DE2736326C3

DE2736326C3 - CCD-Subtrahierer

Info

Publication number: DE2736326C3
Application number: DE2736326A
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: 1979-10-25
Also published as: JPS5362962A; JPS5727494B2; FR2365245A1; GB1566947A; DE2736326B2; AU502883B2; IL52589A; IL52589A0; DE2736326A1; IT1089841B; SE7710259L; AU2740577A; NL7710157A

Description

Die Erfindung betrifft einen CCD-Subtrahierer zur Bildung der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden 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 hin- so tereinandcr 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 ladung-igekoppelten Bauelementen (CCDs)₁ wurde bisher ein Operationsverstärker und ein Kurzzeitspeicher bcnötigt. Ein Kiirzzeitspeicher für große Präzisions-Operationsverstäirker 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 mit der Fühlelektrode ein Ausgangskreis und eine Klemmschaltung zum Festhalten einer sich unter der Fühlelektrode befindenden Ladung verbunden ist, daß mit der Klemmschaltung 56 eine Klemmspannungsquelle 60 verbunden ist, welche vor dem Auftreten ausgewählter, den ersten Elektroden 25, 27, 37, 38 zugeführter Taktimpulse Φι der Klemmschaltung 56 Klemmimpulse Φ,ϊγ, zuführt, und daß mit der Fühlelektrode 42 eine Kapazität C, gekoppelt ist, in der zu Beginn des dem Klemmimpuls Φ5« folgenden Taktimpulses Φι die für eine unter der Fühlelektrode 42 gespeicherte erste Ladung charakteristische erste Signalspannung und am Ende dieses Taktimpulses 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 db 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„-\ aus dieser Mulde herausgetaklet 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„'m die Potentialmulde getaktet wird, entsteht eine Spannung, die für die Differenz Q_n- Q_n 1 charakteristisch ist. Der erfindungsgemäße Subtrahierer erlaubt nicht nur die Subtraktion benachbarter Ladungen in einem Kanal, sondern auch die Subtrakticn 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

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt eines CCD-Subtrahierers mit p-Kanal,

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

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

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

F i g. 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 Fig.4a dargestellten Zustände und die Bewegung der Laciungspakete von Polentialmulde zu Potentialmulde,

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

Fi 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,

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

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

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

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 Fig. 10 und

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

Der in Fig. 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 geeignete 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 p+-Diffusionsbereich als Eingangsstruktur auf, wie es Fig. la zeigt, um ein CCD mit p-Kanal zu bilden. Geeignete n+-KanaIbegrenzungen 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 übei 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 umfaßt 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 V„_u, 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 Subtrahierers ermöglicht Der FET 56 wird zeitlich durch ein Signal <Psa gesteuert, das von einer Quelle 60 geliefert wird, und klemmt die Fühlelektrode 42 fest, wenn sich eine erste Ladung des Subtrahiervorganges in der Potentialmulde an dieser Stelle befindet. Die mit der Leitung 44 gekoppelte Kapazität C₁. die in F i g. 1 gestrichelt angedeutet ist, umfaßt die Kapazität des Verstärkers und Streukapazitäten C₂, die Serien-Kapazität Cox der Oxidschicht und die spannungsabhängige Verarmungs-Kapazität C* 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 so durch eine Kurve 66 dargestellt, die in Verbindung mit dem Gleichspannungs-Signal Φ2 dazu dienen. Ladungen durch den Kanal zu bewegen. Zur Zeit ?i befindet sich eine Signalladung Q_n \ die in F i g. 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 Φ.*., gemäß Kurve 66 der Gate-Elektrode des MOSFET-Schalters 56 zugeführt, um neben der Erzeugung der Mulde das Oberflächenpolential der Ladung Q_n-\ einzustellen. Wenn der Impuls Φ$_ί/ gemäß Kurve 66 auf sein Ruhepotentia! zurückkehrt, bevor der Impuls Φι gemäß Kurve 64 beginnt, ist die Leitung 44 isoliert und es nimmt die Kapazität C, die Ladung V/C, auf. Zur Zeit ^ 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 Q_n- 1 von ihrem Platz unterhalb der Fühlelektrode 42 entfernt wird, muß eine entsprechende Ladung aus dem Kondensator C, entfernt werden, um einen Ladungsausgleich zu erzielen. Daher ist zur Zeit h die Spannung auf der Leitung 44, die in F i g. 2 als V44 dargestellt ist, V-Q_n-,/C₁. 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 Fig. 3c für die Zeit /3 dargestellt ist. Demgemäß beträgt die Spannung an der Kapazität C, nunmehr

V-Q_n-,/C,+ Q_nIQ.

Hierbei handelt es sich um ein Differenzsignal, das während der in Fi g. 2 durch eine geschweifte Klammer angegebenen Zeit ausgelesen werden kann. Demgemäß wird durch Speichern der Spannung V— Q„-\IC, der

vorhergehenden Ladung in der Elektrodenkapazilät beim Zuführen der Ladung Q_n zur Potentialmulde unter der Fühlelektrode 42 ein Differenzsignal mit einer sehr guten Gleichtaktunterdrückung erzeugt, da für Qn = Qn-\ das Ausgangssignal im wesentlichen von Q_n unabhängig ist. Ähnlich wird zur Zeit U, wenn sich die Ladung Q_n in der Potentialmulde unter der Elektrode 42 befindet, der Impuls 4>sei gemäß Kurve 66 zugeführt, um das Oberflächenpotential in Gegenwart der Ladung Q_n unter der Fühlelektrode 42 festzuhalten, indem die Spannung V-Q_nIQ in der Kapazität C, gespeichert wird. Auf den Impuls Φ\ gemäß Kurve 64 zur Zeit fs wird die Ladung C_n aus der Mulde unter der Elektrode 42 entfernt, während zur Zeit k die Ladung Q_n+]ZC, zur Mulde unter der Fühlelektrode 42 transportiert wird, so daß als nächstens die Spannung

V + Q_{n + 1}IC-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 Zeil ii befindet sich die Ladung Q_n-\ in der Fühlmulde, die sich unter der Fühlelektrode 42 befindet, während die Spannung V des Impulses Φ sä gemäß Kurve 66 das Oberflächenpotential der Ladung bestimmt. Zur Zeit i2 wird die Ladung Q_n-\ aus der Mulde unter der Elektrode 42 entfernt und es wird die Spannung V-Q_n-\IC,'m der Kapazität C, gespeichert und auf der Leitung 44 gehalten. Zur Zeit h gelangt die nächste Ladung Q_n in die Potcntialmulde unter der Fühlelektrode 42 und es entsteht auf der Leitung 44 die Differenzspannung

V-Q_n. ,/C₁+Q_nIC₁.

Der effektive Boden der CCD-Potentialmulde ist durch die Spannung an der Elektrode bestimmt. Da sich die Spannung an einer isolierten Elektrode ändert, wenn zu der Potentiaimulde Ladung hinzugefügt oder aus der Potentialmulde 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_a relativ groß im Vergleich zur Kapazität Cd ist. Bei dem in den Fig.4a und 4b veranschaulichten Beispiel sind die Ladungsträger Löcher, so daß zur Zeit I7 der Boden der Mulde 120 geringfügig niedriger liegt als das Niveau 110 zur Zeit ij, da das Elektrodenpotential selbst um — Q_n <IC·. geändert wurde. Zur Zeit h liegt der Boden der Potentialmulde 130 leicht über dem Pegel 110 zur Zeit U, weil für Q_n ein größerer Wert angenommen wurde als für Qn-\- Wenn gemäß Fig. 5 der Schalter 56 geschlossen ist, wird durch einen Stromfluß an den gemeinsamen Knoten 44 das Kapazitäten C_a und C_0x eine Spannung von — 10 V angelegt. Wenn dieser Schalter 56 geöffnet wird und der Knoten 44 isoliert ist, fließt Strom über die Kapazitäten C, und C_0x, 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 t₂ und h in die Potentialmulde gelangt, fließt ein Strom über die Kapazitäten C₃ 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 Φ\ durch eine Kurve 80 in bezug auf Impulse Φ sei gemäß Kurve 82 sowie eine Differenzspannung V_ou, gemäß Kurve 84 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Impulse Φ sei stets den Impulsen Φ\ vorausgehen und eine Differenzspannung, wie beispielsweise die Differenzspannungen

(Qn - Qn-X)I'C,Und Ca₊I - Qn)IC,

nach jedem Impuls Φι gelesen werden können, vorausgesetzt, daß die Vorspannung 0 V beträgt. Bei 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 Φι nach Kurve 80 befindet sich unter der Fühlelektrode 42 keine Ladung, weil dort kein Potential-Minimum herrscht. Es ist demnach ersichtlich, daß mit dem erfindungsgemäßen System bei 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 Φ\ 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.ν« veranschaulicht, von denen ein erster Impuls vor dem ersten Impuls Φι erscheint, wenn sich unter der Fühlelektrode 42 die Ladung Q_n 1 befindet. Der zweite Impuls Φ .«,·,., erscheint gemäß Kurve 90, wenn sich die Ladung Q_n+t in der Potentialmulde unter der Fühlelektrode 42 befindet, um an der Kapazität C, ein neues Bezugspotential einzustellen. Während aller Leseperioden zwischen zwei Impulsen Φ sei wird von der Ladung in der Kapazität C, die Ladung Q_n. \ abgezogen. Diese Operation erfolgt so lange, bis der zweite Impuls Φ sei 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, bei der zwischen jede Subtraktion ein Isolationsbit eingeschaltet ist, so daß beispielsweise bei einem Transport von Ladungen durch viele Zyklen längs des Kanals, bei dem die Ladungsübertragung von gewissen Ladungsverlusten begleitet ist, der Ladungsverlust in dem vorhergehenden Kanal nicht wesentlich den Differenzwert beeinflußt, weil verlorene Ladungen in den Isolierbits erscheinen. Bei dem Isolierbit kann es sich um eine »fette Null« (fat zero) handeln. Es versteht sich, daß das Prinzip der Erfindung die Einschaltung jeder beliebigen Anzahl von Isolationsbits zwischen die voneinander zu subtrahierenden Ladungen umfaßt. Die Impulse Φι gemäß Kurve 100 bilden nach jedem Impuls Φς& gemäß Kurve 102 zwei Impulse, so daß zu den Zeiten U und (3 die Spannung unter der Fühlelektrode 42 jeweils V— Q_nAlC, beträgt. Zur Zeit ?2 ist die Spannung in der Potentialmulde

V + (Qn, - QnA)ZC,.

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

V+(Q_nB-QnA)I C,.

QnA 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 Q_nB ein Signal B. Zur Zeit is wird der Impuls Φςα gemäß Kurve 102 zugeführt. Zur Zeit tt ist die in Abhängigkeit von dem ersten Impuls gemäß Kurve 100 in der Kapazität C, gespeicherte Spannung V— Q(„₊ \)aIC,, während zur Zeit ti die Spannung

V+(Qf_n+I)I-Qf_n+1)AVC, _|0

beträgt. Zur Zeit fe hat der Impuls Φ, gemäß Kurve 100 die Spannung V-CW ,μ/C, an der Kapazität C, zur Folge. Der zur Zeit fa zum Auslesen zur Verfügung stehende Wert ist

V + (CWi)B- CWim)/C^-,-

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 Φβα gemäß Kurve 102 ist gleich der Folgefrequenz der Impulse Φ&, gemäß Kurve 100 dividiert durch die um 1 erhöhte Anzahl der Isolationsbits.

Fig.9 zeigt ein Beispiel einer Impulsquelle, weiche 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 Amplituden-Einstellung dient, spricht auf das Ausgangssignal des Impulsbreiten-Monoflop 114 an und bildet die Impulse Φ,, 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 «o empfängt auch ein Eingangssignal von dem Impulsbreiten-fvlonoflop 114. Die Impulse Φ§α für die drei Anordnungen, die einen sich kontinuierlich wiederholenden Impuls benutzen, also für alle Anordnungen außer derjenigen nach Fig.8, können von einer 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 Φλ-, für die Anordnung nach F i g. 8, der erscheint wenn eine Differenzbildung gewünscht ist kann von einer 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 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 Vangeschlossen ist. Auf der der Platte 182 gegenüberliegenden Seite des Substrats sind Elektroden 183 bis 190 angeordnet, denen von geeigneten Quellen Signale Φ3, Φι, Φ2, Φί, Φ\, eine Gleichspannung DC^₂), Φ3 und Φι 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^₂)-QuelIe 196 verbunden ist. Die Leitung 192 führt auch zu einem Source-Folger 196, um ein Ausgangssignal V_ou, 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 .'1, bei der es sich um die Rückstellzeit handelt Ladungspakete unter den Elektroden 184 und 188, wie es das Potentialprofil 198 zeigt. Zur Zeit (2 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 £4 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 fi in Abhängigkeit von dem Impuls vsci 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 fe, während der Impuls Φι gemäß Kurve 214 die Mulde des Spannungsprofils zur Zeit (3 bildet Zur Zeit (3 ist die ladungsbedingte Spannung am Knoten der Fühlelektrode V-Q_n-, /C,.

Wenn zur Zeit U das Ladungspaket Q_n unter die Fühlelektrode 188 gelangt ist die Knotenspannung an der Fühlelektrode V+ (Q„-Q„-\)IC,. 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 nächste Differenz

V + (Qn^-Qn)IC

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 Rückstell-Klemmung durch Takten zu 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 Φι in bezug auf die Impulse 'Psci gesteuert wird.

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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 (30) 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 Klemmspannungsquelle (60) verbunden ist, welche vor dem Auftreten ausgewählter, den ersten Elektroden (25, 27, 37, 38) zugeführter Taktimpulse (Φι) der Klemmschaltung (56) Klemmimpulse (Φ&ι) zufuhr), und daß mit der Fühlelektrode (42) eine Kapazität (C₁) gekoppelt ist, in der zu Beginn des dem Klemmimpuls (Φ5«) folgenden Taktimpulses (Φι) die für eine unter der Fühlelektrode (42) gespeicherte erste Ladung charakteristische erste Signalspannung und am Ende dieses Taktimpulses 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 Elekfode vorhandenen zweiten Ladung charakteristisch ist.

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