DE2822746A1

DE2822746A1 - Schaltung zum messen der in einer ladungsverschiebeanordnung gespeicherten ladung

Info

Publication number: DE2822746A1
Application number: DE19782822746
Authority: DE
Inventors: Luc Audaire; Gerard Merckel; Guy Rigaux
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-05-27
Filing date: 1978-05-24
Publication date: 1978-12-07
Also published as: GB1596475A; FR2392392B1; US4241262A; JPS549587A; FR2392392A1; DE2822746C2

Description

PATENTANWÄLTE

Erhardtstrasse 12. D-8000 München 5

Patentanwälte Menges & Prahl, Erhardtstr. 12. D-8000 München 5 DipJ -Ing. Rolf Menges

Dipl.-Chem.Dr Horst Prahl

Telefon (089) 26 3847 Telex 529 581 BIPATd Telegramm BIFW München

IhrZeichen/Yourref.

Unser Zeichen/Ourref. C 127

Datum/Date 24. Mai 1978

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE

PARIS, France

Schaltung zum Messen der in einer Ladungsverschiebeanordnung gespeicherten Ladung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Messen der in einer Ladungsverschiebeanordnung gespeicherten Ladung. Sie findet Anwendung in der Elektronik in Verbindung mit diesem Typ von Schaltungen, die im Englischen als CCD oder Charge-Coupled Device oder als BBD oder Bucket Brigade Device bezeichnet werden. Es handelt sich um Halbleiterschaltungen, in denen eine elektrische Ladung an einem der Enden eingegeben und dann beliebig durch eine Gruppe von Steuersignalen bis zum anderen Ende verschoben wird, wo sie entnommen wird. In gewissen Fällen und insbesondere bei der Verwendung dieser Schaltungen zur Filterung von Signalen ist es erforderlich, die Menge an in einem Punkt der Anordnung gespeicherten Ladungen zu messen, und zwar nichtdestruktiv. Die Schaltung nach der Erfindung gestattet es.

Es ist bekannt, daß eine Ladungsverschiebeanordnung (die im folgenden mit der englischen Abkürzung CCD bezeichnet wird) ein integriertes System ist, das ein p- oder η-dotiertes Halbleiter-

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substrat, welches mit einer dünnen Isolierschicht bedeckt ist, deren Dicke in der Größenordnung von 0,1 μπι liegt, und leitende Elektroden aufweist, die auf der Isolierschicht regelmäßig angeordnet sind. Solche Systeme gehören daher zur Familie der MOS-Schaltungen, da ihre Struktur vom Metall-Oxid-Halbleiter-Typ ist, oder, allgemeiner, zur Familie der MIS-Schaltungen vom Metall-Isolator-Halbleiter-Typ.

Die gespeicherten und verschobenen Ladungen in einem CCD bestehen aus Minoritätsträgern, die in Potentialmulden festgehalten werden, welche unter gewissen Elektroden erzeugt werden, wenn diese auf passende Potentiale gebracht werden. Zum Verschieben dieser Ladungen von einer Elektrode zur nächsten wird die Potentialmulde von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode verschoben. Die Verschiebungsrichtung wird festgelegt, indem entweder eine zusätzliche Elektrode oder dotierte Zonen in dem Substrat oder aber feste Ladungen, unterschiedliche Oxiddicken usw. derart vorgesehen werden, daß die Potentialmulden einen unsymmetrischen Verlauf aufweisen.

Ein CCD enthält je nach Lage des Falles drei, zwei oder sogar nur eine einzige Taktleitung, und zwar entsprechend der Art der Einrichtungen, die die Unidirektionalität der Ladungsverschiebung bewirken. Im folgenden werden, lediglich aus Erlauterungsgründen, nur CCDs mit drei Taktleitungen betrachtet, die auch als 3-Phasen-CCD bezeichnet werden, wenn auf die Anzahl der Taktimpulse statt auf die Anzahl der sie übertragenden Verbindungen Bezug genommen wird.

Bezüglich weiterer Einzelheiten über diese bekannten Anordnungen wird auf den Aufsatz von W. S. Boyle und G.E. Smith "Charge Coupled Semiconductor Devices" verwiesen, der in der Zeitschrift "The Bell System Technical Journal", April 1970,S. 587 bis 593,veröffentlicht worden ist.

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Bezüglich der Anordnungen vom BBD-Typ sei auf den Aufsatz von F.L.J. Sangster und K. Teer "Bucket-Brigade-Electronics News Possibilities for Delay, time-Axis Conversion and Scanning" verwiesen, der in der Zeitschrift "IEEE Journal of Solid-state Circuits", Band SC-4, Nr. 3, Juni 1969, S. 131 bis 136, veröffentlicht worden ist.

Ein Anwendungsfall dieser Anordnung ist die Filterung von elektrischen Signalen. In diesem Fall kann ein besonderes CCD mit geteilten Steuerelektroden (Gateelektroden) benutzt werden,in welchem gewisse Verschiebeelektroden zweigeteilt sind, wobei die beiden Teile im allgemeinen ungleiche Längen haben. In einem solchen Filter ist es erforderlich, die unter jedem Teil der geteilten Steuerelektrode gespeicherte Ladung zu lesen ohne sie zu löschen.

Es sind bereits Einrichtungen vorgeschlagen worden, die diese Funktion erfüllen. Ihr Prinzip wird im folgenden noch ausführlicher angegeben, an dieser Stelle sei aber bereits angegeben, daß sie das in einer Verschiebungstaktleitung gewonnene Signal während dieses Verschiebungstaktes ausnutzen und daß dieses Signal entweder durch Ladungsverstärker oder durch Schaltungen mit festpunktloser Steuerelektrode gemessen wird. Diese Einrichtungen arbeiten aber nicht zufriedenstellend. Bei der ersten Einrichtung können nämlich die Leistungen, die von dem Verstärker hinsichtlich der Betriebsgeschwindigkeit verlangt werden, nicht mit einem in der für die CCDs angewandten Technologie integrierten Verstärker erzielt werden; daraus folgt, daß die Meßschaltung auf einem unabhängigen Träger außerhalb des Chips des CCD hergestellt werden muß. Bei der zweiten Einrichtung ist es erforderlich, den Zyklus der an das CCD angelegten Spannungen zu ändern, um ihn an die Schaltung mit festpunktloser Steuerelektrode anzupassen, wobei diese Anpassung zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades des CCD führt.

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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßschaltung zu schaffen, die diese Nachteile vermeidet. Die Meßschaltung nach der Erfindung hat eine derartige Struktur, daß sie leicht in der zu den CCDs passenden Technologie hergestellt werden kann, was gestattet, sie auf dem CCD-Trägerchip anzubringen, ohne daß eine Modifizierung der Taktsignale des CCD erforderlich ist.

Die Erfindung schafft, genauer gesagt, eine Schaltung zum Messen der gespeicherten Ladung in einer Ladungsverschiebeanordnung, die wenigstens eine Verschiebeelektrode aufweist, welche mit einer ein Verschiebesignal übertragenden Taktleitung verbunden ist, wobei die Meßschaltung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen in die Leitung eingefügten Widerstand und eine Schaltung enthält, die die Spannung integriert, welche an den Klemmen dieses Widerstandes während des Anlegens des Verschiebesignals auftritt.

Vorzugsweise enthält die Integrierschaltung einen MOS-Transistor mit einer Source-, einer Gate- und einer Drainelektrode, wobei der Widerstand zwischen die Gateelektrode und die Sourceelektrode geschaltet ist und wobei ein Kondensator mit der Drainelektrode verbunden ist.

Vorzugsweise bilden der MOS-Transistor und der Kondensator das Eingangselement einer MeßladungsverSchiebeanordnung.

In dem Fall, in welchem das CCD ein CCD mit zweigeteilten Steuerelektroden ist, ist eine Meßschaltung mit jedem der beiden Teile einer Steuerelektrode verbunden.

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

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Fig. 1 schematisch den bekannten Aufbau

eines 3-Phasen-CCD,

Fig. 2 eine erste bekannte Meßschaltung

für die in einem CCD gespeicherte

Ladung;

Fig. 3 eine zweite bekannte Meßschaltung

für die in einem CCD gespeicherte Ladung;

Fig. 4 das Prinzipschaltbild der Schaltung

nach der Erfindung,

Fig. 5 vier Diagramme zur Erläuterung der

Betriebsweise der Schaltung von Fig. 4,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der

Schaltung nach der Erfindung,

Fig. 7 vier Diagramme zur Erläuterung der

Betriebsweise der Schaltung von Fig. 6,

Fig. 8 schematisch eine Ausführungsform, in

der die Meßschaltung die Form eines CCD hat,

Fig. 9 schematisch ein bekanntes CCD-Trans

versalfilter, dem eine Meßschaltung nach der Erfindung zugeordnet ist,

Fig. 10 eine Anwendung der Schaltung nach der

Erfindung bei einem Filter der in Fig. 9 dargestellten Art in einer weiteren Ausführungsform,

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Fig. 11 eine Anwendung der Schaltung nach

der Erfindung bei demselben Filter, aber in einer noch weiteren Ausführungsform.

Ein 3-Phasen-CCD ist in Fig. 1 gezeigt. Es enthält ein Halbleitersubstrat 2 (beispielsweise aus η-dotiertem Silicium), das von einer dünnen Isolierschicht 4 (beispielsweise aus Siliciumoxid) bedeckt ist, auf der metallische Elektroden 6 angeordnet sind. Die Einrichtungen, mit denen diese Elektroden auf geeignete Potentiale gebracht werden, bestehen aus einer Anordnung 8 aus drei Generatoren, die jeweils Spannungsimpulse (oder Phasen) 1, 0₂, 0₃ liefern, welche über drei Verbindungen oder Taktleitungen L₁ bzw. L„ bzw. L-. übertragen werden.

Die ünidirektionalität der Ladungsverschiebung wird durch die Verwendung einer Verschiebeelektrode erreicht, der ein Verschiebesignal zugeführt wird. Im folgenden wird zur Vereinfachung der Bezeichnungen angenommen, daß das Verschiebetaktsignal das Signal 0„ ist, welches durch die Leitung L_ übertragen wird.

Zum Messen der Ladung, die unter einer Elektrode einer solchen Anordnung gespeichert ist, sind zwei Schaltungen vorgeschlagen worden, die das Signal 0₂ ausnutzen, das der Verschiebeelektrode zugeführt wird. Diese bekannten Schaltungen sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt. In Fig. 2 wird ein CCD 10 durch eine Anordnung 12 aus drei Schaltungen gesteuert, von denen eine Verschiebesignale 0₂ liefert, die an jede dritte Elektrode angelegt werden. Die Schaltung zum Messen der in dem CCD gespeicherten Ladung enthält einen Verstärker 16 und einen Kondensator 18 in Gegenkopplungsschaltung. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 16 empfängt eine Referenzspannung V_f. Der invertierende Eingang wird auf das

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Potential der Taktleitung gebracht, das in dem dargestellten Fall fest ist: manche CCDs sind nämlich so aufgebaut, daß das Potential von gewissen Taktleitungen fest ist, was insbesondere bei dem CCD der Fall ist, das in der US-PS 4 005 beschrieben ist. Es sei außerdem auf den Aufsatz voa K.R. Hense und T.W. Collins "Linear Charge-Coupled Device Signal-Processing Techniques" verwiesen, der in der Zeitschrift "IEEE Journal of Solid-state Circuits", Band SC11, Nr. 1, Februar 1976, S. 197/ veröffentlicht worden ist. Es sei außerdem beachtet, daß die Schaltungen dieser Art das periodische Rücksetzen des Kondensators 18 auf null erfordern, damit dieser nicht den Betrieb des CCD stören kann, von welchem eine Elektrode direkt mit dem Kondensator verbunden ist.

Der Verstärker 16 ist ein Ladungsverstärker, der aus einem Operationsverstärker besteht. Er hat die Aufgabe, die durch den Phasengenerator 0~ an die Verschiebeelektrode des CCD abgegebene Ladung zu verstärken, die ein Abbild der Ladung ist, welche unter der schraffierten Elektrode des CCD gespeichert ist.

Damit die durch eine solche Schaltung vorgenommene Messung genau ist, ist es erforderlich, daß die Anstiegszeit des Verstärkers wenigstens zehnmal kleiner ist als die des zu messenden Signals, die in der Größenordnung von 100 ⁿs liegt. Ein Verstärker mit einer Anstiegszeit von 10 ⁿs kann aber in der für die CCDs geeigneten Integrationstechnik nicht hergestellt werden. Er muß daher als eine unabhängige Schaltung außerhalb des Integrationschips des CCD hergestellt werden.

Bei der bekannten Schaltung von Fig. 3 handelt es sich um eine Schaltung mit festpunktloser Steuerelektrode. Sie enthält einen Transistor 20, der zwischen einer Leitung 21, die an einer Gleichspannung liegt, und der Verschiebeelektrode

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eines CCD 22 angeordnet ist. Die Gateelektrode dieses Transistors ist mit Leitung L₂ verbunden, welche das Signal 02 überträgt. Die Elektrode des CCD ist durch ein elektrisches Ersatzschaltbild dargestellt, d.h. durch einen Kondensator 26, dessen Wert von der Ladungsmenge abhängig ist, die unter der Oberfläche des Halbleiters angehäuft ist. Die Schaltung enthält außerdem einen Transistor 28. Die Spannung V₂ erscheint an den Klemmen des Kondensators 26. Die Spannung V, erscheint am Ausgang. Die Anordnung ist auf dem Chip des zu messenden CCD integriert.

Diese Schaltung arbeitet folgendermaßen. Der Transistor 20 verhält sich zwischen der Leitung 21 und der Elektrode wie ein Schalter. Der Transistor 28 liest die Spannung V₃ zwischen der Taktleitung und dem Substrat des CCD, das im allgemeinen an Masse liegt. Wenn der Transistor 20 durch Anlegen des Impulses 0₂ leitend wird, nimmt die Spannung V₂ den Wert der Gleichspannung der Leitung 21 an. Wenn der Transistor nicht mehr leitend ist, bleibt die angelegte Spannung praktisch unveränderlich, es wird aber eine elektrische Ladung unter die Elektrode des CCD, d.h. in den Kondensator eingegeben, wodurch der Wert der Spannung V₂, der an den Klemmen des Kondensators gelesen werden kann, verschoben wird. Diese Verschiebung AV₂ ist proportional zu der integrierten Ladungsmenge in dem Kondensator des CCD. Die durch den Transistor 28 gelesene Spannung V₃ ist das Abbild der Spannung V₂ und infolgedessen auch das Abbild der gespeicherten Ladung.

Damit die Ladungsverschiebung in dem CCD unter den üblichen Bedingungen weitergehen kann, muß die Spannung V„ wieder auf null gebracht werden. Die Schaltung benötigt daher einen für das CCD spezifischen Verschiebephasenzyklus. Diese Modifizierung ist für die Leistungen des CCD im allgemeinen von Nachteil.

Die Schaltung nach der Erfindung beseitigt diese Nachteile.

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Ihr Prinzip basiert auf der Änderung der scheinbaren Kapazität des CCD gegenüber der Verschiebeelektrode, wenn während des Anlegens des Verschiebetaktsignals eine Ladung zu dieser Elektrode geleitet oder von dieser Elektrode weggeleitet wird. Von der Verschiebeelektrode her gesehen erscheint nämlich das CCD wie eine Anordnung aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren, von denen der erste, der einen festen Wert C hat, der zwischen die Elektrode und das Substrat eingefügten Oxidschicht entspricht, während der zweite, der einen veränderlichen Wert C„ hat, der oberflächlichen Verarmungszone entspricht, die sich wie eine in Sperrichtung betriebene Diode verhält, deren Kapazität von der Vorspannung abhängig ist. In einem CCD ist diese Vorspannung die Potentialdifferenz, die zwischen der Oxid-Halbleiter-Grenzfläche und dem Substrat auftritt. Diese Potentialdifferenz ist aber von der durch das CCD in dieser Zone gespeicherten Ladung abhängig. Diese Kapazitätsänderung verursacht die Änderung der Ladezeitkonstante der Elektrode, wobei diese Zeitkonstante durch das Produkt aus der Kapazität und dem Wert eines mit der Elektrode in Reihe geschalteten Widerstandes festgelegt ist. Wenn die an den Klemmen dieses Widerstandes auftretende Spannung integriert wird, hängt die erhaltene Größe von der Zeitkonstante ab und spiegelt somit schließlich die durch das CCD gespeicherte Ladungsmenge wider.

Die Meßschaltung nach der Erfindung, die in Fig. 4 dargestellt ist, ist, genauer gesagt, einem CCD 30 zugeordnet. Eine einzige Elektrode dieses CCD ist in Form eines elektrischen Ersatzschaltbildes dargestellt, welches zwei Kondensatoren, einen mit dem festen Wert C und einen mit dem veränderlichen Wert C enthält und einen Ersatzkondensator 31 mit der Kapazität C₂ bildet. Die Meßschaltung enthält einen Widerstand mit dem Wert R, der mit der Taktleitung L₂, welche das Verschiebesignal 0₂ überträgt,verbunden ist, einen MDS-Transistor 34, der eine Sourceelektrode s, eine Gateelektrode g und eine Drainelektrode

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enthält, und einen Kondensator 36 mit der Kapazität C , welchem Nullrücksetzeinrichtungen 37 zugeordnet sind. Das Ausgangssignal der Meßschaltung wird an der Verbindung S abgenommen. Die Punkte a und b bezeichnen die Enden des Widerstandes 32, qs bezeichnet die in dem Speicherkondensator gespeicherte Ladung C (d.h. die zu messende Ladung), qm bezeichnet die Ladung des Meßkondensators 36, V bezeichnet die Spannung zwischen der Gateelektrode g und der Sourceelektrode s des Transistors 34 und I, den zwischen der

ds

Drainelektrode d und der Sourceelektrode s fließenden Strom.

Diese Schaltung arbeitet folgendermaßen. Die Zeitkonstante τ der Schaltung, die aus dem Widerstand 32 mit dem Wert R und dem Ersatzkondensator 31 mit dem Wert C₂ gebildet ist, ist gleich RC₂- Der Kondensator 31 wird aus zwei in Reihe angeordneten Kondensatoren mit den Werten C bzw. C gebildet, wobei der letztgenannte Wert von der gespeicherten Ladungsmenge qs abhängig ist. Es gilt somit:

C . C

T = R ^{OX S}

^Cox ^{+ C}s

Zwei verschiedenen Werten q's und q"s der gespeicherten Ladungsmenge entsprechen zwei Werte τ¹ und τ" der Zeitkonstante τ , mit t">t', wenn gilt q">q' .

Die Entwicklung der elektrischen Größen, die in der Schaltung von Fig. 4 erscheinen, kann anhand der Diagramme von Fig. 5 verfolgt werden.

Fig. 5a zeigt die Entwicklung der Potentiale, die in den Punkten a bzw. b auftreten. Das Potential in dem Punkt a ist dasjenige, das aus dem Anlegen des Taktsignals 0₂ resultiert. Es sei angemerkt, daß dieses Potential nicht konstant ist, wie im Stand der Technik, der in Fig. 2 gezeigt ist. Die Entwicklung des Potentials in dem Punkt b ist für zwei Werte τ¹ und τ"

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der Zeitkonstante dargestellt, mit τ" > τ'. Die Differenz zwischen den Potentialen in den Punkten a und b bildet die an den Transistor 34 angelegte Spannung V . Sie ist in Fig. 5b für die beiden Zeitkonstanten τ¹ und τ" dargestellt. Bei dem Transistor wird vorausgesetzt, daß er eine Schwellenspannung

V besitzt, unterhalb welcher kein Strom von der Sourceelektrode zur Drainelektrode fließt. Für diejenigen Werte der Spannung

V , die größer als V sind, ändert sich der Strom I, in

Cj S S ClS

der in Fig. 5c angegebenen Weise für dieselben beiden Zeitkonstanten. Die Ladung qm, die das Integral des Stroms I, in dem Kondensator 36 darstellt, ändert sich in der in Fig. 5d dargestellten Weise. Der Endwert, der für den Wert τ" der Zeitkonstante erhalten wird, ist größer als derjenige, der dem Wert τ¹ der Zeitkonstante entspricht. Wenn die in dem Kondensator C gespeicherte Ladung qs zunimmt, nimmt deshalb die in dem Kondensator 36 gespeicherte Ladung qm ebenfalls zu.

Die Änderungen dieser verschiedenen Größen können quantitativ folgendermaßen genau angegeben werden.

Die Schaltung, die aus dem Widerstand 32 mit dem Wert R und dem Kondensator 31 mit dem Wert C₂ besteht, empfängt einen Spannungsimpuls 0₂, der exponentiell ansteigt und dessen Anstiegszeit durch den Verschiebesteuertakt festgelegt ist. Wenn angenommen wird, daß die Anstiegszeitkonstante des Verschiebetaktsignals gleich RC₂ ist, was der optimale Fall ist, hat die an den Klemmen des Widerstands R entnommene Spannung

V folgende Form:

^Vgs = V-RCT" · ,

wobei t die Zeit und V^ die Amplitude der Verschiebeimpulse ist.

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Für den Strom I, , der sich aus dem Anliegen dieser Spannung zwischen der Gateelektrode und der Sourceelektrode des MOS-Transistors ergibt, der im Sättigungsbetrieb arbeitet, kann geschrieben werden:

^Z1

^Xäs

wobei Z₁ die Breite der Gateelektrode des Transistors ist, L- ihre Länge

μ die Beweglichkeit der Ladungsträger, C die Kapazität der Gateelektrode pro Oberflächeneinheit, und
V die Schwellenspannung des Transistors.

Die gespeicherte Ladung in dem Kondensator mit dem Wert C. ist das Integral dieses Stroms zwischen den Zeitpunkten, in welchen die Spannung V größer ist als die Spannung V .

Cj S S

Die Spannung V₁, die an den Klemmen des Meßkondensators 36 für eine bestimmte Ladung erscheint, ist umgekehrt proportional zu der Oberfläche dieses Kondensators. Wenn dieser Kondensator aus einem Belag mit der Länge L₂ und der Breite Z₁, die gleich der der Gateelektrode des Transistors ist, besteht, gilt im wesentlichen:

V₁ = äf^= V^ RC₉ (-J- + —¹-) (-6 + 1- ⁺ -L- + 4X₁ X-)

1 8L₁L₂ s 2 X₁ x₂ X₁ x₂^ ι 2

mit χ = t₁/RC₂
X₂ = t₂/RC₂

wobei t₁ und t₂ die Zeiten darstellen, zwischen denen gilt ^Vgs^>Vs ^(vg1· ^Fig· ^5b)·

Schließlich werden, wenn man die Parameter R, C₀, V , μ kennt, für die Längen L₁ und L₂ Werte gewählt, welche folgende Gleichung

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erfüllen:

^L1^L2 * Si, ^Vs ^RC2 '4-, ~ TT₂ » [- ⁶ * T, ⁺ T₂ ^{+ 4X}1^X ₂]

In einer etwas anderen Ausführungsform, die in Fig. 6 dargestellt ist, enthält die Meßschaltung außerdem einen Verstärker 40 mit der Verstärkung -1, der zwischen die Leitung L₂ und die Sourceelektrode s des MOS-Transistors geschaltet ist. Die anderen Elemente bleiben unverändert und tragen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 5.

Das Vorhandensein des Verstärkers 40 modifiziert die Arbeitsweise der Schaltung, die den Diagrammen von Fig. 7 entspricht, in welchen die Bezeichnungen und die dargestellten Größen die gleichen wie in Fig. 5 sind. Das Potential des Punktes a, der hinter dem Verstärker 40 angeordnet ist, bildet sich in der entgegengesetzten Richtung zu dem Potential des Punktes b aus (Fig. 7a). Die Spannung V (Fig. 7b) zeigt einen Verlauf,

gs

der sich von dem von Fig. 5b ziemlich unterscheidet, wobei der Strom I_djg aber eine analoge Form hat. Es ist zu erkennen, daß in dieser Ausführungsform die Ladung qm für den Wert τ" der Zeitkonstante kleiner ist, als für den Wert τ¹, was bedeutet, daß sich die gemessene Ladung qm, im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform, in zu der gespeicherten Ladung qs entgegengesetzter Richtung ändert.

Nach dieser Beschreibung der wesentlichen Einrichtungen der Erfindung kann ihre Neuheit erneut unterstrichen werden. Wenn die Taktleitung auf veränderlichem Potential ist, ist der in dem Widerstand fließende Strom die Überlagerung von zwei Strömen: dem Ladestrom des Kondensators, der durch die Elektrode des CCD gebildet wird und dessen Messung nutzlos ist, und dem Strom, der mit der Ladungsverschiebung zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden verknüpft ist und bei dem es sich um den Nutzstrom handelt. Diese beiden Ströme haben vergleich-

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bare Amplituden. Einer der Gründe der Verwendung der Schaltung von Fig. 2 allein bei Taktleitungen mit konstantem Potential besteht darin, daß in diesem Fall der erste Strom verschwindet und nur der Nutzstrom gemessen wird.

Die Erfindung besteht darin, die Überlagerung der beiden Ströme zu messen, indem beachtet wird, daß der erste von ihnen immer derselbe ist und daher nur eine Gesamtverschiebung aller Meßsignale verursacht.

Es sei hinzugefügt, daß der Fachmann immer bestrebt ist, eine konstante Referenzspannung zu suchen, wenn ein Signal verstärkt werden soll (was in der Schaltung von Fig. 2 erfolgt). Die Erfindung bricht mit diesem Bestreben, indem als Referenzspannung die veränderliche Spannung gewählt wird, die in Fig. 5a dargestellt ist.

Da die zum Aufbauen der Meßschaltung nach der Erfindung benutzten Einrichtungen hauptsächlich ein MOS-Transistor und ein Kondensator sind, die in der für die CCDs geeigneten Technologie hergestellt werden können, ist es vorteilhaft, die Meßschaltung in CCD-Form herzustellen und zwar auf dem Träger des zu messenden CCD selbst. Wie weiter oben angegeben, ist dieser Ausführungsform bei den bekannten Schaltungen, die einen Differenzverstärker mit großer Verstärkung benützen, der durch eine Integrierkapazität zur Schleife geschaltet ist, unmöglich.

Diese Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt.

Das CCD, bei welchem die Ladung gemessen werden soll, die es unter jeder der in P„ vereinigten Steuerelektroden speichert, trägt wieder die Bezugszahl 30. Die Meßschaltung enthält einen zwischen die Leitung L₂ und eine der Verschiebeelektroden eingefügten Widerstand 32 und ein Meß-CCD 44, das ein Halbleitersubstrat 46 enthält, welches gleich dem des zu messenden

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Ίο —

CCD ist, ein dotiertes Gebiet 48 (das beispielsweise p-dotiert ist, wenn das Substrat η-dotiert ist), eine Eingangselektrode 50, die mit dem Widerstand 32 und mit der Verschiebeelektrode des zu messenden CCD verbunden ist, wobei die Anordnung 48-50 der Sourceelektrode eines MOS-Transistors äquivalent ist; eine erste Elektrode 52, die mit der Leitung L„ verbunden ist und als Gateelektrode dient; eine Elektrode 54, die den Speicherkondensator bildet; Elektroden 56, welche Einrichtungen zur Verschiebung der in die Anordnung eingegebenen Ladung bilden; eine zweite dotierte Zone 58; und schließlich eine Elektrode 60, wobei die Anordnung 58 - 60 als Drainelektrode dient.

Vorteilhafterweise können die Taktphasen des Lese-CCD 44 mit den Taktphasen des CCD 30 synchron sein. Zu diesem Zweck genügt es, die Elektroden 54 mit den geeigneten Taktleitungen des CCD 30 zu verbinden. Das Meßsignal ist dann an dem Ausgang des Meß-CCD in Zeitpunkten verfügbar, die mit den Phasen 0₁ oder 0₂ oder 0^ des Haupt-CCD synchron sind, je nach der Anzahl der Steuerelektroden des Meß-CCD 44.

Es ist zu erkennen, daß in dieser Ausführungform die Nullrücksetzeinrichtungen mit den Verschiebeeinrichtungen vereinigt sind, was ein weiteres besonderes Merkmal der Schaltung nach der Erfindung gegenüber denen des Standes der Technik ist, die in der oben genannten US-PS 4 005 377 und in dem o.g. Aufsatz von Hense und Collins beschrieben sind, bei denen zusätzliche Einrichtungen vorgesehen werden müssen.

Es ist außerdem ein weiteres Merkmal der Erfindung zu erkennen, bei welchem es sich um die Ausnutzung der Speicherung und des Nullrücksetzens der Eingangsstufe eines CCD für die Verstärkung handelt. Diese Ausnutzung ist nicht herkömmlich: gewöhnlich wird eine Spannung, die eine Funktion der einzugebenden Information ist, während einer konstanten Abtastzeit angelegt, während der die Eingangsspannung sich praktisch

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nicht entwickelt; hier wird eine schnell veränderliche Spannung während der gesamten Änderungszeit angelegt, wobei die Abtastperiode (Taktperiode des CCD) deutlich größer ist als die Zeit des Vorhandenseins des Nutzsignals.

Die Schaltung nach der Erfindung ist vorteilhaft verwendbar, um die Ladung zu messen, die in einem CCD des Transversalfiltertyps mit geteilten Steuerelektroden gespeichert ist. Ein solches Filter ist in Fig. 9 schematisch dargestellt. Es hat einen Eingang 70, eine Elektrodenanordnung 72, Taktgeber 74, 76 und 78, die mit Taktleitungen L₁, L₂, L₃ verbunden sind, von denen jede mit jeder dritten Elektrode verbunden ist. Das dargestellte CCD gehört zu demjenigen Typ von CCDs, die Verschiebeelektroden enthalten, welche aus einer zweigeteilten , Steuerelektrode bestehen, wobei die Breiten der Steuerelektroden und damit die Kapazitäten ungleich sind. Diese Steuerelektroden tragen die Bezugszahl 80. Jeder Steuerelektrodenteil ist mit der Taktleitung L₂ verbunden, die daher aus zwei Halbleitungen besteht, welche mit dem Generator 76 verbunden sind.

Die Theorie der Arbeitsweise eines solchen Filters geht über den Rahmen der vorliegenden Anmeldung hinaus. Bezüglich näherer Einzelheiten wird auf den Aufsatz von D.D. Buss, D.R. Collins u.a. "Transversal Filtering Using Charge Transfer Devices" verwiesen, der in der Zeitschrift "IEEE Journal of Solid-state Circuits", Band SC 8, Nr. 2, April 1973, S. 133 bis 145, erschienen ist.

Gemäß der Erfindung wird in jeder der beiden Halbleitungen L₂ * die mit den geteilten Steuerelektroden verbunden sind, eine Ladungsmeßschaltung angeordnet. Die beiden Meßschaltungen tragen die Bezugszahlen 82 und 84. Ihre Ausgänge sind in einer Schaltung 86 vereinigt, die eine Addier- oder eine Subtrahierfunktion erfüllen kann, gegebenenfalls mit einer gewissen Verstärkung.

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Zwei Ausführungsformen sind in den Fig. 10 und 11 für den bereits beschriebenen Fall dargestellt, in welchem die Meßschaltung die Form eines CCD hat.

In der ersten Ausführungsform sind die beiden Meß-CCDs gleich. Sie tragen die Bezugszahlen 90 und 92. Sie sind mit zwei Widerständen 94 und 96 verbunden, die in die Halbleitungen L_ eingefügt sind. Ein Generator 98 gibt ein Verschiebetaktsignal 0„ an die beiden Teile einer der Verschiebeelektroden des Filter-CCD 100 ab. Ein Generator 102, der ein Signal 0- über eine Leitung L₁ abgibt, dient sowohl zur Steuerung der Meß-CCDs 90 und 92 als auch zur Steuerung des Filter-CCD 100. Die Ausgänge der Meß-CCDs sind mit den Plus- und Minuseingängen eines Differenzverstärkers 104 verbunden, dessen Ausgang S ein Differenzsignal liefert. Die Verwendung eines solchen Differenzverstärkers ergibt sich aus der Notwendigkeit, daß für ein Filter-CCD Ausdrücke zu berechnen sind, in denen die Differenz der unter zwei Teilen ein und derselben Steuerelektrode gespeicherten Ladungen vorkommt.

In der zweiten Ausführungsform sind die Meß-CCDs in einem einzigen CCD 102 mit zwei Eingangselementen zusammengefaßt, von denen das erste aus einer dotierten Zone 104 und einer Steuerelektrode 106 und das zweite aus einer dotierten Zone 108 und einer Steuerelektrode 110 besteht. Weitere Einrichtungen werden wie in der vorangehenden Ausführungsform benutzt, nämlich ein Stauergenerator 98, der die beiden Kalbleitungen L„ versorgt, und zwei Widerstände 94 und 92. Das erste Eingangselement des Iloß-CCD ist mit dem Wideistand 94 verbunden, während das zweite Element mit dem Widerstand 9( über einen Verstärker 111 mit der Verstärkung -1 verbunden ist. Das Ausgangssignal wird übtr eine dotierte Zone 11? abgegeben, die als Au£gangsdiode dient. Diese Diode wird über einen MOS-Transistoi 114 passend vorgespannt, der mit einer Leitung 116 verbunden ist, die sich auf einem passenden Pottrtial befindet. Ein ΠΟΰ-Transistor 118 gestattet, das Ausganges ignal des ileß-CCD zu lesen.

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Die Arbeitsweise dieser Schaltung ergibt sich aus dem, was bereits weiter oben dargelegt worden ist, da das betreffende CCD 102 mit seinem Eingangselement 104-106 wie die in Fig. 4 dargestellte Schaltung arbeitet und da dasselbe betreffende CCD mit seinem Eingangselement 108-110 wie die in Fig. 6 dargestellte Schaltung arbeitet. Da die Ladungsänderungen für diese beiden Ausführungsformen in Gegenphase sind, ist das Ausgangssignal des Meß-CCD eine Funktion der Differenz der unter jedem Steuerelektrodenteil des CCD 100 gemessenen Ladungen .

Die Erfindung eignet sich besonders zum Minimieren der Auswirkungen von technischen Unzulänglichkeiten bei der Herstellung von Filtern. Es ist bekannt, daß diese Unzulänglichkeiten Fehler verursachen, die die in dem Filter aufgezeichnete Impulsantwort beeinflussen. Zum Minimieren dieser Fehler besteht eine Methode darin, eine Linearkombination von η auf demselben CCD aufgezeichneten Btpalsantworten zu bilden. Da die Ausgangssignale der η Lese-CCDs synchron sein sollen, um in jedem Zeitpunkt kombiniert werden zu können, ist es zweckmäßig, die Ausgangssignale der η Filter derart zu Verzögern, daß sie gleichzeitig erscheinen. Die Erfindung gestattet, diese Verzögerungsoperation bequem auszuführen, indem einfach auf die Anzahl der Steuerelektroden jedes der Lese-CCD eingewirkt wird. Es sei angemerkt, daß die Erläuterung der Arbeitsweise, die für den Fall eines CCD angegeben worden ist, direkt auf ein BBD anwendbar ist, dessen Steuerelektrodenmetallisierungen diejenigen eines CCD mit zwei Taktleitungen sind. Die Diode, die in dem CCD durch ein elektrisches Feld induziert wird, ist in dem BBD durch eine Anode ersetzt, die bei der Fertigung der Anordnung hergestellt wird.

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Claims

Patentansprüche :

\ 1.) Schaltung zum Messen der in einer Ladungsverschiebeanordnung gespeicherten Ladung, wobei die Ladungsverschiebeanordnung wenigstens eine Verschiebeelektrode aufweist, welche mit einer Taktleitung verbunden ist, die ein Verschiebesignal überträgt, gekennzeichnet durch einen Widerstand, der in die Taktleitung eingefügt ist, und durch eine Schaltung zum Integrieren der Spannung, die an den Klemmen des Widerstands während des Anliegens des Verschiebesignals erscheint, das zeitlich veränderlich ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrierschaltung einen MOS-Transistor enthält, der eine Source-, eine Gate- und eine Drainelektrode besitzt, wobei der Widerstand zwischen die Gateelektrode und die Sourceelektrode geschaltet ist und wobei ein Kondensator mit der Drainelektrode verbunden ist.

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3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker mit der Verstärkung -1 in die Sourceverbindung des MOS-Transistors eingefügt ist.
4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator Nullrücksetzeinrichtungen zugeordnet sind.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrierschaltung aus einem Eingangselement einer Meßladungsverschiebeanordnung besteht, wobei dieses Element eine Eingangselektrode, die mit dem Widerstand und mit der Verschiebeelektrode der zu messenden LadungsverSchiebeanordnung verbunden ist, eine mit der Verschiebeleitung verbundene erste Elektrode und eine als Speicherkondensator dienende zweite Elektrode aufweist.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die LadungsVerschiebeanordnung vom Transversalfiltertyp mit zweigeteilten Steuerelektroden ist, wobei die Steuerelektroden Verschiebeelektroden bilden, eine Meßschaltung mit jedem der beiden Teile einer Steuerelektrode verbunden ist.
7. Schaltung nach Anspruch 5 und 6, gekennzeichnet durch zwei MeßladungsVerschiebeanordnungen, von denen die eine mit einem der Teile einer zweigeteilten Steuerelektrode und die andere mit dem anderen Teil der zweigeteilten Steuerelektrode verbunden ist, wobei der Ausgang der beiden Meßladungsverschiebeanordnungen mit einem Differenzverstärker verbunden ist.
8. Schaltung nach Anspruch 5 und 7, gekennzeichnet durch eine einzige MeßladungsverSchiebeanordnung mit zwei parallel geschalteten Eingangselementen, wobei eines dieser Elemente direkt mit einem der Widerstände verbunden ist, während das andere Element über einen Verstärker der Verstärkung -1 mit dem anderen Widerstand verbunden ist.

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9. Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßladungsverschiebeanordnung oder die Meßladungsverschiebeanordnungen Taktschaltungen besitzen, die mit den Taktschaltungen der Ladungsverschiebeanordnungen, deren
Ladung gemessen werden soll, synchron sind.
10. Schaltung vom Transversalfiltertyp mit zweigeteilten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß in η Taktleitungen des CCD-Filters η MeßSchaltungen nach einem der Ansprüche 5 bis 8 angeordnet sind, bei welchen die Anzahl der Steuerelektroden des
Meß-CCD von einer Meßschaltung zur anderen verschieden ist,

so daß ihre Ausgangssignale synchron sind, und daß die an den η Ausgängen dieser η Meßschaltungen abgegebenen Signale kombiniert werden.
11. Ladungsverschiebeanordnung mit Einrichtungen zum Lesen
der Ladungen, die wenigstens eine Verschiebeelektrode aufweist, die mit einer Taktleitung verbunden ist, die ein Verschiebesignal überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal zeitlich veränderlich ist und daß die Leseeinrichtungen einen in die Leitung eingefügten Widerstand und eine Schaltung zum Integrieren der an den Klemmen dieses Widerstands erscheinenden Spannung enthalten.

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