Anzahl der Impulse des Signals ¹P] in bezug auf die Impulse 'P.sei gesteuert wird. Das Prinzip der Erfindung kann beispielsweise bei der Feststellung kleinster Signalladungen verwendet werden, die einer großen Hintergrundladung überlagert sind, um bewegte Ziele bei Systemen zur Festzielunterdrückung (MTI) festzustellen.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

CCD-Subtrahierer zur Bildung der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Signalen, die seriell 5 in Form von Ladungen übertragen werden, mit einem Substrat, das an einer ersten Oberfläche einen Anschluß für ein Bezugspotential und an der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche in Ladungstransportrichtung hintereinander abwechselnd erste und zweite äußere Elektroden und dazwischen erste und zweite vergrabene Elektroden aufweist, und mit einer an die benachbarten ersten äußeren und ersten vergrabenen Elektroden angeschlossenen Taktimpulsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß mit den zweiten äußeren und zweiten vergrabenen Elektroden (24, 26, 28 bzw. 36, 39), ausgenommen einer vergrabenen Fühlelektrode (42), eine Gleichspannungsquelle i30) verbunden ist, während mit der Fühlelektrode (42) ein Ausgangskreis (48) und eine Klemmschaltung (56) zum Festhalten einer sich unter der Fühlelektrode (42) befindenden Ladung verbunden ist, daß mit der Klemmschaltung (56) eine Kiemmspannungsqueile (60) verbunden ist, weiche vor dem Auftreten ausgewählter, den ersten Elektroden (25, 27, 37, 38) zugtführter Taktimpulse (Φι) der Klemmschaltung (56) Klemmimpulse (Φς«) zuführt, und daß mit der Fühlelektrode (42) eine Kapazität (C!) gekoppelt ist, in der zu Beginn des dem Klemmimpuls fösa) folgenden Taktimpulses (Φι) die für eine unter der Fühlelektrode (42) gespeicherte erste Ladung ck.rakteristische erste Signalspannung und am Ende dieses Taktimpulses eine zweite Signalspannung gespv rhert wird, die für die Differenz zwischen der unter der Fühlelektrode (42) gespeicherten ersten Ladung und der am Ende des Taktimpulses (Φι) unter dieser Elektrode vorhandenen zweiten Ladung charakteristisch ist.

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