DE2841873A1

DE2841873A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum betrieb von nach dem charge-coupled-device (ccd)-prinzip aufgebauten rekursiven filterschaltungen oder analogspeicherschaltungen

Info

Publication number: DE2841873A1
Application number: DE19782841873
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: US4307355A; FR2437738B1; GB2030812B; JPS5549024A; DE2841873C2; GB2030812A; FR2437738A1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAPT Unser Zeichen Berlin und München YPA 73 ρ η \ 3 \

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betrieb von nach dem Charge-Coupled-Device(CCD)-Prin3ip 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 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 FiI-terschaltungen führen das Signal von der Ausgangsstufe einer CCD-Kette über einen Verstärker, dem gleichzeitig das Eingangssignal zugeführt wird, dem Eingang der CCD-Schleife zu, vgl. z.B. IEEE Journal of Solid State Circuits, SC-7 (1972) Oct., pp. 421-4-25; SC-8 (1973)

PapiThe / 21.9.1978

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April, p. 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 CCD¹S 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 Ladungsübertragung herrühren, aufgefüllt werden. Es muß daher mit einer Zusatzschaltung dafür gesorgt werden, daß diese parasitären Ladungen wieder abgeführt werden und damit der Arbeitspunkt der CCD-Schleife festgehalten wird. Dar Arbeitspunkt ist durch die Ladungsmenge in den Potentialsenken im Ruhezustand der Stufen definiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung der genannten Art und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens anzu-

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geben, womit die aufgezeigten Probleme auf einfache Weise und mit geringem Schaltiungsaufwand zu lösen sind.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb von nach dem Charge-Coupled-Device (CCD)-Prinzip aufgebauten rekursiven Filterschaltungen 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, gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen die die einzelnen Abtastwerte eines Nutzsignals vertretenden Ladungen Referenzwerte eines Referenzsignals vertretende ladungen eingefügt sind, daß die Amplituden der Referenz werte bewertet werden und daß bei^jedem Takt derjenige Ladungsanteil des betreffenden Referenzwertea, der eine einen vorgegebenen Schwellwert überschreitende Amplitude vertritt, aus dem Schiebezyklus ausgetastet und 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 EingangsSignalverstärker Signale zuführbar sind und der an einem zweiten Anschlußpunkt Signale über einen Ausgangssignalverstärker und einen Ausgang Signale entnehmbar sind, daß eine Bewerterschaltung vorgesehen ist, die mit einem Bewertereingang an den zwdten Anschlußpunkt angeschlossen ist, daß eine Torschaltung vorgesehen ist, die mit einem Hutzeingang an den zweiten Anschlußpunkt und mit einem Steuereingang an einen Bewerterausgang der Bewerterschaltung angeschlossen ist und daß ein Ausgang der Torschaltung auf ein Bezugspotential, vorzugsweise

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Nullpotential, gelegt 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 nachteilig zu bewerten, da Filterschaltungen der genannten Art in aller Regel nur relativ kurze CCD-Schleifen mit einer Stufenzahl zwischen 10 und 40 haben.

Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den ünteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand mehrerer Ausführungsbe!spiele für die Erfindung betreffender Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer rekursiven Filter schaltung 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 Ladungsbewegungsplan,

Fig. 4 zeigt das ins einzelne gehende Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.

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Wie bereits erwähnt, zeigt Pig. 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. Erfindungsgemäß, vgl. Pig. 2, ist ein solcher Verstärker eliminiert. Es ist 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 sind eine Bewerterschaltung B, die mit einem Bewertereingang an den zweiten Anschlußpunkt angeschlossen ist, und eine Torschaltung T, die mit einem Nutzeingang an den zweiten Anschlußpunkt und mit einem Steuereingang an einen Bewerterausgang der Bewerterschaltung B angeschlossen ist, vorgesehen. Ein Ausgang der Torschaltung ist auf ein Bezugspotential, vorzugsweise Uullpotential, gelegt. In Pig. 2 sind die Bewerterschaltung und die Torschaltung in einem eine Zusatzschaltung Z symbolisierenden Block enthalten. Pig. 4 zeigt, wie bereits erwähnt, das ins einzelne gehende Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit der Bewerterschaltung B und der Torschaltung T. Pig. zeigt, wie bereits erwähnt, unter a) den aus dem Stand der Technik bekannten und unter b) den erfindungsgemäßen 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 Analog-

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signal gemäß dem Ladungsbewegungsplan nach Fig. 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 einzelnen 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 Referenzwerten SO ergebenden Signalamplituden werden dazu benutzt, den Arbeitspunkt der CCD-Scnleife zu stabilisieren und den Einfluß der Sperrströme zu eliminieren. Dies geschieht gaäß Pig. 4 mit der Bewerterschaltung B und der Torschaltung T. Durch einen nicht näher gezeigten Steuermechanismus werden die jeweiligen die Referenzwerte SO vertretenden Ladungen von der Bewerterschaltung übernommen. Überschreitet die sich ergebende Signalamplitude einen vorgegebenen Schwellwert, so wird die entsprechende überschüssige Ladungsmenge über die Torschaltung T vorzugsweise gegen Nullpotential abgeführt. Damit stellt sich der Ruhepegel in der CCD-Schleife automatisch ein und der Einfluß der durch die Sperrströme gelieferten Ladungsträger wird aufgehoben. Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Schaltungsancadnung ist, daß Parameterschwankungen nicht die Güte der PiI-terschaltung, sondern nur den Arbeitspunkt und somit den Dynamikbereich beeinflussen. Die Einkopplung von einer vorausgehenden CCD-Schleife kann vorteilhafterweise dadurch erfolgen, daß ein kleiner Anteil der in der vorausgehenden CCD-Schleife transportierten Ladung abgezweigt wird und nach dem jeweils vierten Takt in die betrachtete CCD-Schleife eingegeben wird. Durch das Eingangssignal verschiebt sich der G-leichstromanteil in

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der CCD-Schleife, der jedoch, über die aus Bewerterschaltung B und Torschaltung T bestehende Regelschaltung sofort wieder korrigiert wird. Ähnlich kann auch die Auskopplung aus der CCD-Schleife erfolgen. Als Koppelstufe kommen beispielsweise auch CCD-Schaltungen mit auf Schwebepotential liegenden Gate-Elektroden (Floating Gate) oder Diffusionsgebieten (Floating Diffusion) in Betracht.

Die Bewerterschaltung B kann als übliche CCD-Ausgangsstufe ausgeführt sein, wobei ein sog. "Floating Gate Amplifier" besonders vorteilhaft ist, da die Ladung im CCD nicht beeinflußt und somit der Ladungsir-ansport in der CCD-Schleife nicht gestört wird. Dabei ist es zweckmäßig, die Ausgangsstufe des CCD und die Bewerterschaltung B in einer einzigen Stufe zusammenzufassen, wobei jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Referenzwert SO an die lorschaltung T und jeweils zu einem anderen bestimmten Zeitpunkt ein dem läutesignal proportionales Signal an die nächste CCD-Schleife weitergegeben wird. Die Torschaltung T kann in aller Regel ähnlich wie eine CCD-Eingangsstufe aufgebaut sein, bei der die aus der CCD-Schleife zu entnehmende Ladungsmenge durch die Tiefe einer Potentialsenke bestimmt ist. Yorteilhafterweise kann bei Anordnung mehrerer CCD-Schleifen in einer Filterschaltung jeweils nach dem Auslesen der Referenzwerte SO aus allen betreffenden Stufen die gleiche Ladungsmenge abgeführt werden. Es ist außerdem vorteilhaft, durch Sperrströme in die an sich leer belassenen Stufen gelieferte Ladungsträger mit dem betreffenden Takt abzuführen.

Eine vereinfachte Betriebsart gemäß Fig. 5a) ist dadurch ermöglicht, daß die Differenz zwischen jeweils einer Signalamplitude und der einer "leeren" Senke entsprechen-

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den Signalamplitude gebildet wird und das so gewonnene Signal weitergeleitet wird. Dadurch kann ebenfalls der Einfluß der Sperrströme eliminiert werden.

8 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

Patentansprüche VPA 78 P 7 13 1 BRO

π. Verfahren zum Betrieh von nach dem Charge-Coupled-Device (CCD)-Prinzip aufgebauten rekursiven Filterschaltungen oder Analogspeicherschaltungen, hei 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 ß31, S2 ...) eines Nutzsignals vertretenden ladungen Referenzwerte (SO) eines Referenzsignals vertretende ladungen eingefügt sind, daß die Amplituden der Referenzwerte (SO) bewertet werden und daß bei jedem Takt derjenige Ladungsanteil des betreffenden Referenzwertes (SO), der eine einen vorgegebenen Schwellwert überschreitende Amplitude vertritt, aus dem Schiebezyklus ausgetastet und abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Referenzwerte (SO) vertretenden Ladungen so bemessen sind, daß die Potentialsenken etwa zur Bälfte gefüllt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß bei Anordnung mehrerer CCD-Schleifen in einer Eilterschaltung bzw. einer Analogspeicherschaltung jeweils nach dem Auslesen der Referenzwerte (30) aus allen betreffenden Stufen die gleiche Ladungsmenge abgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß durch Sperrströme in die an sich leer belassenen Stufen gelieferte Ladungsträger mit dem betreffenden Takt abgeführt werden.

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5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e η η zeichnet , 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 Signale über einen Ausgangssignalverstärker und einen Ausgang (A) Signale entnehmbar sind, daß eine Bewerterschaltung (B) vorgesehen ist, die mit einem Be-Wertereingang an den zweiten Anschlußpunkt angeschlossen ist, daß eine Torschaltung (T) vorgesehen ist, die mit einem Nutzeingang an den zweiten Anschlußpunkt und mit einem Steuereingang an einen Bewerterausgang der Bewerterschaltung (B) angeschlossen ist, und daß ein Ausgang der Torschaltung (T) auf ein Bezugspotential, vorzugsweise Nullpotential, gelegt ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 51 dadurch ge kennzeichnet , daß die Bewerterschaltung

(B) als an sich bekannte CCD-Ausgangsstufe mit einem Verstärker mit floatendem G_ate ausgeführt ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet , daß die Torschaltung (T) nach Art einer an sich bekannten CCD-Eingangsstufe ausgeführt ist und daß die auszutastende und abzuführende ladungsmenge durch die Tiefe der betreffenden Potentialsenke bestimmt ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die auf den zweiten Anschlußpunkt der betreffenden CCD-Schleife wirkende CCD-Ausgangsstufe und die als CCD-Aus-

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gangsstufe ausgefülirte Bewerter'schaltung (B) in einer
einzigen Stufe zusammengefaßt sind und daß diese einzige Stufe zu einem bestimmten Zeitpunkt eine einen Referenzwert (SO) vertretende ladung an die Torschaltung (T) und zu einem anderen bestimmten Zeitpunkt eine einen Abtastwert (S1, S2 ...) eines Nutzsignals vertretende Ladung an die nachgeordnete CCD-Schleife abgibt.

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