DE2820836C2

DE2820836C2 - Ladungsgekoppeltes Rekursivfilter

Info

Publication number: DE2820836C2
Application number: DE19782820836
Authority: DE
Inventors: Jean Luc St.Egreve Berger
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-05-13
Filing date: 1978-05-12
Publication date: 1983-11-17
Also published as: FR2390857B1; GB1596336A; DE2820836A1; FR2390857A1

Description

Die Erfindung betrifft ein ladungsgekoppeltes Rekursivfilter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Ein ladungsgekoppeltes Filter dieser Art wird in der DE-AS 27 18 093 vorgeschlagen.

Ein ladungsgekoppeltes Filter, das häufig auch als Transversalfilter bezeichnet wird, besteht aus einem Halbleitersubstrat, das mit einer Isolierschicht überzogen ist Auf dieser Isolierschicht sind Elektroden angeordnet, die durch Anlegen von periodischen gegebenen Potentialen den Weitertransport der elektrischen Ladungspakete, die das zu verarbeitende Signal darstellen, bewirken. Diese Elektroden sind gegenseitig parallel und quer zur Richtung des Ladungstransportes angeordnet Einige unter ihnen sind quer in zwei ungleiche Teile unterteilt und die Ladungen, die unter diesen Elektroden ankommen, wrden differentiell gelesen, um eine Signalbewertung durchzuführen. Das Differenzsignal stellt das Ausgangssignal des Filters dar. das bei einem Rekursivfilter von neuem am Eingang in das Filter injiziert wird und zu dem eigentlichen Eingangssignal ad-.tiiertwird.

Bei dem Filter der eingangs genannten Gattung müssen die vorgenannten Verfahrensschritte, nämlich Differenzbildung zwischen den Signalen, die von den beiden jeweiligen Teilen einer unterteilten Elektrode kommen, Reinjektion des Differenzsignals und Summation dieses Signals und des Eingängssignals, rr.it getrennten Baugruppen durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rekursivfilter der einleitend angegeben Art zu schaffen, bei dem die verschiedenen zur Durchführung der genannten Operationen erforderlichen Teile euf ein und demselben Substrat integriert sind.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Funktion eines ladungsgekoppelten Rekursivfilters,

Fig.2 einen Ausführungsform eines Filters gemäß der Erfindung,
Fig.3 Schaubilder von Eingang·*Signalen des Filters, Fig.4 Schemata zur Erläuterung der Arbeitsweise des Filters gemäß der Erfindung.

Im Blockschaltbild der Fig. 1 ist durch den Block 10 ein klassisches ladungsgekoppeltes Filter angedeutet, das Elektroden enthält, die abwechslungsweise unterteilt und nicht unterteilt sind. Durch Anlegen von periodischen Potentialen werden die Ladungspakete, die das zu verarbeitende Signal darstellen, weiter transportiert.

Bei einem solchen Filter müssen die Ladungen unter den unterteilten Elektroden ausgelesen werden, um die Differenz der entsprechenden Signale zu bilden: dies ist durch die Blöcke 12 und 13 angedeutet, die Ladungsauslcseschaltungen darstellen. Sie lesen die Ladungen in den oberen Teilen der unterteilten Elektroden (oben bezogen auf die Darstellung in F i g. 2), die der Einfachheit halber im folgenden als Minuselektroden bezeichnet werden, und die Ladungen unter den unteren Elektroden, die der Einfachheit halber Pluselektroden genannt werden. Dieses Auslesen der Ladungen kann in bekannter Art und Weise als Stromauslesung oder Spannungsauslesung erfolgen; Yorteilhafterweise wird die Auslesung so durchgeführt wie in der FR-PA 77-13 857 beschrieben.

Die Signale 5- und 5+, die durch die Ausleseschaltungen 12 und 13 erzeugt werden, werden einer Schaltung 14 zugeführt, die daraus die Differenz CS; bildet, welches Signal das Ausgangssignal des Filters darstellt.

Bei einem Rekursivfilter wird dieses Ausgangssignal

abgezweigt und erneut in das Filter 10 zur gleichen Zeit

l· wie das Eingangssignal E eingeführt, zu dem es addiert <i wird. In dem Schaltbild der F i g. 1 wird der Injektionsvi Vorgang des Eingangssignales, d. h. die Umsetzung eines ;j elektrischen Analogsignals in einen Abtastwert, der % durch eine Ladungsmenge dargestellt ist, von einem i| Wandler 16 durchgeführt Der Arbeitsschritt der Rein-Ϊ; jektion des Ausgangssignales 5 wird von einem Wandfe ler 17 und die Addition der beiden Signale durch einen }ΐ). Schaltblock 11 durchgeführt, der an das Filter 10 angefC schlossen ist

IJ F i g. 2 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform

.^t eines ladungsgekoppelten Rekursivfilters gemäß der H Erfindung, bei dem die Ladungen mit Hilfe der Technik ff; der Ladungskopplung transportiert werden (derartige x Filter werden in der angelsächsischen Literatur >|. Charge-Coupled Devices oder CCD-Schaitungen ge-& nannt).

K Das FSter besteht aus einem Halbleitersubstrat aus

'' Silizium beispielsweise, und einer Isolierschicht (Siliziumoxyd beispielsweise), auf der Elektroden quer zur Bewegungsrichtung OZder Ladungen in dem Halbleiter angeordnet sind.

Die Vorrichtung besteht aus zwei Teilen, die durch die Gerade Aufgetrennt sind: der linke Teil wird Eingangsstufe genannt, während der rechte Teil das eigentliche Filter darstellt, das dem Schaltblock 10 der F i g. 1 entspricht

Den Elektroden des Filters werden periodisch und in :■■.; Gegenphase zwei Potentiale zugeführt Das Filter besitzt nicht unterteilte Elektroden 3,4,5 und 6, die ein Signal Φ\ erhalten und unterteilte Elektroden 31—32, 41 —42,51 —52 und 61 —62, die alternierend zu den vorerwähnten Elektroden angeordnet sind und ein Signal Φι beispielsweise über die Ausleseschaltungen 12 und 13 erhalten.

Die Signale Φ\ und Φι sind in der F i g. 3 anhand der Schaubilder a) und b) dargestellt Es handelt sich um im wesentlichen rechteckförmige Signale, die die gleiche Periode T aufweisen, jedoch gegenphasig sind und deren Amplitude zwischen zwei Werten variiert: Φ\β und Φ\η für Φ\ einerseits und Φιβ und Φιη für Φι andererseits. Diese Werte sind bezogen auf das Potential des Substrats. Die Signale Φ> und Φι sind, abgesehen von ihrer Phasenverschiebung, identisch und ihr unterer Wert (Φιβ oder Φι_Β) liegt nahe bei Null.

Das Filter ist durch eine Diode D_c abgeschlossen, die in dem Halbleitersubstrat realisiert ist Durch die Diode werden die Ladungen, die die Vorrichtung durchlaufen haben, gesammelt und abgeleitet

Die Eingangsstufe der Vorrichtung umfaßt zwei parallele Kanäle 1 und 2, die gegenseitig elektrisch isoliert sind. In diesen Kanälen worden die Ladungen weiter transportiert Die Isolierung zwischen den beiden Kanälen kann insbesondere durch eine Isolierschicht oder durch eine lokale Vergrößerung der Dotierung des Substrates hergestellt sein.

Der Kanal 1 besteht aus einer Diode D₁₁, die die Ladungen in das Substrat injiziert, ferner aus zwei Elektroden oder Gittern G, und Gi und einer Diode D_rt zwischen den Gittern G\ und Gi. Die Dioden Dn und D* bestehen aus einem pn-Übergang in dem Halbleitersubstrat Der Kanal 2 besteht in gleicher Weise aus einer Diode Da, zwei Gittern Gs und G» und einer Diode Dn zwischen den beiden Gittern.

Die beiden Dioden Dn und A₂ werden durch ein Signal Vd gespeist, das im Schaubild c) der F i g. 3 gezeigt ist Das Signal weist dri gleiche Periode T wie die vorgenannten Signale auf. Seine Amplitude ändert sich rechteckförmig zwischen den Werten V_OBund V_ow.Der untere Wert (Yd = Vdb) ist in Phase mit Φι und besitzt eine Mindertdauer von 772.

Das Gitter G\ im Kanal 1 wird auf einem konstanten Potential Vc\ gehalten, das wie in der Figur dargestellt positiv ist, wenn das Halbleitersubstrat p-leitend ist Das Gitter Gi erhält einerseits ein konstantes Potential Ya und andererseits das Eingangssignal E (t), das zu filtern ist

Der Kanal 2 führt die Reinjektion des Signales durch. Er erhält an seinem Gitter Gj das Signal S~, das durch die Leseschaltung 12 über einen Widerstand Ri geliefert wird. An seinem Gitter G* erhält der Kanal 2 das Signal S⁺, das von der Leseschaltung 13 über einen Widerstand /?2 geliefert wird.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung wird anhand der Schemata a), b) und c) der F i g. 4 erläutert

Diese sind Schnitte längs der Ausbreitungsrichtung der Ladungen durch den Kanal 1. In den F i g. 4 sind das Halbleitersubstrat 20, die Isolierschicht 21, die das Halbleitersubstrat überdeckt, die beiden . Vitter d und Gz des Kanals 1 sowie die beiden ersten Elektroden 3 und 31 des Filters dargestellt Die Dioden D_1x und D_rt bestehen aus Bereichen des Substrates, die einen Leitungsme- chanismus (η-leitend beispielsweise) aufweisen, der demjenigen des Substrates (p-leitend beispielsweise) entgegengesetzt ist

Das Schaubild a) entspricht einem Zeitpunkt i, entsprechend Fig. 3, bei dem Φ\ = (Pißiind Vb = Vdb gilt Bei den Gittern G\ und Gi deuten die gestrichelt eingezeichneten Linien 23 und 24 die Höhe der an die Gitter angelegten Potentiale an, und zwar Va (Gerade 23) und Vci + E (Gerade 24). Die Gerade 25 bei der Elektrode 3 repräsentiert den Wert Φβ des Signals Φ\. Die Gerade 22 repräsentiert den Wert Vdb des Potentials Vd, das an die Injektionsdiode Da angelegt wird. In dieser Phase werden die Ladungsträger unter den Gittern Gi und G₂ (gestrichelter Bereich in der Figur) injiziert, sie können jedoch nicht in das Filter eindringen, da sie durch die Elektrode 3 blockiert werden.

In dem darauffolgenden Augenblick tb, auf den sich das Diagramm b) bezieht, besitzt das Signal Φ\ stets seinen unteren Wert Φιβ, jedoch ist das Potential V_D = Vdh geworden. Dies ist durch die Gerade 26 angedeu tet Die Ladungsträger bleiben unter dem Gitter Gi ge fangen. Ihre Menge entspricht der Differenz zwischen dem Potential Vai + E einerseits, das durch das Gitter Gi bestimmt ist, und Va andererseits, das durch die Diode Drf bestimmt ist, die die elektrische Verbindung

so zwischen den Bereichen unter den Gittern G\ und Gi sicherstellt Diese Ladungsmenge Qa, die in der Figur durch A angedeutet ist, ist gleich:

Qa = Cox (Vci + E — VbJ wobei C₀* die Kapazität der Ciydschicht ist Die Ladungsmenge repräsentiert das digitale Eingangssignal E (t). Für den sicheren Betrieb der Vorrichtung ist erforderlich, daß Va größer als Vci ist Das Schaubild c) der F i g. 4 bezieht sich auf den Zeitpunkt t_a in dem V₀ sich noch im oberen Zustand (Vd = Vdh) befindet und Φ\ m den oberen Zustand (Gerade 27) übergeht, wodurch ausschließlich die Ladungsmenge Qa (A) unter die Elektrode 3 des Filters transportiert wird, da die nächstfolgende Elektrode 31 durch das Signal Φι gesteuert wird, das noch seinen unteren Wert besitzt {Φι » Φιβ, Gerade 28).

Im darauffolgenden Zeitabschnitt gilt Φ\ «■ Φ\β, Vd " Vdb und Φι = Φιη, d. h. daß erneut das Diagramm a) der F i g. 4 gilt und daß ein neuer Abtastwert, der repräsentativ für einen neuen Wert des Eingangssignales E

(t) ist, erarbeitet wird, während gleichzeitig der Abtastwert A der Elektrode 3 zur Elektrode 31 übertragen wird.

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß nach einem bekannten Mechanismus in dem ladungsgekoppelten Filter ein Ladungspaket, das einen Abtastwert des Eingangssignales E (t) (Q, beispielsweise; darstellt, von einer Elektrode zu nächsten zu jeder Halbperiode (T/2; der Signale Φ\ und Φι übertragen wird.

Damit die Ladungen stets in derselben Richtung (+ ΟΛ) transportiert werden, ist es erforderlich, daß auf an sich bekannte Weise die Elektroden asymmetrisch ausgebildet werden; beispielsweise ist ein solches System in der FR-PA 76-11 599 der Anmelderin beschrieben.

Es wird daran erinnert, daß jede zweite Elektrode unterteilt ist und das das Verhältnis der Elektrodenflächen einen Bewertungskoeffizient für das Signal darstellt, wodurch die gewünschte Filterung erhalten wird. Die unter den unterteilten Elektroden befindliche Ladungsmenge wird ausgelesen. Zu diesem Zweck sind die Elektroden mit einer Leseschaltung 12 und 13 verbunden, die jeweils ein Lesesignal S- und S⁺ liefern. Bei einem klassischen Filter speisen diese Signale 5- und S⁺ einen Differenzverstärker 15, der das Ausgangssignal S des Filters erarbeitet.

Bei dem Rekursivfilter gemäß der Erfindung werden die Signale S- und S⁴- am Ausgang der Schaltungen 12 und 13 abgegriffen und an die Gitter Gs und G« des Kanals 2 der Eingangsstufe geführt.

Der Kanal 2 arbeitet in gleicher Weise wie der Kanal 1; das Signal S- ersetzt das Potential V_G\ und das Signal S* das Potential (V_a + EX Der Kanal 2 führt eine Differenzbildung durch und liefert eine Ladungsmenge, die der Differenz (S* - S-Entspricht. Die Abtastwerte werden in beiden Kanälen 1 und 2 durch Steuerung des gleichen Signals V_D geliefert; sie kcmmer. folglich in Phase unter der ersten Elektrode 3 des Filters an, wo sie addiert werden.

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20 Der Vorteil eines solchen Aufbaus liegt in der Symmetrie: der gleiche Aufbau wird zur Injektion des Eingangssignales und zur Reinjektion der Aussangssignale verwendet, wodurch Störsignale gering gehalten werden. Das Ausgangssignal wird durch Differenzbildung erhalten.

Der Kanal 2 kann beide Signale S⁺ und S- über Widerstände A₂ und R\ erhalten, falls eine Bewertung sich in der Praxis als notwendig erweist.

Vorstehend wurde eine Vorrichtung zum Injizieren von Ladungsmengen unter Differenzbildung beschrieben, bei dem jeder Kanal eine Diode (Da und D_n) enthält, um den elektrischen Kontakt zwischen den beiden Gittern des Kanals aufrecht zu erhalten. Dabei handelt es sich nur um ein Ausführungsbeispiel, da die Herstellung des Kontaktes auch durch andere Mittel, insbesondere eine Ausdehnung des zweiten Gitters (Gi und Gi) bis unter das erste Gitter (G\ und Gi) erhalten werden 1._nnn /Ine ***·* ainar \vr\\i«rcf*hIr¹Ht ΓΐΚΡΓ7ΠσΡΠ tCt

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Gemäß der Erfindung wurde eine Vorrichtung mit einem einfachen Aufbau geschaffen, bei dem die verschiedenen Organe, die zur Differenzbildung der Signale S⁺ und S- zum Zwecke ihrer Reinjektion, zur Reinjektion und zur Summenbilclung des reinjizierten Signales und des Eingangssignales des Rekursivfilters in der Eingangsstufe dieses Filters integriert sind. Diese Integration führt zu einer Verringerung des Stromverbrauchs und zu ;iner wesentlichen Verkleinerung der Vorrichtung.

Das Filter gemäß der Erfindung ist insbesondere zur Erzielung von Frequenzantworsignalen mit steilen Anstiegsflanken geeignet, da diese eine große Anzahl von Bewertungsstufen und folglich eine große Anzahl von Elektroden in einem klassischen Filter erfordern. Die Erfindung ist folglich insbesondere bei der telephonischen Übertragung verwendbar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ladungsgekoppeltes Rekursivfilter mit einem Halbleitersubstrat, einer darauf angebrachten Isolierschicht, auf der Isolierschicht angebrachten, abwechselnd unterteilten und nicht unterteilten Elektroden, die beim Anlegen von gegebenen Potentialen Ladungen in dem Substrat weitertransportieren, mit Schaltungen zum Auslesen der sich unter den unterteilten Elektroden befindenden Ladungsmengen, die zwei den beiden Teilen der unterteilten Elektroden entsprechende Lesesignale liefern, und mit einer in Transportrichtung gesehen vor den Elektroden liegenden, zwei im wesentlichen parallele, isolierte Kanäle aufweisenden Eingangsstufe, wobei jeder der Kanäle eine Injektionsdiode zur Einspeisung der Ladungen in diesen Kanal und im wesentliches parallele Elektroden oder Gitter umfaßt, dadurch gekennzeichnet,

daß Mittel (Dn; Da)zum Herstellen des elektrischen Kontaktes zwischen den unterhalb der je Kanal vorgesehenen zwei Gitter (G\, Gi; Gi, G^) liegenden Bereichen des Substrates (20) vorgesehen sind,
daß der erste Kanal (1) das Abtasten und das Injizieren des Eingangssignales i: durchführt,
daß der zweite Kanal (2) an seinen Gittern (G₃, Ga) die beiden Lesesignale (S⁺, S-) erhält und unmittelbar deren Differenz bildet und invertiert,
daß die Injek'.ionsdiode (Da) des zweiten Kanals (2) dasselbe periodische Steuersignal (Vd) erhält wie die Injektionsdiode (Dn) des ersten Kanals (1) und
daß die erste nichtuntertefite Ek'ttrode (3) die in die beiden Kanäle (1, 2) injizierten Ladungsmengen summiert

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den nicht unterteilten Elektroden (3,4,5,6) ein Signal Φι der Periode Tzugeführt wird, daß den beiden Teilen der unterteilten Elektroden (31,... 62) ein Signal Φι mit derselben Periode (T), jedoch um 772 in bezug auf Φι phasenverschoben zugeführt wird und daß das Steuersignal (T₀; für die Injektionsdioden (Dn; Da) in bezug auf Φι etwa um T/4 nacheilt.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gitter des ersten Kanals (1) mit zwei konstanten Potentialquellen (Vo\, V<ji) verbunden sind und daß das zweite Gitter (Gz) zusätzlich das Eingangssignal (E)des Filters erhält.

4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Herstellen des Kontaktes zwischen den unter den Gittern gelegenen Bereichen des Substrats (20) in jedem Kanal (1, 2) eine zweite Diode (Dn, Dn) umfassen, die jeweils aus einem Bereich des Substrates (20) besteht, dessen Leitungsmechanismus demjenigen des restlichen Substrats (20) entgegengesetzt ist.