DE2841832A1

DE2841832A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum betrieb von nach dem charge-coupled-device (ccd)-prinzip aufgebauten rekursiven filterschaltungen oder analogspeicherschaltungen

Info

Publication number: DE2841832A1
Application number: DE19782841832
Authority: DE
Inventors: Karl Dr Ing Goser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-09-26
Filing date: 1978-09-26
Publication date: 1980-04-03
Also published as: GB2034143A; FR2437739B1; DE2841832C2; US4283696A; FR2437739A1; JPS5549025A; GB2034549B; GB2034549A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München ^₇₈ P 7 t 3 3 BRÖ

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betrieb von nach dem Charge-Coupled-VDevice (CCD)-Prinzip aufgebauten rekursiven Filterschaltungen oder Analogspeicherschaltungen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb von nach dem Charge-Coupled-Device (CCD)-Prinzip aufgebauten rekursiven Filterschaltungen oder Analogspeicherschaltungen und auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, bei welchem Verfahren jeweils nur jede zweite Stufe eines CCD mit einer einen Abtastwert eines Analogsignals vertretenden Ladung besetzt wird und die jeweils zwischen diesen betreffenden Stufen liegenden Stufen leer belassen bleiben.

Bekannte nach dem CCD-Prinzip aufgebaute rekursive Filterschaltungen führen das Signal von der Ausgangsstufe einer CCD-Kette über einen Verstärker, dem gleichzeitig das Eingangssignal zugeführt wird, dem Eingang der CCD-

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Schleife zu, vgl. z.B. IEEE Journal of Solid State Circuits, SC-7 (1972) Oct., pp. 421-425; SC-8 (1973) Apr., ρ 157; Konferenzband der CCD 74, Edinburgh.: "Signal Processing Application of Charge-Coupled-Devices" und "MTI filtering for Radar with CCD"; 6. Internationaler Kongreß Mikroelektronik: "Charge-Coupled-Devices". Damit eine gute filterwirkung erzielt wird,muß die Verstärkung sehr genau 1 betragen. Bei zu niedriger Verstärkung wäre nämlich die Güte des filters zu gering, bei zu hoher Verstärkung träten Eigenschwingungen auf. Nach dem bisherigen Erkenntnisstand kann ein Verstärker der erforderlichen hohen Stabilität, der gemeinsam auf einem Chip mit dem betreffenden CCD angeordnet ist, nicht zufriedenstellend realisiert werden.

Es ist vorgeschlagen worden, den kritischen Verstärker zu eliminieren. Dazu wurde nachgewiesen, daß in einer CCD-Schleife prinzipiell kein Verstärker erforderlich ist, weil die geringen Übertragungsverluste bei CCD's eine genügend hohe Güte des filterkreises erwarten lassen, läßt man eine Information in einer geschlossenen CCD-Schleife umlaufen, so fallen die sich aus einem Verstärker hoher Stabilität ergebenden Probleme fort. Allerdings ist eine solche CCD-Schleife ohne zusätzliche Einrichtungen über längere Zeit nicht funktionsfähig, da die Potentialsenken der einzelnen Stufen mit Ladungsträgern, die von Sperrströmen und unvollständiger Ladungs übertragung herrühren, aufgefüllt werden. Es muß daher mit einer Zusatzschaltung dafür gesorgt werden, daß diese - 30 parasitären Ladungen wieder abgeführt werden und damit der Arbeitspunkt der CCD-Schleife festgehalten wird. Der Arbeitspunkt ist durch die Ladungsmenge in den Potentialsenken im Ruhezustand der Stufen definiert.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung der genannten Art und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, womit die aufgezeigten Probleme auf einfache Weise und mit geringem Schaltungsaufwand zu lösen sind.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb von nach dem Charge-Coupled-Device (CCD)-Prinzip aufgebauten rekursiven Filterschaltungen, bei dem jeweils nur jede zweite Stufe eines CCD mit einer einen Abtastwert eines Analogsignals vertretenden Ladung besetzt wird und die jeweils zwischen diesen betreffenden Stufen liegenden Stufen leer belassen bleiben, gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen die die einzelnen Abtastwerte eines Efutzsignals vertretenden Ladungen Referenzwerte eines Referenzsignals vertretende Ladungen eingefügt sind, daß ein in einer betrachteten CCD-Schleife von einer vorausgehenden CCD-Schleife empfangener Abtastwert eines Analogsignals mit einem Referenzwert moduliert wird, daß die Differenz zwischen dem so modulierten Abtastwert und dem jeweiligen Originalreferenzwert gebildet wird und daß entsprechend der gebildeten Differenz dem betreffenden CCD-Eingang eine fehlende Ladungsmenge zugeführt oder von dem betreffenden CCD-Eingang eine überschüssige Ladungsmenge abgeführt wird.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine CCD-Schleife vorgesehen ist, der an einem ersten Anschlußpunkt über einen Eingang und einen

30. Eingangssignalverstärker Signale zuführbar sind und der an einem zweiten Anschlußpunkt über einen Ausgangssignalverstärker und einen Ausgang Signale entnehmbar sind und daß eine Zusatzeinrichtung vorgesehen ist, mittels derer entsprechend der gebildeten Differenz zwisehen einem modulierten Abtastwert und dem jeweiligen

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Referenzwert über eine Verbindung mit einem der Anschlußpunkte der CCD-Schleife Ladung aus der CCD-Schleife entnehmbar oder ladung in die CCD-Schleife einführbar ist.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß alle durch einen beim Stand der Technik vorhandenen Verstärker entstehenden Probleme vermieden sind und daß trotz Fehlens eines solchen Verstärkers Filterschaltungen hoher Güte realisierbar sind. Die Informationsdichte einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Filterschaltung ist zwar im Vergleich zu der Informationsdichte herkömmlicher Filterschaltungen vermindert, jedoch ist dieser Sachverhalt nicht als nachteiig zu bewerten, da Filterschaltungen der genannten Art in aller Regel nur relativ kurze CCD-Schleifen mit einer Stufenzahl zwischen 10 und 40 haben.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtung als ein in die CCD-Schleife integrierter Modulator ausgeführt ist, daß für den Modulator anschließend an eine Taktelektrode einer CCD-Kette der CCD-Schleife eine erste Steuerelektrode, eine erste Bewerterelektrode, eine zweite Bewerterelektrode, eine zweite Steuerelektrode und ein als ladungsträgersenke bzw. -quelle dienendes Diffusionsgebiet so angeordnet sind, daß in einem ersten Bewertungsschritt dadurch, daß die erste bzw. zweite Bewerterelektrode auf den betreffenden Signalamplituden proportionale Potentiale und die zweite Steuerelektrode und das Diffusionsgebiet auf für eine Bewertung geeignete Potentiale gelegt werden, nach Beendigung dieses Bewertungsschrittes bei S0>Sn eine der Potentialdifferenz entsprechende Ladungsmenge unter der ersten Bewerterelektrode verfügbar ist und daß in einem zweiten Bewertungsschritt dadurch,

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daß die erste Steuerelektrode und die Taktelektrode der CCD-Kette auf für eine Bewertung geeignete Potentiale gelegt werden, nach Beendigung dieses zweiten Bewer— tungsschrittes bei SO>Sn die zuvor unter der ersten Bewerterelektrode angesammelte Ladung unter die Taktelektrode verbracht ist oder bei S0<Sn eine der Potentialdifferenz entsprechende Ladungsmenge unter der zweiten Bewerterelektrode angesammelt ist, die in einem dritten Bewertungsschritt in das dann als Ladungsträgersenke wirkende Diffusionsgebiet abführbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand mehrerer, Ausführungsbeispiele für die Erfindung betreffender Figuren erläutert.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer rekursiven Filterschaltung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 zeigt das prinzipielle Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, ·

Fig. 3 zeigt unter a) den aus dem Stand der Technik bekannten und unter b) den erfindungsgemäßen Ladungsbewegung splan,
Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung,

Fig. 5 zeigt schematisch die Anordnung und die Wirkungsweise eines wie eine CCD-Stufe aufgebauten Modulators zur Differenzbildung zwischen den Signalen SO und Sn.
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Wie bereits erwähnt, zeigt Fig. 1 das Blockschaltbild einer rekursiven Filterschaltung nach dem Stand der Technik. Bei einer solchen Anordnung treten die eingangs erwähnten Probleme durch die Einbeziehung eines Yerstärkers in die Informationsschleife auf. Erfindungsge-

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maß, vgl. Pig. 2, ist ein solcher Verstärker eleminiert. Es iat eine geschlossene CCD-Schleife vorgesehen, der an einem ersten Anschlußpunkt über einen Eingang E und einen Eingangssignalverstärker Signale zuführbar sind und der an einem zweiten Anschlußpunkt Signale über einen Ausgangssignalverstärker und einen Ausgang A Signale entnehmbar sind. Außerdem ist eine Zusatzeinrichtung Z vorgesehen, mittels derer entsprechend der gebildeten Differenz zwischen einem modulierten Abtastwert und dem jeweiligen Referenzwert über eine Verbindung mit einem der Anschlußpunkte der CCD-Schleife Ladung aus der CCD-Schleife entnehmbar oder Ladung in die CCD-ScMeife einführbar ist. "

Mg. 3 zeigt, wie bereits erwähnt, unter a) den aus dem Stand der Technik bekannten und unter b) den erfindungsgaäßen Ladungsbewegungsplan. Im Gegensatz zu dem gemäß a) bekannten !Betriebsverfahren, bei dem zwischen die jeweils Abtastwerte S1, S2, S3 ... eines Analogsignals vertretenden Ladungen Leerstellen im Informationsfluß eingefügt sind, werden erfindungsgemäß außerdem in der gezeigten Weise zwischen die die Abtastwerte S1, S2 vertretenden Ladungen Referenzwerte 'SO eines Referenzsignals vertretende Ladungen eingefügt. Wird ein Analogsignal gemäß dem Ladungsbewegungsplan nach Pig. 3a) über ein CCD übertragen, so ist nur jede zweite Stufe mit einer Ladung belegt. Die jeweils dazwischenliegenden Stufen bleiben leer. Dadurch wird erreicht, daß sich die einzelnen Ladungen nicht gegenseitig beeinflussen. Erfindungsgemäß werden darüber hinaus zur Stabilisierung des 'Arbeitspunktes zwischen die einzelne Abtastwerte S1, S2 .., vertretenden Ladungen die Referenzwerte SO eines Referenzsignals eingefügt, die beispielsweise durch halbvolle Potentialsenken gekennzeichnet sind. Die den Ruhezustand einer Stufe charakterisierenden, sich aus den Referenz-

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werten SO ergebenden Signalamplituden werden dazu benutzt, den Arbeitspunkt der CCD-Schleife zu stabilisieren und den Einfluß der Sperrströme zu eliminieren.

Fig. 4 zeigt, wie bereits erwähnt, das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung. Die in Fig. 2 gezeigte Zusatzeinrichtung Z ist hier als in die CCD-Schleife integrierter Modulator M ausgeführt, dessen innerer Aufbau und dessen Wirkungsweise schematisch in Fig. 5 gezeigt sind. Zur Einstellung des den Arbeitspunkt des CCD bestimmenden Ruhepotentials wird laufend ein Referenzsignal SO über den'Eingang E in das betreffende CCD eingegeben. Sein Pegel wird mit dem Nutzsignal, das von der vorausgehenden CCD-Schleife kommt, moduliert. Am Ausgang der CCD-Schleife werden die übertragenen Signale durch Vergleich mit den ebenfalls übertragenen Ruhepegeln SO im Modulator M ermittelt und dem Eingang zugeführt. Da die Differenz zwischen dem Nutzsignal und dem Referenzsignal gebildet wird, fällt die durch Sperrströme gelieferte Ladungsmenge heraus. Dabei ist näherungsweise angenommen, daß der Einfluß der Sperrströme unabhängig von der transportierten Ladungsmenge ist. Mit der angegebenen Schaltungsanordnung ist eine geschlossene CCD-Schleife gegeben, womit, wenn der Modulator ebenfalls als CCD-Stufe ausgebildet ist, jegliche kritische Verstärkerstufe vermeidbar ist.

Im folgenden wird eine CCD-Stufe zur Differenzbildung im einzelnen beschrieben:

Anschließend an eine CCD-Kette sind eine erste und eine zweite Steuerelektrode 0M1 und 0M2, eine erste und eine zweite aus einem "Floating Gate Amplifier" kommende Bewerterelektrode 0SO und 0Sn und ein Diffusionsgebiet als Ladungsträgersenke bzw. -quelle angeordnet, vgl. Fig.

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In einem ersten Bewertungsschritt werden die Gebiete unter den Elektroden 0SO und 0Sn, die auf zu den Signalen SO und Sn proportionalen Potentialen liegen, mit Ladungen überschwemmt, indem eine entsprechende Spannung zwischen 0M2 und das Diffusionsgebiet gelegt wird. Wird diese Spannung abgeschaltet, so bleibt nur für den Pail S0>Sn Ladung unter der Elektrode 0SO zurück. Im anderen Fall fließt die gesamte Ladung wieder zurück-. In einem zweiten Bewertungsschritt werden ebenfalls die Gebiete unter den Elektroden 0SO und 0Sn mit Ladung überschwemmt, jedoch wird in diesem Fall eine Spannung zwischen die benachbarte laktelektrode 01 des CCD und die Elektrode 0M1 geschaltet. Nach Abschaltung der Spannung ist die für den Fall S0>Sn zuvor gespeicherte Ladung in das CCD geflossen, vgl. Pig. 5b). Im anderen Pail, nämlich S0<Sn, wird Ladung unter der Elektrode 0Sn gespeichert, d.h. aus dem CCD entnommen. In einem dritten Bewertungsschritt wird diese Ladung dem Diffusionsgebiet, das in diesem Pail eine Senke darstellt, zugeführt, vgl. Pig. 5 a), Mit der angegebenen Schaltungsanordnung wird also erreicht, daß entsprechend der Differenz zwischen SO und Sn dem CCD-Eingang Ladung zugeführt oder entnommen und damit das Eingangssignal moduliert wird.

Diese nach dem CCD-Prinzip und dem "Floating-gate"-Prinzip arbeitende Stufe kann vorteilhafterweise leicht in die CCD-Schleife integriert werden und weist eine hohe Stabilität auf, da in das Verhalten der Schaltung als Analogschaltung keine externen Spannungsgrößen eingehen.

Vorteilhafterweise kann bei Anordnung mehrerer CCD-Schlei fen in einer Filterschaltung jeweils nach dem Auslesen

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der· Referenzwerte aus allen betreffenden Stufen die gleiche Ladungsmenge abgeführt werden. Es ist außerdem vorteilhaft, durch Sperrströme in die an sich belassenen Stufen gelieferte Ladungsträger mit dem betreffenden Takt abzuführen.

3 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

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_v1.J Verfahren zum Betrieb von nach dem Charge-Coupled-Device (CCD)-Prinzip aufgebauten rekursiven Pilterschaltungen oder Analogspeicherschaltungen, bei dem jeweils nur jede zweite Stufe eines CCD mit einer einen Abtastwert eines Analogsignals vertretenden Ladung besetzt wird und die jeweils zwischen diesen betreffenden Stufen liegenden Stufen leer belassen bleiben, dadurch ge kennzeichnet , daß zwischen die die einzelnen Abtastwerte (S1, S2 ...) eines Nutzsignals vertretenden Ladungen Referenzwerte (SO) eines Referenzsignals vertretende Ladungen eingefügt sind, daß ein in einer betrachteten CCD-Schleife von einer vorausgehenden CCD-Schleife empfangener Abtastwert (Sn) eines Analogsignals mit einem Referenzwert (SO) moduliert wird, daß die Differenz zwischen dem so modulierten Abtastwert und dem jeweiligen Originalreferenzwert gebildet wird und daß entsprechend der gebildeten Differenz dem betreffenden CCD-Eingang eine fehlende Ladungsmenge zugeführt oder von dem betreffenden CCD-Eingang eine überschüssige Ladungsmenge abgeführt wird.
2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest eine CCD-Schleife vorgesehen ist, der an einem ersten Anschlußpunkt über einen Eingang (E) und einen Eingangssignalverstärker Signale zuführbar sind und der an einem zweiten Anschlußpunkt über einen Au3-gangssignalverstärker und einen Ausgang (A) Signale entnehmbar sind und daß eine Zusatzeinrichtung (Z) vorgesehen ist, mittels derer entsprechend der gebildeten Differenz zwischen einem modulierten Abtastwert und dem

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jeweiligen Referenzwert über eine Verbindung mit einem der Anschlußpunkte der CCD-Schleife Ladung aus der CCD-Schleife entnehmbar oder Ladung in die CCD-Schleife einführbar ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet , daß die Zusatzeinrichtung (Z) als ein in die CCD-Schleife integrierter Modulator (M) ausgeführt ist, daß für den Modulator (M) anschließend an eine Taktelektrode (01) einer CCD-Kette der CCD-Schleife eine erste Steuerelektrode (0M1), eine erste Bewerterelektrode (0SO), eine zweite Bewerterelektrode (0Sn), eine zweite Steuerelektrode (0M2) und ein als Ladungsträgersenke bzw. -quelle dienendes Diffusionsgebiet so angeordnet sind, daß in einem ersten Bewertungsschritt dadurch, daß die erste bzw. zweite Bewerterelektrode (0SO bzw. 0Sn) auf den betreffenden Signalamplituden proportionale Potentiale und die zweite Steuerelektrode (0M2) und das Diffusionsgebiet auf für eine Bewertung geeignete Potentiale gelegt werden, nach Beendigung dieses Bewertungsschrittes bei S0>Sn eine der Potentialdifferenz entsprechende Ladungsmenge unter der ersten Bewerterelektrode (0SO) verxüfiar ist und daß in einem zweiten Bewertungsschritt dadurch, daß die erste Steuerelektrode (0M1) und die Taktelektrode (01) der CCD-Kette auf für eine Bewertung geeignete Potentiale gelegt werden, nach Beendigung dieses zweiten Bewertungsschrittes bei S0>Sn die zuvor unter der ersten Bewerterelektrode (0SO) angesammelte Ladung unter die Taktelektrode (01) verbracht ist oder bei SO <Sn eine der Potentialdifferenz entsprechende Ladungsmenge unter der zweiten Bewerterelektrode (0Sn) angesammelt ist, die in einem dritten Bewertüngsschritt in das dann als Ladungsträgersenke wirkende Diffusionsgebiet abfUhrbar ist.

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