DE2753358B2 - Ausgangsschaltung für Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelemente - Google Patents
Ausgangsschaltung für Ladungsübertragungs-HalbleiterbauelementeInfo
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Description
ίο Die Erfindung betrifft eine Ausgangsschaltung für ein
als Transversalfilter arbeitendes Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelement mit die eine erste und eine zweite
Gruppe von Elektrodensegmenten bilden, von denen die der ersten Gruppe je mit einem ersten Bauelement
ausgangsanschluß und die der zweiten Gruppe je mit
einem zweiten Bauelementausgangsanschluß verbunden sind, bei der der erste und der zweite Bauelementausgangsanschluß mit einem ersten bzw. zweiten
Eingangsanschluß eines ersten Differenzverstärkers
verbunden sind.
Es gibt allgemein zwei Grundarten von Ladungsübertragungs-Halbleiterbaueiementen: ladungsgekoppelte
Halbleiterbauelemente (CCD: charged coupled devices) und Eimerketten-Halbleiterbauelemente (BBD: bucket
brigade devices). Beide Arten können zur Übertragung von Ladungspaketen verwendet und in Form eines
Transversalfilters aufgebaut werden, d fr, in Form einer mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitungsanordnung mit geeignet gewichteten Ausgängen. Ein solcher
ίο Filter enthält viele Stufen, typischerweise im Bereich
von 10 oder mehr. Jede Stufe besitzt eine hier Spaltelektrode genannte aufgetrennte Elektrode mit
zwei Elektrodensegmenten zum Abfühlen des Ladungspaketes in dieser Stufe. Typischerweise sind die Längen
r> (h und h) der beiden Segmente einer solchen
Spaltelektrode in einer gegebenen Stufe gekennzeichnet durch ein Verhältnis r=/|/fe, und zwar in
Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Parameter für diese Stufe, der als »Abgriffsgewicht« bekannt ist;
4» dagegen ist die Summe der Längen j7i + h) der beiden
Segmente einer Spaltelektrode für alle solche Spaltelektroden gleich und entspricht der Breite des Ladungs-Ubertragungskanals. Das effektive Abgriffsgewicht r,
dieser Stufe ist dann gegeben durch:
Ein Elektrodenscgment (l\) einer jeden Spaltelektrode
ist ohmisch mit einem ersten gemeinsamen Ausgangsanschluß des Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelements verbunden, und das andere Elektrodensegment
(h) einer jeden Spaltelektrode ist ohmisch an einen zweiten gemeinsamen Ausgangsanschluß des Ladungsübertragungs- Halbleiterbauelements angeschlossen.
Zur einfacheren Beschreibung werden alle Elektrodensegmente, die mit dem ersten gemeinsamen Ausgangsanschluß verbunden sind, als eine »erste Gruppe« von
Führereiektroden bildend bezeichnet und alle Elektrodensegmente, die mit dem zweiten gemeinsamen
Ausgangsanschluß verbunden sind, werden als eine »zweite Gruppe« von Fühlerelektroden bildend bezeichne!,
Wahrend des Betriebs eines solchen l.adungsiiberlra
gungs-H:ilblei(eibauclements des .Sp^ltclcktrodcntyps
existiert eine Folge periodischer Zeitintervalle, während welcher jedes dieser Spaltelcktrodcnscgmcnle empfindlich ist gegenüber dem entsprechenden darunterliegenden Ladungspaket im Halbleiterkörper, utv.l /war
aufgrund induzierter elektrischer Spicgclladungcn. so
daß en den Ausgangsanschlflssen von erster und zweiter
Fühlerelektrcdengruppe periodisch Signale (S\ bzw. &)
entstehen. Jedes dieser Signale ist proportional zur Summe der verschiedenen Ladungspakete, die unter
allen verschiedenen Fühlerelektroden dieser Gruppe liegen, wobei jedes dieser Pakete durch das entsprechende
Abgriffsgewicht multipliziert ist. Das gewünschte Ausgangssignal des Bauelements ist dann die Folge
momentaner Differenzen zwischen den Signalen, die periodisch wäh. end der genannten Zeitintervalle an den
beiden Ausgangsanschlüssen entwickelt werden; &h, das gewünschte Ausgangssignal (S\ -S2) für ein
gegebenes Zeitintervall ist proportional zu
im Gemeinschaftssignal (S\+St) auf den
Fühlerelektrodengnippen:
Fühlerelektrodengnippen:
ΣΟ,-Ü + n)/2 +
beiden
Dabei ist r,- das effektive Abgriffsgewicht der Spaltelektrode der /-ten Stufe, und Q,- ist das Ladungspaket
in der /-ten Stufe während des gegebenen
Zeitintervalls.
Damit ein Transversalfilter richtig arbeitet, ist es
wichtig, daß eine irr wesentlichen lineare Jeziehung
zwischen dem Eingangssignal und dem entsprechenden Ausgangssignal besteht. Bei einem als Transversalfilter
arbeitenden Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelement ist es somit wichtig, eine lineare Beziehung nicht
nur zwischen Ladungspaket und entsprechendem Eingangssignal sondern auch zwischen Ladungspaket
und entsprechendem Ausgangssignal zu haben. Die Spannung an einer Fühlerelektrode an eines solchen
Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelements hat jedoch einen wichtigen Einfluß auf die Breite der
Verarmungsschicht in dem unter der Elektrode liegenden Halbleiterkörper; folglich hat die Spannung
an einer Fühlerelektrode einen wichtigen Einfluß auf die Spiegelladung, die in der Fühlerelektrode durch ein
darunter im Halbleiterkörper liegendes Ladungspaket induziert wird, und zwar aufgrund der Neigung eines
jeden Ladungspaketes, einen Teil seiner Ladung über die Verarmungsschicht in den Halbleiterkörper (anstatt
in die Fühlerelektrode) abzubilden, und zwar in Abhängigkeit von der örtlichen Verarmungsschichtbreite
(und folglich von der Verarmungsschichtkapazität). Da die Spannung an einer gegebenen Fühlerelektrode
in einer Fühlerelektrodengruppe von der Ladung abhängt, oie durch die verschiedenen Ladungspakete,
die unter allen anderen Elektroden dieser Gruppe liegen, induziert wird, beeinflussen die unter allen diesen
anderen Fühlerelektroden liegenden Ladungspakete i'nerwünschterweise die Spiegelladung, die durch
irgendein unter der gegebenen Fühlerelektrode liegendes Ladungspaket induziert ist. Somit ist die Beziehung
zwischen dem Ladungspaket in einer gegebenen Stufe auf die in der darüoerliegenden Fühlerelektrode
induzierte Spiegelladung gegenüber dem Idealwert verzerrt, d. h., das Ausgangssignal ist nicht der
gewünschte Wert, da das Ausgangssignal nicht proportional zur Darstellung der Gleichung (I) ist. Diese
unerwünschte Erscheinung wird »Übersprechen < genannt und verursacht rine Verzerrung des Ausgangssignals.
Ein Maß fur die durch die Auswirkungen des »Ubcrsprechens« vcnirsiii.hu (icsanitvcr/errung im
Ausgangssignal zu einem gegebenen /citpunkt isl die
Gesamtsumme «Her Ladungen, die momentan in allen Ladungspaketen in dem Transversalfilter vorhanden
sind. Diese Gesamtsuniiie aller Ladungen spiegel! -,ich
Dieses Gemeinschaftssignal ist gewöhnlich groß im Vergleich zum gewünschten Differenzsignal, Daher
wird das Feststellverfahren schwierig, da das relativ kleine Differenzsignal (Gleichung 1) beim Vorhandensein
eines relativ großen Gemeinschaftssignal (Gleichung 2) festgestellt werden muß, R. D. Baertsch et. al,
haben in dem Aufsatz »The Design and Operation of Practical Charge-Transfer Transversal Filters«, veröffentlicht
in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.
ED-23, Nr. 2,Seiten 133-141, Februar 1976, Ausgangsschaltungen
für ein als Transversalfilter arbeitendes ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement der eingangs
genannten Art beschrieben. Bei allen diesen Schaltungen muß das Differenzsignal jedoch durch einen
Verstärker festgestellt werden, der auch das Gemeinschaftssignal verarbeiten muß. Dad .rch werden kostspielige
und unbequeme Schaltungselemente und Schaltungsaufbauten notwendig.
Demzufolge ist es Aufgabe der Erfindung, die durch
2t das Gemeinschaftssignal verursachte Verzerrung in
einem ils Transversalfilter arbeitenden Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelement
der eingangs genannten Art durch eine weniger kostspielige Ausgangsschaltung als beim vorstehend geschilderten Stand der Technik zu
to unterdrücken.
Diese Aufgabe wird bei einer Ausgangsschaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß wenigstens
der zweite Bauelementausgangsanschluß mit einem ersten Eingangsanschluß eines zweiten Differenzver-
i"> stärkers verbunden ist, der einen zweiten Eingangsanschluß
entgegengesetzter Polarität für den Anschluß an eine Quelle festen Potentials besitzt und einen
Ausgangsanschluß aufweist, der über einen ersten und einen zweiten Kondensator mit gleicher Kapazität mit
■to dem ersten bzw. zweiten Bauelementausgangsanschluß
verbunden ist.
/.usführungsbeispiele der Erfindung werden im
folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
·'> F i g. 1 ein schematisches elektrisches Schaltbild einer
Ausgangsschaltung gemäß einem ersten Ausfuhningsbeispiel
der Erfindung,
F i g. 2 ein schematisches elektrisches Schaltbild einer Ausgangsschaltung gemäß einem anderen Ausführungs-
'<' beispiel der Erfindung,
Fig. 3 eine teils schemaiisches. teils bildhafte
Darstellung eines Ladungsübertragungs-Kalbleiterbuueleinents
zusammen mit einer Ausgangsschahung gem^fJ einem weiteren Ausführungsbcispiel der Erfin-
>"> dung,
Fig.4 ein clekt~ischcs Schaltbild eines Verstärkers,
der sich bei den in Fig. 2 und J gezeigten Schaltungen
verwenden läßt, und
F i g. 5 ein Diagramm, das den Zeitplan verschiedener
wi angelegter Spannungen zeigt, die zum Betreiben der in
den F i g. 2 und 3 gezeigten Schaltungen nützlich sind.
Fig.] zeigt eine Ausgangsschaltung 100 /um
Abfühlen der Ausgangssignale eines ladjngsgckoppclten
Halbleiterbauelements (CCD) 20 Diese Ausgangs-
h~< signale ireten in Komi elektrischer Spannungen an
Ausgangsanschlüssen 21.1 und 22.1 auf. von denen jeder
mit einer anderen Gruppe von f-'ühlcrelekiroden
verbunden ist. wobei jedes F;ühlcrelektr<>(lenpaar die
bekannte CCD-Spallclcktrodenkonfiguration aufweist.
Diese Anschlüsse 21.1 und 22.1 sind mit Sammelleitungen 21 bzw. 22 verbunden. Die Differenz der
Spiegclladungen auf den Leitungen 21 und 22 zu Zeilen, während welcher die Ladungspakete im CCD 20
unterhalb der CCD-Spaltelektroden (d. h. de,· Fühlelektroden, im Gegensatz zu anderen CCD-Übertragungselektroden)
vorhanden sind, ist das gewünschte Ausgangssignal.
Das Gemeinschaftssignal auf den Leitungen 21 und 22 wird mit Hilfe eines Differenzverstärkers 30 unterdrückt,
von dessen Eingangsanschlüssen einer (ein positiv summierender Anschluß) mit einer festen
Spannungsquelle V, und der andere (ein negativ summierender Anschluß) mit einer Ausgangsleitung 22
verbunden ist. Der Ausgangsanschluß dieses Verstärkers 30 ist über Rückkopplungskondensatoren 31 und 32
zu den Ausgangsleitungen 21 bzw. 22 rückverbunden. Um möglichst viel vom Gemeinschaftssignal zu
eliminieren, ist es wichtig, daß die Kapazitäten dieser Rückkopplungskondensatoren 31 und 32 soweit wie
möglich gleich sind, z. B. für eine Gemeinschaftssignalunterdrückung von etwa 6OdB innerhalb etwa 0,1%
gleich: d. h., obwohl der absolute Wert ihrer Kapazitätswerte nicht kritisch ist, ist es wichtig, daß das. Verhältnis
ihrer Kapazitäten innerhalb der Toleranz für einen Gemeinschaftssignalhintergrund im gewünschten Ausgangssignal
gleich Eins ist. Zudem sollten diese Kapazitätswerte so gewählt werden, daß das Maximalsignal am Ausgangsanschluß des Verstärkers 30 (das
beim Auftreten des Maximalsignals des CCD erzeugt wird) an die Signalverarbeitungskapazität des Verstärkers
30 angepaßt ist.
Andererseits ist zur Feststellung des Differenzsignals ein Differenzverstärker 40 vorgesehen, von dessen
Eingangsanschlüssen einer (der positiv summierende Anschluß des Verstärkers 40) mit der Leitung 22 und der
andere (ein negativ summierender Anschluß des Verstärkers .40) mit der Leitung 21 verbunden ist.
Überdies dient ein Rückkopplungskondensator 41, der den Ausgangsanschluß des Differenzverstärkers 40 mit
der Ausgangsleitung 21 verbindet, als integrierender Kondensator für das Differenzsignal, das vom Differenzverstärker
40 festgestellt worden ist; ein Kondensator 42 verbindet die Ausgangsleitung 22 mit einer
Festspannungsquelle V2. Die Kondensatoren 41 und 42 sind so gewählt, daß der Verstärker 40 das größte
erwartete Differenzsignal verkraften kann. Somit sind die Kondensatoren 41 und 42 gewöhnlich recht klein im
Vergleich zu den Kondensatoren 31 und 32. Ein Ausgangsanschluß des Verstärkers 40 ist mit einem
Verbraucher 70 zum Ermitteln und Benutzen des Ausgangssignals dieses Verstärkers verbunden.
Während des Betriebes der in F i g. 1 gezeigten Schaltung wird das relativ große Gemeinschaftssignal
der Fühlerelektroden durch den Verstärker 30, der über die Rückkopplungskondensatoren 31 und 32 wirksam
wird, unterdrückt Dadurch wird der Spannungspegel aller an Leitung 22 angeschlossener Fühlerelektroden
auf den festen Wert von V1 gebrach L Die Spannung auf
L eitung 21 dagegen wird auf die Spannung auf Leitung 22 gebracht, und zwar aufgrund der Rückkopplungssignalausgabe
des über den Rückkopplungskondensator 41 wirkenden Differenzverstärkers 40. Somit wird die
Spannung auf Leitung 21 ebenfalls auf den festen Wert von V1 gebracht; folglich geschieht der Vorgang des
Ermitteins der Ladungspakete im CCD bei einem festgelegten Arbeitspunkt der Ausgangsschaltung. Das
Differenzsignal wird effektiv vom Kondensator 41 integriert und ist zur Ausnutzung am Ausgangsanschluß
des Differenzverstärkers 40 verfügbar. Selbstverständlich kann in dem Verbraucher 70 eine Abtast- und
-Haltevorrichtung eingefügt werden, die das Ausgangssignal während derjenigen Zeitintervalle abtastet,
welche zum Ermitteln von Ladung unter den Fühlerelektroden des CCD geeignet ist, und die diesen Wert
des Ausgangssignals hält, bis der nächste Abtastwert gewonnen ist, wodurch ein glatteres Ausgangssignal
geliefert wird.
Andererseits sei in Verbindung mit der Schaltung 100 der F i g. 1 bemerkt, daß sich aufgrund thermischen oder
anderen Rauschens im CCD über eine Zeitdauer im Größenbereich einer Stunde oder dergleichen beträchtliche,
jedoch unbeabsichtigte, falsche Ladungsdifferenzen in den (ichwebenden) CCD-Fühlerelektroden
aufbauen können. Um das entsprechende falsche Ausgangssignal zu unterdrücken, sollten geeignete
Maßnahmen getroffen werden, wie periodisches Kurzschließen der Ausgangsleitung 21 mit der Ausgangsleitung
22. Solche Maßnahmen werden in der in Fig. 2 gezeigten Ausgangsschaltung 200 automatisch durchgeführt.
Wie F i g. 2 zeigt, enthält die Ausgangsschaltung 200 viele Elemente, die mit solchen, die zuvor bei der
Erläuterung der Fig. I beschrieber worden sind, im wesentlichen identisch sind, und demzufolge sind diese
Elemente mi.t den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Die Ausgangsschaltung 200 umfaßt einen Differenzverstärker
60 mit drei Eingangsanschlüssen, so daß das Ausgangssignal dieses Verstärkers proportional zu
V- 1/2 (V22+ V21) ist, wobei V21 und V22 die Potentiale
der Ausgangsleitungen 21 bzw. 22 sind. Folglich wird bei dem Verstärker 60 das Gemeinschaftssignal noch weiter
unterdrückt, da die Fühlerelektroden so zurückgestellt werden, daß das arithmetische Mittel ihrer Potentiale
auf den festen Wert Vi gebracht wird. Eine typische Schaltung für einen solchen Verstärker ist in Fig.4
gezeigt, die weiter unten in größeren Einzelheiten beschrieben ist. Eine Steuerschaltung 90 liefert Betriebsspannungen
(wie Taktimpulse) für das CCD 20, und zwar über elektrische Leitungen 71, und steuert
elektrische Schaltelemente (typischerweise IGFET) 34, 35, 76, 77 und 52 über elektrische Leitungen 72, 73
und 74 (die durch gestrichelte Linien dargestellt sind). Die Schalterelemente 34 und 35 werden periodisch
während »Rücksetz«-Intervallen geschlossen, um die Streuladungen zu neutralisieren. Kondensatoren 43 und
44 dienen einer korrelieren Doppelabtastun^, die nachstehend vollständiger beschrieben ist, um »Rücksetz«-Rauschen
zu unterdrücken, das durch das Schalten der Schalterelemente 34 und 35 verursacht wird, d h„
das bekannte ArTC-Rauschen (k = Boltzmann-Konstante; T = absolute Temperatur; C = Kapazität,
hauptsächlich der Spaltelektroden). Die Kondensatoren 43 und 44 sollten genügend groß sein, um die
Eingangsspannungen des Differenzverstärkers 40 selbst beim Vorhandensein von Schaltspitzen konstant zu
halten, die durch kapazitives Leiten der Schalterelemente 76 und 77 verursacht werden. Typische Werte für die
Kondensatoren 43 und 44 liegen im Bereich von 3 Pikofarad, und diese Kondensatoren sind innerhalb
weniger Prozent gleich. Als Teil des nachfolgend ausführlicher beschriebenen korrelierten Doppelabtastvorgangs
hüllt das Schalterelement 76 die Spannung (sowohl während des Rücksetzvorgangs der Schalterelemente
34 und 35 als auch während einer kurzen
Zeildauer danach) am Knoten 45 auf V0. Gleichermaßen
bildet das Schalterelement 77, wenn es geschlossen ist. eine RiickkopDlungsschleife um den Differenzverstärker 40, und es ermöglicht damit die Einstellung der
Spannung am Knoten 46 auf V0. Das Schalterelement 52 ermöglicht periodisch die Weitergabe des Ausgangssignals an einen Ausgangsverstärker 50, um das
gewünschte Ausgangssignal an den Verbraucher 70 zu liefern. Ein Kondensator 51 dient zur Erdung dieses
Ausgangssignals in einer herkömmlichen »Abtast- und Halte«- Konfiguration.
Fig.3 zeigt eine Ausgangsschaltung 300 zum Ermitteln der Ausgangssignale eines CCD, das in
einigen Einzelheiten gezeigt ist. Aus Gründen der Klarheit sind lediglich die über der isolierenden Schicht
liegenden Elektroden zusammen mit schattierten Bereichen gezeigt, die darunterliegende diffundierte
Halbleiterzonen andeuten. Bei einem N-Kanal-CCD weisen diese schattierten Zonen N + -Leitfähigkeit auf,
und zwar aufgrund eines Überschusses von Donatorstörstellen im ansonsten P-leitenden Halbleiterkörper,
typischerweise eines Überschusses an Phosphorstörstellen in Silicium. Es sei bemerkt, daß das CCD und die
Fühlschaltung 300 vorteilhafterweise auf einem einzigen einkristallinen Siliciumsubstrat integriert sind. Viele
Elemente der Fig. 2 und 3 sind im wesentlichen identisch und deshalb sind diese Elemente mit den
gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
Genauer ausgedrückt umfaßt das CCD der Fig.3
mehrere Elektroden: eine Eingangsgateelektrode 302; eine gespaltene Abschirmgateelektrode mit einem Paar
Segmente, die durch einen leitenden Draht oder eine Elektrode 303.1 miteinander verbunden sind; Abschirmgateelektroden 307, 311 und 315; von einer ersten
Taktphase (P1) getriebene Elektroden 305,309 und 313;
von einer zweiten Taktphase (Pi) getriebene Elektroden 306, 310 und 314; und eine Meßelektrode 304, die von
der festen Spannungsquelle Vi gesteuert wird. Die Abschirmgateelektroden 303, 307, 311 und 315 werden
auf einem festen Potential Vsg gehalten. Wie bekannt, ist jede Elektrode von einer Hauptoberfläche eines
darunterliegenden Halbleiterkörper (der lediglich zum Zweck der Klarheit der Zeichnung nicht dargestellt ist)
durch eine Oxidschicht, typischerweise aus Siliciumdioxid, auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat getrennt.
Das CCD umfaßt außerdem mehrere mit Störstellen (durch Diffusion oder Implantation) dotierte Zonen:
eine Eingangsdiode 301; eine Abschirmgatezone 303.5, die zwischen den getrennten Segmenten der gespaltenen Abschirmgateelektrode 303 angeordnet ist; und
eine Ladungspaketsenkenzone 316.
Zusätzlich kann wahlweise, angrenzend an eines oder beide Segmente der gespaltenen Abschirmgateelektrode 303, eine N+-Störstellenzone 303.2, die mit einer
hohen positiven Spannung VDD beaufschlagt ist, dazu
dienen (genau nach der Übertragung von Ladung in die unter der Elektrode 303 liegende Halbleiterzone)
irgendwelche möglicherweise vorhandene Überschußladungen abzuleiten, die sich ansonsten unter der
Abschirmgateelektrode 303 sammeln könnten. Die schattierten Bereiche, die diffundierte Halbleiterzonen
zwischen Spaltelektroden 308.1, 308.2 und 312.1, 312.2
darstellen, sind aufgrund des Fehlens einer Maske gegen deren Bildung während der »selbstausrichtenden«
Einführung von Dotierstoffen zur Bildung der anderen
N+-Zonen vorhanden; diese N+-Zonen zwischen den Spaltelektrodensegmenten im Körper des CCD beeinflussen die Arbeitsweise jedoch nicht wesentlich. Der
Verstärker 60 ist mit einem zweiten Ausgangsanschluß 62 versehen, der ein gleichspannungsverschobenes
Ausgangssignal erzeugt, das in F i g. 3 symbolisch durch eine Gleichspannungsquelle 66 dargestellt ist. Diese
j Quelle ist zwischen den Ausgangsanschluß 61 und die Schalterelemente 34 und 35 zu dem Zweck eingefügt,
den Arbeitspunkt des Verstärkerausgangs am Anschluß 61 auf einen weniger positiven Wert zu setzen, um für
diesen Verstärker 60 in Abhängigkeit von negativ
in gerichteten Signalen auf den Ausgangsleitungen 21 und
22 einen größeren linearen dynamischen Bereich zu erhalten.
Während des Betriebes steuert eine Signalquelle 320 das Potential der Eingangsdiode 301. Die Spannung an
der Eingangsgateelektrode 302 erlaubt periodisch einer Ladung gemäß diesem Signal von der Eingangsdiode
durch die Abschirmgatezone 303.5 zur Halbleiterzone unterhalb der Meßelektrode 304 zu fließen. Im
speziellen FaU kann dieses Kiieöen während der positiv
gerichteten Impulsphasen des Eingangssignals IG (F i g. 5) auftreten. Die Ladung ist dann unter der
Meßelektrode eingefangen, sobald der /G-Impuls aufhört, und es ist diese Ladung, die von der
Meßelektrode 304 für die Übertragung zum Rest des
CCD ausgemessen wird, und zwar gemäß dem
solchermaßen abgetasteten Signal. Sobald danach der positiv gerichtete Impuls von P\ an die Elektrode 305
geliefert wird, wird das auf diese Weise gemessene Ladungspaket zu der unter der Elektrode 305 liegenden
Halbleiterzone übertragen. Wenn danach der nächste positiv gerichtete Impuls durch Pi an die Elektrode 306
geliefert wird, wird dieses Ladungspaket zu der unter dieser Elektrode 306 liegenden Halbleiterzone übertragen. Wenn danach der positive Impuls bei Pi aufhört,
ü wird das I ,adungspaket durch die unter der Abschirmgateelektrode 307 liegende Halbleiterzone zu der unter
dem Spaltelektrodenpaar 308.1 und 308.2 liegenden Halbleiterzone übertragen; zu diesem Zeitpunkt beginnt die Übertragung des gewünschten Ausgangssi-
gnals vom Ladungspaket, mittels einer elektrischer Spiegelladung auf den Spaltelektroden, auf die einzelnen Ausgangsleitungen 21 und 22. Zu diesem Zeitpunkt
wird der Schalter 52 geschlossen (Fig.5), um diese Ausgangssignale abzutasten. Dieser Schalter 52 wird
geöffnet, bevor der nächste positiv gerichtete fi-Impuls
die unter den Spaltelektroden 308.1 und 308.2 liegenden Ladungspakete zu der Halbleiterzone überträgt, die
unter der (durch P\ gesteuerten) Elektrode 309 liegt Während der Schalter 52 geschlossen bleibt, sind die
so Ausgangsleitungen 21 und 22 natürlich auch empfindlich gegenüber anderen Ladungspaketen (falls vorhanden),
die dann unter den anderen Spaltelektroden liegen, wobei diese anderen Ladungspakete zuvor durch
frühere Eingangssignale erzeugt worden sind.
Typische Spannungen (gegenüber dem Halbleiterkörper) der verschiedenen Spannungsquellen sind, lediglich
beispielsweise, etwa folgende:
V0 | = Obis 8 Volt |
60 Vs | - 11 Volt |
V2 | = OVoIt (Erde) |
V3 | = 17VoIt |
= 17VoIt | |
Vsg | = 8VoIt |
65 V1G | = 5 Volt passive, 13 Volt aktive Phase |
Pi | = 5 Volt passive, 13 Volt aktive Phase |
Pi | = 5 Volt passive, 17 Volt aktive Phase |
S | = 9 Volt (±2 Volt Signal) |
Wie ferner in F i g. 5 gezeigt ist. werden die Schalterelemente 34 und 35 periodisch während
geeigneter »Rücksetzw-Intervalle geschlossen gehalten,
um die Spaltelektroden auf dem gewünschten Potential zu halten. Die Schalterelemente 76 und 77 werden
ebenfalls während dieser »Rücksetzw-Intervalle und zusätzlich für ein kurzes Zeitintervall danach während
der aktiven Pi.ase von Pi geschlossen, um das
Rücksetzrauschen (aufgrund von kTC) auszuschalten, das auf den Leitungen 21 und 22 resultiert, wenn die
Schalterelemente 34 und 35 am Ende eines jeden »Rücksetzw-Intervalls plötzlich geöffnet werden. Zu
diesem Zeitpunkt sind die Schalterelemente 76 und 77 noch geschlossen, so daß der Ausgang des Differenzverstärkers
40 auf dem gewünschten Potential VO gehalten wird. Selbst nachdem die Schalterelemente 76 und 77
geöffnet worden sind, bleiben die jeweiligen Rücksetzrauschspannungen über den Kondensatoren 43 und 44
opcnpirhprt unrl rlpr Λιιςσαησ Ηρβ Vprctärlrprc 40
C--I ■· ο ο ·--
befindet sich noch auf V0. Anschließend erscheinen die
Ausgangssignale des CCD auf den Leitungen 21 und 22, wodurch entsprechende Signale an die Eingangsanschlüsse
des Verstärkers 40 angelegt werden, die von den früheren irTC-Rauschspannungen unabhängig sind.
Es sei angemerkt, daß jeder der Kondensatoren 41 und 42 vorteilhafterweise in Form einer mäander- oder
fingerförmigen Elektrode hergestellt sein sollte, die vom Halbleitersubstrat durch die gleiche Art von Oxidschicht
wie die Spaltelektroden getrennt ist. Zudem werden diese Elektroden für diese Kondensatoren
vorteilhafterweise gleichzeitig mit den und aus der gleichen Art Elektrodenmaterial wie die Spaltelektroden
und mit der gleichen Elektrodenbreite hergestellt, so daß diese beiden Kondensatorelektroden näherungsweise
den gleichen Fehlausrichtungen sowie dem gleichen Über- und Unterätzen (und folglich den
gleichen entsprechenden Kapazitätsänderungen) wie die Spaltelektroden ausgesetzt sind. Auf diese Weise
erhält man eine bessere Kontrolle über die Gesamtfilterverstäikung
(die von den Kapazitätsverhältnissen der Kondensatoren 41 und 42 zu den Spaltelektrodensystemen
des CCD abhängt).
Fig. 4 zeigt ein typisches Schaltbild für den ϊ Verstärker 60. Feldeffekttransistoren mit isoliertem
Gate (IGFETs) 402, 405 und 406 bilden zusammen mit Last-IGFETs 403 und 404 und einer Stromquelle 401
eine differ<:ntielle Vorverstärkerstufe, die ein Paar
herkömmlicher Operationsverstärker 407 und 408 in
κι Kaskadenschaltung speist. Die Ausgangsleitungen 21 und 22 des CCD liefern ein Signal an die Gatee'.ektroden
der Transistoren 405 und 406, während die feste Gleichspannungsquelle Vi an die Gateelekirode des
Transistors 402 angeschlossen ist. Auf diese Weise ist
Ii das an den Knoten 61 gelieferte negativ rückkoppelnde
Signal proportional zu Vi - 1/2 (V2I + V22), wie es für den
Verstärker 60 gewünscht ist. Aufgrund dieser negativen Rückkopplung wird das Potential an denselben
Elektroden wiederhergestellt, d.h.: (V2, 4- Vn)Il — V1.
2(i Dadurch viiird dsa Gemeinschaftssignal (V21 + V22)
eliminiert.
Anstelle der CCD-Eingangskonfiguration der Elektroden 302 und 303 kann die Eingangsschaltung für das
CCD so beschaffen sein, wie es in der deutschen
2> Patentanmeldung P 27 40 142.9 beschrieben ist. Natürlich
können die verschiedenen Verstärker, Kondensatoren und Transistoren in der Ausgangsschaltung 300
vorteilhafterweise alle auf demselben Halbleiterkörper wie das CCD selbst integriert werden. Um im CCD der
in Fig.3 Linearität zwischen Ausgangssignal und Eingangssignal
zu erhalten, ist es wichtig, daß die Elektrode 304 und das unter ihr liegende Oxid geometrisch im
wesentlichen identisch zu jeder der Spaltelektroden ist (wobei die Zwischenräume zwischen jedem Elektroden-
J) segmentpaair an die Zone 303.5 angepaßt sind, um
nichtlineare Verzerrungen minimal zu machen). Schließlich versteht es sich, daß anstelle des CCD 20 ein
ladungsgekoppeltes Eimerketten-Halbleiterbauelement verwendet werden kann.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Ausgangsschaltung für ein als Transversalfilter
arbeitendes Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelement mit Spaltelektroden, die eine erste und eine
zweite Gruppe von Elektrodensegmenten bilden, von denen die der ersten Gruppe je mit einem ersten
Bauelementausgangsanschluß und die der zweiten Gruppe je mit einem zweiten BauelementausgangsanschluB verbunden sind, bei der der erste und der
zweite Bauelementausgangsanschluß mit einem ersten bzw. einem zweiten Eingangsanschluß eines
ersten Differenzverstärkers verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der
zweite Bauelementausgangsanschluß (22.1) mit einem ersten EingangsanschluB eines zweiten
Differenzverstärkers (30, 60) verbunden ist, der einen zweiten Eingangsanschluß entgegengesetzter
Polarität für den Anschluß an eine Quelle (V\) festen
Potentials besitzt und einen Ausgangsanschluß (61) aufweist, der über einen ersten und einen zweiten
Kondensator (31 und 32) mit gleicher Kapazität mit dem ersten bzw. dem zweiten Bauelementausgangsanschluß (21.1 bzw. 22.1) verbunden ist
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangsanschluß des ersten
Differenzverstärkers (40) über einen dritten Kondensator (41) mit dem ersten Bauelementausgangsanschluß (21.1) verbunden ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dal>
der zweite Bauelementausgangsanschluß (22.1) über ein-jn viel ^n Kondensator (42)
mit einer zweiten Quelle festen Potentials (Vi)
verbunden ist
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten von erstem und
zweitem Kondensator (31 und 32) innerhalb einer Toleranz von etwa 0,1% gleich sind und im
Größenbereich der halben Summe der Kapazitäten der ersten plus zweiten Elektrodensegmentgruppen
liegen.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten von erstem und
zweitem Kondensator (31 und 32) innerhalb einer Toleranz von etwa 0,1 % gleich sind.
6. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die EingangsanschlUsse des ersten
Differenzverstärkers (40) mit dem ersten und dem zweiten Bauelementausgangsanschluß (21.1 bzw.
22.1) durch einen vierten und einen fünften Kondensator (43, 44) verbunden sind und daß eine
erste Schaltervorrichtung (77) vorgesehen ist, mit der der erste Eingangsanschluß dieses Differenzver·
stärkers periodisch mit dessen Ausgangsanschluß zu verbinden ist (F i g. 2 und 3).
7. Schaltung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine zweite elektrische Schaltervorrichtung
(34, 35), mit der der erste Bauelementausgangsanschluß (21.1) periodisch mit dem zweiten Bauelementntisgangsnnschltiö (22.1) zn verbinden ist
(Fig. 2und 5).
8. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Differenzverstärker (60)
wenigstens drei F.ingangsanschlüssc aufweist, von denen der dritte mit dem ersten Bauclcmentnusgangsiinschluß (21.1) verbunden ist und die gleiche
Summierungspolarität wie der erste Kingangsan
sohluß aufweist, und daß die Quelle (V\) festen
Potentials mit einer Elektrode (304) zur Ladungsübertragung in einer Eingangsstufe des Ladungsübertrsgungs-Halbleiterbauelements verbunden ist
(F ig. 3).
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