DE2841873C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Be­ trieb von nach dem Charge-Coupled-Device (CCD)-Prinzip aufgebauten rekursiven Filterschaltungen oder Analog­ speicherschaltungen, bei dem jeweils nur eine zweite Stufe eines CCD mit einer einen Abtast­ wert eines Analogsignals vertretenden Ladung besetzt wird und die jeweils zwischen diesen betreffenden Stu­ fen liegenden Stufen leer belassen bleiben und von einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Bekannte nach dem CCD-Prinzip aufgebaute rekursive Fil­ terschaltungen führen das Signal von der Ausgangsstufe einer CCD-Kette über einen Verstärker, dem gleichzei­ tig das Eingangssignal zugeführt wird, dem Eingang der CCD-Schleife zu, vgl. z. B. DE-OS 27 53 862, S. 6 ff, IEEE Journal of Solid State Circuits, SC-7 (1972) Okt., S. 421-425; SC-8 (1973) April, S. 146-151; Konferenzband der CCD 74, Edinburgh: "Signal Processing Application of Charge-Coupled-Devices" und "MTI Filtering for Radar wirth CCD"; 6. Internationaler Kongreß Mikroelektronik: "Charge-Coupled-Devices". Damit eine gute Filterwirkung erzielt wird, muß die Verstär­ kung 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 er­ forderlichen hohen Stabilität, der gemeinsam auf einem Chip mit dem betreffenden CCD angeordnet ist, nicht zu­ friedenstellend 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 las­ sen. 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 zusätz­ liche Einrichtungen über längere Zeit nicht funktions­ fähig, 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. Der 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 geben, womit die aufgezeigten Probleme auf einfache Weise und mit geringem Schaltungsaufwand zu lösen sind.

Die genannte Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betrieb von nach dem Charge-Coupled- Device (CCD)-Prinzip aufgebauten rekursiven Filterschal­ tungen oder Analogspeicherschaltungen, bei dem jeweils nur jede zweite Stufe eines CCD mit einer einen Abtast­ wert eines Analogsignals vertretenden Ladung besetzt wird und die jeweils zwischen diesen betreffenden Stufen liegenden Stufen leer belassen bleiben, dadurch löst, daß zwischen die die ein­ zelnen Abtastwerte eines Nutzsignals darstellenden La­ dungen Referenzwerte eines Referenzsignals vertretende Ladungen eingefügt sind, daß die Amplituden der Referenz­ werte bewertet werden und daß bei jedem Takt derjenige Ladungsteil des betreffenden Referenzwertes, der eine einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitende Ampli­ tude vertritt, aus dem Schiebezyklus ausgetastet und ab­ geführt wird.

Hinsichtlich der Schaltungsanordnung zur Durch­ führung dieses Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, 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 Aus­ gangssignalverstärker und einen Ausgang Signale entnehm­ bar sind, daß eine Bewerterschaltung vorgesehen ist, die mit einem Bewertereingang an den zweiten Anschlußpunkt angeschlossen ist, daß eine Torschaltung vorgesehen ist, die mit einem Nutzeingang an den zweiten Anschlußpunkt und mit einem Steuereingang an einen Bewerterausgang der Bewerterschaltung angeschlossen ist und daß der Ausgang der Torschaltung auf ein Bezugspotential, vorzugsweise Nullpotential, gelegt ist.

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

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

Im folgenden wird die Erfindung an Hand mehrerer Figuren erläutert, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer rekursiven Filter­ schaltung nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt das prinzipielle Blockschaltbild eines Aus­ führungsbeispiels für die erfindungsgemäße Schal­ tungsanordnung.

Fig. 3 zeigt unter a) den aus dem Stand der Technik be­ kannten und unter b) den erfindungsgemäßen Ladungs­ bewegungsplan.

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

Wie bereits erwähnt, zeigt Fig. 1 das Blockschaltbild einer rekursiven Filterschaltung nach dem Stand der Technik. Bei einer solchen Anordnung treten die ein­ gangs erwähnten Probleme durch die Einbeziehung eines Verstärkers in die Informationsschleife auf. Erfin­ dungsgemäß, vgl. Fig. 2, ist ein solcher Verstärker eli­ miniert. Es ist eine geschlossene CCD-Schleife vorge­ sehen, der an einem ersten Anschlußpunkt über einen Ein­ gang E und einen Eingangssignalverstärker Signale zu­ führbar 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 Be­ werterausgang der Bewerterschaltung B angeschlossen ist, vorgesehen. Der Ausgang der Torschaltung ist auf ein Bezugspotential, vorzugsweise Nullpotential, gelegt.In Fig. 2 sind die Bewerterschaltung und die Torschaltung in einem eine Zusatzschaltung Z symbolisierenden Block enthalten. Fig. 4 zeigt, wie bereits erwähnt, das ins einzelne gehende Blockschaltbild eines Ausführungsbei­ spiels für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit der Bewerterschaltung B und der Torschaltung T. Fig. 3 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) be­ kannten Betriebsverfahren, bei dem zwischen die jeweils Abtastwerte S 1, S 2, S 3 . . . eines Analogsignals vertre­ tenden Ladungen Leerstellen im Informationsfluß einge­ fügt sind, werden erfindungsgemäß außerdem in der ge­ zeigten Weise zwischen die die Abtastwerte S 1, S 2 . . . darstellenden Ladungen Referenzwerte S 0 eines Referenz­ signals darstellende Ladungen eingefügt. Wird ein Analog­ signal gemäß dem Ladungsbewegungsplan nach Fig. 3a) über ein CCD übertragen, so ist nur jede zweite Stufe mit einer Ladung belegt. Die jeweils dazwischenliegen­ den 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 S 1, S 2 . . . darstellenden Ladungen die Referenzwerte S 0 eines Referenzsignals eingefügt, die beispielsweise durch halbvolle Potentialsenken gekennzeichnet sind. Die den Ruhezustand einer Stufe charakterisierenden, sich aus den Referenzwerten S 0 ergebenden Signalamplituden werden dazu benutzt, den Arbeitspunkt der CCD-Schleife zu sta­ bilisieren und den Einfluß der Sperrströme zu eliminie­ ren. Dies geschieht gemäß Fig. 4 mit der Bewerterschal­ tung B und der Torschaltung T. Durch einen nicht näher gezeigten Steuermechanismus werden die jeweiligen die Referenzwerte S 0 vertretenden Ladungen von der Bewer­ terschaltung übernommen. Überschreitet die sich ergeben­ de Signalamplitude einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird die entsprechende überschüssige Ladungsmenge über die Torschaltung T vorzugsweise gegen Nullpotential ab­ geführt. 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 Schaltungsanordnung ist, daß Parameterschwankungen nicht die Güte der Fil­ terschaltung, sondern nur den Arbeitspunkt und somit den Dynamikbereich beeinflussen. Die Einkopplung von einer vorausgehenden CCD-Schleife kann vorteilhafter­ weise 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 Gleichstromanteil in der CCD-Schleife, der jedoch über die aus Bewerter­ schaltung B und Torschaltung T bestehende Regelschal­ tung 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-Ausgangs­ stufe ausgeführt sein, wobei ein sog. "Floating Gate Amplifier" besonders vorteilhaft ist, da die Ladung im CCD nicht beeinflußt und somit der Ladungstransport in der CCD-Schleife nicht gestört wird. Dabei ist es zweck­ mäßig, die Ausgangsstufe des CCD und die Bewerterschal­ tung B in einer einzigen Stufe zusammenzufassen, wobei jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Referenzwert S 0 an die Torschaltung T und jeweils zu einem anderen bestimmten Zeitpunkt ein dem Nutzsignal 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. Vorteilhafterweise kann bei Anordnung mehrerer CCD-Schleifen in einer Filter­ schaltung jeweils nach dem Auslesen der Referenzwerte S 0 aus allen betreffenden Stufen die gleiche Ladungsmenge abgeführt werden. Es ist außerdem vorteilhaft, durch Sperrströme in die an sich leer belassenen Stufen ge­ lieferte Ladungsträger mit dem betreffenden Takt abzu­ führen.

Eine vereinfachte Betriebsart gemäß Fig. 3a) ist dadurch ermöglicht, daß die Differenz zwischen jeweils einer Signalamplitude und der einer "leeren" Senke entsprechen­ den Signalamplitude gebildet wird und das so gewonnene Signal weitergeleitet wird. Dadurch kann ebenfalls der Einfluß der Sperrströme eliminiert werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betrieb von nach dem Charge-Coupled- Device (CCD)-Prinzip aufgebauten rekursiven Filterschal­ tungen oder Analogspeicherschaltungen, bei dem jeweils nur jede zweite Stufe eines CCD mit einer einen Abtast­ wert eine Analogsignals vertretenden Ladung besetzt wird und die jeweils zwischen diesen betreffenden Stufen liegenden Stufen leer belassen bleiben, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen die die ein­ zelnen Abtastwerte (S 1, S 2 . . .) eine Nutzsignals darstellenden Ladungen Referenzwerte (S 0) eines Referenzsignals vertretende Ladungen eingefügt sind, daß die Amplituden der Referenzwerte (S 0) bewertet werden und daß bei jedem Takt derjenige Ladungsanteil des betreffenden Referenz­ wertes (S 0), der eine einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitende Amplitude vertritt, aus dem Schiebezyklus ausgetastet und abgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Referenzwerte (S 0) darstellenden Ladungen so bemessen sind, daß die Potentialsenken etwa zur Hälfte gefüllt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Anordnung mehrerer CCD-Schlei­ fen in einer Filterschaltung oder einer Analogspeicher­ schaltung 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 Sperr­ ströme in die an sich leer belassenen Stufen gelieferte Ladungsträger mit dem betreffenden Takt abgeführt werden.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ 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 Anschluß­ punkt Signale über einen Ausgangssignalverstärker und einen Ausgang (A) Signale entnehmbar sind, daß einen Be­ werterschaltung (B) vorgesehen ist, die mit einem Be­ wertereingang an den zweiten Anschlußpunkt angeschlos­ sen 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 der Aus­ gang der Torschaltung (T) auf ein Bezugspotential, vor­ zugsweise Nullpotential, gelegt ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bewerterschaltung (B) als an sich bekannte CCD-Ausgangsstufe mit einem Ver­ stärker mit schwebendem Gate ausgeführt ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Torschaltung (T) nach Art einer CCD-Eingangsstufe ausgeführt ist und daß die auszutastende und abzuführende Ladungs­ menge 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 gangsstufe ausgeführte Bewerterschaltung (B) in einer einzigen Stufe zusammengefaßt sind und daß diese einzige Stufe zu einem bestimmten Zeitpunkt eine einen Referenz­ wert (S 0) darstellende Ladung an die Torschaltung (T) und zu einem anderen bestimmten Zeitpunkt eine einen Ab­ tastwert (S 1, S 2 . . .) eines Nutzsignals darstellende La­ dung an die nachgeordnete CCD-Schleife abgibt.