DE2845198A1

DE2845198A1 - Ladungs-uebertragungsschaltung

Info

Publication number: DE2845198A1
Application number: DE19782845198
Authority: DE
Inventors: Walter John Butler; Charles Mcdonald Puckette
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-10-17
Filing date: 1978-10-17
Publication date: 1979-04-19
Also published as: US4156152A; FR2406289A1; US4156233A; JPS5470779A

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady, New York 12305 (USA)

Ladungs-Übertragungsschaltung

Die Erfindung betrifft eine Ladungs-Übertragungsschaltung sowie eine Iadungsübertragungsschaltung zur Verwendung in Analog-Digital-Wandlern.

Ladungs-Übertragungsschaltungen der obigen Art sind insbesondere bei monolithischen Analog-Digital-Wandlern brauchbar, wie sie in der US-Patentanmeldung S.N. 6 28,54 beschrieben sind. Beispielhaft für verschiedene andere Anwendungen dieser Schaltungen ist die Schaltung nach der US-PS 3 819 954, die eine Verzögerungschaltung zur Ladungsübertragung beschreibt.

Obwohl sich die Einsätze der Ladungs-Übertragungsschaltungen ändern, besteht die gemeinsame Anforderung an Analog-Digital-Wandler mit Ladungsübertragung darin, daß ein jeweils gleicher Ladungsbetrag während jedes Ladungstransportes in den zweiten Ladungsspeicher übertragen werden soll. Diese Anforderung ist besonders kritisch, wenn es erforderlich ist, daß der Analog-Digital-Wandler eine sehr genau Messung liefert.

Bei derartigen Anwendungen ist ein dem zu konvertierenden Signal proportionales Signal an einen ersten Ladungsspeicher angelegt. Während jeder von einer Anzahl von Ladungsübertragungen wird ein abgemessenes Ladungspaket, das der Größe des an den ersten Ladungsspeicher angelegten Signales proportional ist, in den zweiten Ladungsspeicher übertragen. Da im Idealfall die Größe

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— 0 ·"

jedes abgemessenen Ladungspaketes konstant und dem an den ersten Ladungsspeicher angelegten Signal proportional ist, ist die Zahl der abgemessenen Ladungspakete, die zum Aufladen des zweiten Ladungsspeichers von einem ersten auf einen zweiten Wert erforderlich ist, im Idealfall proportional der Größe des zu konvertierenden Analogsignals.

Bei realen Ausführungen ist die eben beschriebene Beziehung durch thermisch und/oder optisch hervorgerufene Leckströme in dem Halbleiter-Substrat,in welchem der erste und der zweite Ladungsspeicher sowie der Ladungs-Übertragungstransistor vorzugsweise gebildet sind, verändert. Cine Leckstrommenge Q wird hierbei während

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jedes Ladungsübertragungszyklus in dem zweiten Ladungsspeicher gesammelt. Da sich die Größe dieses thermischen oder optischen Leckstromes mit der Temperatur oder Beleuchtung ändert, verändert sich die Zahl der Ladungspakete, die zur Änderung der an dem zweiten Ladungsspeicher gespeicherten Ladung von einem ersten auf einen zweiten Wert erforderlich sind mit dem Wechsel dor Substrattemperaturen oder BeleuchtungswerteVSolche Veränderungen ergeben ungenaue Messungen.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Ladungs-Übertragungsschaltung zu schaffen, bei der diese Änderungen so berücksichtigt v/erden, daß ein Temperatur- oder Umgebungsbeleuchtung- unabhängiges Ausgangssignal erzeugt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die genannte Ladungs- Übertragungsschaltung gekennzeichnet dadurch,daß sie einen ersten Ladungsspeieher, einen zweiten Ladungsspeicher sowie zur übertragung einer Vielzahl von einzelnen Ladungspaketen von dem ersten Ladungsspeicher zu dem zweiten Ladungsspeicher ein Schaltmittel enthält und die Größe der Ladungspakete eine Funktion sowohl der Ladung an

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dem ersten Ladungsspeicher unmittelbar vor Beginn der Ladungsübertragung als auch der Größe eines Leckstromes des Schaltmittels zur Ladungsübertragung ist, daß zum Nachladen des ersten LadungsSpeichers ein Nachladeschal tmittel vorhanden ist, durch das der erste Ladungsspeicher nach jedem Ladungstransport auf einen Wert aufladbar ist, der von einem vorbestimmten Wert um einen Betrag abweicht, der zum Ausgleich der Größenänderungen des Leckstromes ausreichend ist, und daß der zweite Ladungsspeicher bei jeder Ladungsübertragung ein gleiches Ladungsinkrement aufnimmt, und zwar innerhalb- eines vorbestimmten Temperatur- und Beleuchtungsbereiches unabhängig von Änderungen der Temperatur und der Beleuchtung und weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Halbleiter-Substrat ein erster Ladungsspeieher, ein zweiter Ladungsspeicher und zur übertragung einer Vielzahl von einzelnen Ladungspaketen ein Ladungs-Übertragungsschaltmittel gebildet sind, daß die Ladungspakete jeweils zwei Anteile aufweisen, nämlich einem ersten Anteil der von der Ladung herrührt, die an dem ersten Ladungsspeicher gebildet ist und dem zweiten Anteil, der aus einem thermisch erzeugten Substrat-Leckstrom, dessen Größe sich als Funktion der Substrattemperatur verändert, erzeugt ist, daß weiterhin zur Bildung eines Korrektursignals, welches sowohl für die in dem zweiten Ladungsspeicher als Folge des zweiten Anteils aufaddierten Ladungen als auch für die durch das Substrat als Funktion des Leckstromes unmittelbar zugeaführte Ladung kennzeichnend ist, ein Schaltmittel vorhanden ist, und daß schließlich zur von dem Korrektursignal abhängigen Änderung des zu konvertierenden Analog-Signals um einen Wert der dem Ladungswert entspricht, der von dem zweiten Ladungsspeicher infolge des zweiten Anteils aufaddiert ist, ein entsprechendes Schaltmittel vorhanden ist.

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Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung sind Größenänderungen des thermisch oder optisch hervorgerufenen Leckstromes dadurch kompensiert, daß die Größe der Ladung in dem ersten Ladungsspeicher vor jeder Ladungsübertragung um einen Betrag verändert ist, der genügte um die Größenänderungen des Leckstromes auszug!eichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der erste Ladungsspeicher nach jeder La-* dungsübertragung nachgeladen,, wobei sich der Wert auf den dor erste LaJungsspeicher nachgeladen ist, mit einer umgekehrten Funktion, wie der Anstieg oder Abfall des Lscks-tromes verändert«

In einem zweiten Ausfuhrungsbeispxel ist die vor dem Ladungs transport in äera ersten Ladungsspeicher gespeicherte Ladung konstant gehalten^ und es wird zugelassen,, daß sich die Größe der in. den zweiten Ladungsspeicher übertragenen Ladung· als eine Funktion des Leckstromes verändert= Derartige Veränderungen v/erden durch Integration des Leckstroir.cs innerhalb der Meßperiode,während der Ladungen in den sv/eiten Ladungsspeicher übertragen werden^und durch Addition des Integrationssignals zu einer Änaiog-Spannung berücksichtigt, wobei die Ladung in dem zweiten Ladungsspeicher mit dieser Analog-Spannung verglichen ist. Durch geeignete Einstellung des Wertes der Integra-= tionskonstanten, die zn dem Integrationsvorgang gehört^ ist es möglich, die Fehler auszugleichen, die in den Ladungsmeßvorgang durch Änderungen der Größe des Leck-3troir.es eingeführt sind.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiole des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen;

Fig. 1 ein erstes Ausführuncrsbeispiel des Gegenstandes dar Erfindung in einem Blockdiagramm,,

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Fig. 2a

2b zwei Kurven zur Veranschaulichung des Konvertierungsvorganges, wobei die Größe der übertragenen Ladungspakete unabhängig bzw. abhängig von dem Leckstrom ist,

Fig. 3 die Schaltung nach Fig. 1, in einer Ausführung in MOS-Technik,in einer' geschnitten Darstellung,

Fig. 4 ein Schaltbild des ersten Ausführungsbeispieles, verwendet in Verbindung mit einem Eimerketten-Analog-Digital-Wandler und

Fig. 5 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des Gegenstandes der Erfindung, verwendet in Verbindung mit einem Eimerketten-Analog-Digital-Wandler.

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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Bauelemente; in Fig. la ist eine erfindungsgemäße Ladungs-Ubertragungsschaltung gezeigt und mit 10 allgemein bezeichnet. Vorzugsweise ist die Ladungs-Übertragungsschaltung 10 eine monolithische Schaltung, die einen ersten Ladungsspeicher 11, einen zweiten Ladungsspeicher 12 und einen Transistor 14 zur Ladungsübertragung enthält, die alle auf einem einzigen Halbleiter-Substrat gebildet sind. Der Transistor 14 zur Ladungsübertragung wird an seinem Gateanschluß 15 durch Schaltimpulse beaufschlagt, wobei jeder Schaltimpuls bewirkt, daß der Transistor 14 ein abgemessenes Ladungspaket Q„ von dem ersten Ladungsspeicher 11 in den zweiten Ladungsspeicher 12 überträgt. Demgemäß setzt sich die Größe Q jeder inkrementalen Ladungsänderung an dem zweiten Ladungsspeicher 12 aus zwei Anteilen zusammen, nämlich der Ladung Q des übertragenen Ladungspaketes und zusätzlich der Ladung Q die von einem Leckstrom

Xj

herrührt, der während jedes Ladungs-Ubertragungsintervalls oder -zyklus im zweiten Ladungsspeicher 12 vom Substrat her zugeführt wird.

Wie in Fig. 2a dargestellt, wird die in dem zweiten Ladungsspeicher 12 gespeicherte Ladung Q durch Abtasten eines Eingangs mit einem Wert Q, initialisiert. Daran anschließend beginnt der Konvertierungsvorgang und es werden nunmehr so lange Ladungspakete der Größe Q„ in den zweiten Ladungsspeicher 12 übertragen, bis ein Durchschaltwert Q erreicht ist, bei dem der Konvertierungsvorgang beendet ist. Jeder Ladungs-übertragungsschritt entspricht einem einzigen Zählerwert, die, um den gesamten Zählerwert der Umwandlung zu bestimmen, akkumuliert werden. Eine erste Umwandlungskurve 16 stellt den gewünschten (idealisierten) Fall dar, bei dem kein Leckstrom auftritt. Der Ladungswert Q wird durch das Abtasten beim

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Konvertierungsstart konstant gehalten, während die in dem zweiten Ladungsspeicher 12 gespeicherte Ladungsänderung nur in abgemessenen Schritten der Größe Q„ ansteigt,bis der Wert Q mit einem Zählerstand am gewünschten Ende der Konvertierung, beispielsweise 9 Zählerschritte oder 9 0,,/erreicht ist. Eine zweite Konvertierungskurve 17 zeigt einen Ladungszuwachs 18 an dem zweiten Ladungsspeicher 12 um einen Wert Q , der proportional dem Leckstrom in einen willkürlichen Zeitintervall zwischen dem Abtasten des Anfangswertes und dem Konvertierungsstart ist. Demgemäß beträgt nach der ersten übertragung eines Ladungspaketes Q der Wert der Ladung Q +Q +Q ,anstatt dem erwarteten (im Leckstrom freien Fall) Wert von CL+Q^,. Der Leckstrom fügt ständig Leckladungen Q_T hinzu und bewirkt somit daß an dem zweiten Ladungsspeicher 12 ein größerer Ladungsbetrag gespeichert ist, als er bei einer genauen Konvertierung gespeichert wäre. Auf diese Weise wird ein tatsächliches Konvertierungsende 19 mit einer Anzahl von Ladungspaketübertragungen erreicht, die kleiner ist als die Zahl, die einer genauen Konvertierung eines analogen Eingangssignales entspricht; der Betrag des Konvertierungsfehlere ist dem Leckstrom proportional, der an dem Ladungsspeicher 12 die Veränderungen der gespeicherten Ladung hervorruft.

Um dieae Veränderung zu kompensieren, v/eist die erfindungsgemäß= Schaltung eine Leckstromkompensationsschaltung 20 a,uf, die den ersten Ladungsspeicher. 11 nach jedem Ladungstransport auf einen Wert nachlädt, der eine umgekehrte Funktion des Substratleckstromes (I ) ist. Im einzelnen bedeutet dies, daß der Wert auf den der Ladungsspeicher 11 nach jeder Ladungsübertragung aufgeladen ist, um einen vorbestimmten Wert schwankt, der ausreicht, um die Veränderungen der Größe des

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Substratleckstroms I wettzumachen, so daß der Transistor

14 zur Ladungsübertragung von dem ersten Ladungsspeicher 11 in den zweiten Ladungsspeicher 12 während jedes Ladungstransportes einen veränderlichen Ladungsbetrag überträgt, wodurch bei jeder übertragung zu dem zweiten Ladungsspeicher 12 die gesamte Ladungsänderung konstant ist,und zwar innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches unabhängig von Temperaturänderungen des Transistors. Auf diese Weise ergibt sich eine in Fig. 2b dargestellte kompensierte Kurve 21, bei der^um die Leckladung Q_ in dem Zeitintervall jeweils zwischen den Ladungsübertragungen zu berücksichtigen,kompensierte Ladungspakete kleinere Ladungen Q * übertragen und somit bewirken, daß das tatsächliche Konvertierungsende innerhalb eines Zählerwertes des tatsächlichen Zählerwertes auftritt, der ohne das Vorliegen von Leckstrom erreichbar ist.

Fig. 3 veranschaulicht einen Querschnitt durch ein monolithisches Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Fig. 1. Ein Halbleitersubstrat 22 mit einer ersten Leitungsart, beispielsweise η-leitend,ist mit vier dotierten Bereichen 28, 30, 32 und 34 versehen, die jeweils von einer ersten Oberfläche 24 nach unten in Richtung auf eine zweite Oberfläche 26 ragen,ohne jedoch diese zu erreichen. Die Bereiche 28 bis 34 können durch jedes geeignete Verfahren, wie Diffusion, Epitaxialtechnik, Jonenimplantation oder einem anderen bekannten Verfahren, hergestellt sein. Die Bereiche 28 bis 34 sind vom umgekehrten Leitungstyp, so daß auf dem Halbleiter-Substrat 22 dieses Ausführungsbeispiels p-leitende Bereiche dargestellt sind. Auf der Oberfläche 24 befindet sich eine isolierende Oxidbeschichtüng 36. Weiterhin sind Niederführungslöcher vorgesehen, um zum ohmischen

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Anschluß der p-leitenden Bereiche 28 bzw. 34 metallische Kontaktierungen 38 und 44 zu ermöglichen. Die metallischen Kontaktierungen 45, 46 und 47 liegen isoliert über der Oberfläche 24. Die metallischen Kontaktierungen 38, 42, 44 und 46 sind jeweils mit elektrischen Anschlüssen 48, 52, 54 bzw. 15 versehen, während die metallischen Kontaktierungen 45 und 47 beim Anschluß geeigneter elektrischer Spannungen mit der elektrischen Masse verbunden sein können.

Die Ladungs-übertragungsschaltung 10 nach Fig. 3 kann allgemein als Implementierung einer MOS-Eimerkettenschaltung für den Ladungs-übertragungsschaltungsteil des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Viandlers betrachtet v/erden. Dementsprechend weist die Ladungs-übertragungsschaltung 10 nach Fig. 3 einen ersten Ladungsspeicher auf, der von der Elektrode 45 und dem p-dotierten Bereich 30 (hierbei wirkt die isolierende Oxidbeschichtung 36 als Dielektrikum) gebildet ist; der Transistor 14 zur Ladungsübertragung ist durch die p-dotierten Gebiete 30 und 32 (die Drain und Source des Transistors ergeben) und der metallischen Kontaktierung 46 (die das Gate des Transistors darstellt) gebildet und der zweite Ladungsspeieher 12 ist von der metallischen Kontaktierung 47 und dem p-dotierten 3ereich 32 (wobei die isolierende Oxidbeschichtung 36 wiederum als Dielektrikum wirkt) erzeugt. Vorzugsweise ist der erste Ladungsspeichor 11 an seinem elektrischen Anschluß 48 geerdet, genauso wie der zweite Ladungsspeicher 12 an seinem elektrischen Ladungsspeicher 58 ebenfalls geerdet ist. Drain und Source des Transistors 14 sind an den p-Gebieten 30 bzw. 32 mit dem ersten und dem zweiten Ladungsspeicher 11 und 12 verbunden. Die zur Ladungsübertragung verwendeten Schaltimpulse werden an dem elektrischen Anschluß 15 in das Gate des Transistors 14 eingespeist.

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Der Ausgang der Eimerkettenschaltung (d.h. die Speicherladung an dem zweiten Ladungsspeicher 12) ist von einem mit dem n-Gebiet 32 verbundenen Sourccfolger 60 überwacht.

Der thermisch hervorgerufene Leckstrom I ist an der zweiten Oberfläche 26 des Substrates 22 gemessen und fließt in dem in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel in Richtung von der zweiten Oberfläche 26 zur ersten Oberfläche 24. Der Leckstrom I v/ird von

einer Leckstromkompensationsschaltung 20 erfaßt, die eine entsprechende Spannung, welche sich als Funktion der Größe des Leckstromes I ändert, an das p-Gebiet 28 anlegt.

Die Wirkungsweise der Ladungs-übertragungsschaltung 10 kann besser anhand der Fig. 4 verstanden werden. Fig. 4 stellt ein Ausführungsbeispiel der Ladungs-übertragungsschaltung als einen Eimerketten-Analog-Digital-Wandler dar. Derartige Analog-Digital-Wandler sind ausführlich in der US-Patentanmeldung S.N. 6 28,54 2 beschrieben. Die Wirkungsweise derartiger Schaltungen ist bekannt und braucht hier nicht ausführlich beschrieben zu v/erden. Eine kurze Beschreibung der Wirkungsweise dieses Teil der Analog-Digital-Wandlerschaltung nach Fig. 4 wird jedoch gegeben.

Das grundlegende Prizip bei Eimerketten-Analog-Digital-Wandlern besteht darin, daß die Anzahl der Ladungspakete die erforderlich sind, um die Spannung an einem Speicherglied, beispielsweise einem Kondensator von einem ersten Bezugswert auf einen zweiten/dem umzuwandelnden Analog-Signal entsprechenden Wert, zu erhöhen, der Größe.des Analog-Signals proportional ist. Demgemäß ist es durch

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Zählen der Anzahl der in den Ladungsspeicher übertragenen Ladungspakete möglich, eine digitale Darstellung der konvertierten Analogspannung zu erhalten.

Das obige Prinzip auf <3ie Schaltung nach Fig. 4 angewendet, bedeutet, daß der zweite Ladungsspeicher 12 durch einen Schalttransistor 56, der von einem negativen Schaltimpuls -V „ aufgesteuert ist,auf einen ersten vorbestimmten Wert -V vorgeladen wird. Nachdem der Kondensator C„ auf die Spannung -V voraufgeladen ist, werden eine Anzahl einzelner Ladungspakete von dem ersten Ladungsspeicher 11 (Kondensator C.) in den zweiten Ladungsspeicher 12 (Kondensator C_) übertragen.

Jede Ladungsübertragung ist von einem Ladungsübertragung Schaltimpuls -V - ausgelöst, der an das Gate des Transistors 14 zur Ladungsübertragung angelegt ist. Der Transistor 14 zur Ladungsübertragung ist als "shelf" Transistor betrieben, d.h. der Transistor 14 ist durchgesteuert, wenn an sein Gate ein negativer Schaltimpuls -V .. angelegt ist und sperrt, wenn seine Source-Spannung auf einen Betrag abfällt, der gleich der Gate-Spannung V .. minus seiner Durchlaßspannung V, ist. Als Folge dieser Betriebsweise des Transistors 14 zur Ladungsübertragung steigt die Spannung an dem Kondensator C₉ (d.h. sie wird weniger negativ) während jedes Ladungstransportes um einen Betrag

AV = (V_gl - V_t - V_cl)/K + Q₀ZNC₁ (1)

an, wobei mit V, die Durchlaßspannung des Transistors 14/ N das Verhältnis C₂/C und Q die Leckladung des Substrates bezeichnet (und angenommen wird C₉ = NC₁). In der obigen Gleichung repräsentiert der Ausdruck (V -V- V )/N

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eine Spannungsänderung gemäß dem Ladungspaket und der Ausdruck Q /NC repräsentiert das Spannungsinkrement gemäß dem Substrat-Leckstrom.

Nach K Ladungsübertragungen ist die Spannung an dem Kondensator C„ von -V Volt auf einen dem zu konvertierenden Analog-Signal -V. entsprechenden Wert angestiegen. An diesem Punkt erzeugt ein Komparator 58, an dessen ersten Eingang über den Source-Folger 60 die Spannung von Kondensator C„ und an dessen zweiten Eingang die Analogspannung -V. anliegt, ein Ausgangssignal, wodurch der Zähler gegen das Zählen der Zahl der in den Transistor 14 zur Ladungsübertragung eingespeisten Schaltimpulse verriegelt ist. Der Zählerstand des Zählers ist nunmehr eine Darstellung der Größe der konvertierten Analogspannung -V. . Aus dem Obenstehenden dürfte ersichtlich sein, daß jede Änderung der während jeder Ladungsübertragung in C_ gesammelten Ladung Ungenauigkeiten beim Konvertierungsvorgang erzeugt. Beispielsweise ergeben Veränderungen der Substrattemperatur Veränderungen der Größe des zweiten Terms der obigen Gleichung (1) und erzeugen somit eine ungenaue Konvertierung.

Um Änderungen der Größe des zweiten Terms aus Gleichung (1) zu kompensieren weist die Schaltung nach Fig. 3 eine Leckstromkompensationsschaltung auf, welche die Größe des ersten Terms aus Gleichung (1) in einer umgekehrten Funktion zu den Änderungen der Größe des zweiten Terms aus Gleichung (1) ändert, um so sicherzustellen, daß die Spannungsänderung Δ V an dem Kondensator C_ nach jeder Ladungsübertragung im wesentlichen konstant bleibt. Insbesondere verändert die Leckstromkompensationsschaltung nach Fig. 3 die Größe der Spannung V₁ um einen Betrag

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der ausreicht, um,v/egen der Änderungen des Wertes der Leckladungen Q _ydie Änderungen der Größe des zweiten Terms aus Gleichung {1) auszugleichen.

Die Leckstromkompensationschaltung nach Fig. 4 enthält einen Leckstroinwiderstand R , einen Differenzverstärker 30 und einen Schalttransistor 62. Der Leckstromwiderstand R ist zwischen den invertierenden

Eingang des DifferenzVerstärkers 30 und Masse geschaltet.

Der Substrat-Leckstrom I ist in den Leckstromwider-

stand R eingespeist, um so eine Leckstromkompensationsspannung -V z-u erzeugen, die an dam invertierenden Anschluß des Differenzverstärkers 30 anliegt. Weiterhin ist an den nichtinvertierenden Anschluß des Differenzverstärker eine Konstantspannung -V angelegt und das Differenzsignal

^Vref * ^{k (}-^Vc ⁺ V

ist in den Sourceanschluß des Schalttransistors 62 eingespeist {hierbei bezeichnet k den Verstärkungsfaktor des DifferenzVerstärkers 30). Die Größe des Signals ~^v _ref ändert sich demzufolge mit der umgekehrten Funktion der Größe des Leckstromes I .

Nach jeder Ladungsübertragung wird der Schalttransistor 62 durch einen Schaltimpuls -V ₃ durchgesteuert und bewirkt, daß der Kondensator C. nach jeder Ladungsübertragung erneut auf einen' Wert -V ^ nachgeladen wird. Da sich die Größe des Signals -V _f mit einer umgekehrten Funktion, wie der Leckstrom I verändert, ist es möglich, den Kondensator C auf einen Wert nachzuladen, so daß die Größenänderungen des zweiten Terms aus Gleichung (1) durch geeignete Wahl des Wertes der Verstärkungskonstante k aus Gleichung (2) ausgeglichen sind.

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Ein einfaches Beispiel mag genügen, um die Art und Weise zu veranschaulichen, nach der für eine spezielle Anwendung der Wert der Verstärkungskonstante k gewählt werden könnte. Der Wert der Differenzspannung -V _ kann wie folgt geschrieben sein:

V . = k {V - I R ) (3)

ref c ο ο

demgemäß steigt die Spannung an dem Kondensator C um einen Betrag:

nach jeder Ladungsübertragung.

Wenn nunmehr angenommen ist, daß die Temperatur während des Normalbetriebs des Analog-Digital-Wandlers um 1O° C ansteigt, verdoppelt sich näherungsweise der Wert des Leckstromes und der Leckladung I bzw. Q . In diesem

^ ο ο

Fall ändert sich der Anstieg der Spannung an dem Kondensator C„ während jeder Ladungsübertragung von dem Wert der in Gleichung (4) beschrieben ist, auf einen Wert:

= <V - V_t + kF_cl - 2kI_QR_o)/N + 2Q₀ZUC₁, (5)

Der Vergleich der Gleichungen (4) und (5J zeigt, daß, wenn die Größe der Verstärkungskonstanten k gemäß nachstehender Gleichung beschrieben ist

^{= Q}o

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es möglich ist Δ V in einem Temperaturbereich konstant zu halten, vorausgesetzt, daß die Annahme über die .Temperatürabhängigkeit des Leckstromes richtig ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann eine ähnliche Rechnung verwendet werden.

In Fig. 5 ist ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiels gezeigt. Die Wirkungsweise der Eimerkettenschaltung, die die Kondensatoren C₁ und C„, die Schalttransistoren 56 und 6 2 sowie den Transistor 14 zur Ladungsübertragung aufweist, ist im wesentlichen, wie bereits oben beschrieben. Jedoch ist die an den Sourceanschluß des Transistors 6 2 angelegte Spannung auf einem konstanten Wert -V„ gehalten. Aus diesem Grunde verändert sich die während jeder Ladungsübertragung durch den Kondensator C₉ akkumulierte Ladung als eine Funktion des Leckstromes I . Um diese Veränderung zu kompensieren, weist die Ladungs-Übertragungsschaltung nach Fig. 5 eine Leckstromkompensationsschaltung 64 auf, die den Leckstrom über das Meßintervall während dem Ladungspakete von dem Kondensator C₁ zu dem Kondensator C^ übertragen v/erden, auf integriert und dieses Integrationssignal der zu konvertierenden Analog-Spannung -V. hinzufügt. Die Leckstromkompensationsschaltung enthält einen Komparator 66, einai Integrationskondensator

C-, einen Leckstromwiderstand R sowie einen Addierer j ο

Durch geeignete Wahl des Kapazitätswertes von C, ist es möglich, den Analog-Digital-Wandler temperaturunabhängig zu machen.

Der Spannungsanstieg an dem Kondensator C- nach jeder Ladungsübertragung ist durch die obige Gleichung (1) gegeben. Wenn angenommen ist, daß k Ladungspakete in den Kondensator C eingespeist sein müssen, damit die Spannung an dem Kondensator C die Umschaltspannung

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des Konparators 58 erreicht, ergibt sich der Wert der durch den thermischen Leckstrorti I hervorgerufenen Fehlerspannung an dem Kondensator C zu kO /NC,. Da die Größe des Leckstroms I bei einer gegebenen Temperatur konstant ist, ergibt sich die Ausgangsspannung des linearen Integrators 64 zu:

I t
^V f

cor

hierbei sei angenommen, daß der Integrator 32 durch Anlegen eines negativen Schaltimpulses V . an das Gate eines Schalttransistors 72 zu Beginn jedes Konvertierungsintervalls zurückgesetzt ist. Wenn die vergangene Zeit t = KT gesetzt wird, wobei T = 1/f und f die Frequenz des negativen Schaltimpulses -V ist, lautet Gleichung (7)

I TK

V = — (8)

cor ^v

^C3

Da der Zweck der Leckstromkompensationsschaltung 64 darin besteht, den Betrag der während jedes Ladungstransportes dem Kondensator C_ zugeführten Spannungsfehler auszugleichen, sollte sein Ausgangssignal V gleich der Fehlerspannung an dem Kondensator C« sein, die sich durch den Fehlerstrom I während des Meß-

Intervalls ergibt, in dem Ladung von dem Kondensator C zu dem Kondensator C₂ übertragen wird. D.h. das Ausgangssignal V soll gleich der aus dem zweiten Term der Gleichung (1) sich ergebenden Fehlerspannung an dem Kondensator C_ sein. Das obere Ergebnis folgt, wenn die Gleichung (8) der gesamten Spannung gleichgesetzt wird, die,wie durch den zweiten Term von

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Gleichung (Γ) beschrieben, während k Ladungstransporten dem Kondensator C zugeführt ist oder anders dargestellt:

Auf diese Weise ist, wenn der Kondensator zu C_ = (NC,I T)/Q ausgewählt ist, die ümschaltspannung an einem Eingang
74 des Komparators 70 in geeigneter Weise für die Fehler korrigiert, die durch den Substrat-Leckstrom I in den
Ladungsmeßvorgang eingeführt sind.

Bei der bisherigen Beschreibung der Erfindung ist angenommen, daß die Transistoren 14, 56, 6 2 p-Kanal MOSFET-Transistoren sind. Es dürfte jedoch allgemein klar sein, daß die besprochene Schaltung auch unter der Verwendung von η-Kanal MOSFET oder anderen Transistoren ausgeführt werden könnte. Da die Verwendung von η-Kanal MOSFET-Transistoren zu einer Polaritatsumkehr aller oben beschriebenen Signale führen würde, sollte der Ausdruck
Ladung hier so verstanden sein, daß er sowohl negative als auch positive Ladungen umfaßt, und zwar je nachdem
wie es für die Ausführung der neuen Schaltungen richtig ist.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-lny.W.Gtherrmann Dr.-Ing. R. Rüger

7300 Esslingen (Neckar). Webergasse 3, Postfach 348 16. Oktober 1978 I^J.71 .O₇₁₁, *„»

PA 152 bawa 359619

Telex 07 256610 smru

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Patentansprüche Ζο4θ1ΐ3Ο

Ladungs-übertragungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten Ladungsspeieher (11), einen zweiten Ladungsspeicher (12) sowie zur Übertragung einer Vielzahl von einzelnen Ladungspaketen von dem ersten Ladungsspeicher (11) zu dem zweiten Ladungsspeieher (12) ein Schaltmittel (14) enthält und die Größe der Ladungspakete eine Funktion sowohl der Ladung an dem ersten Ladungsspeicher (11), unmittelbar vor Beginn der Ladungsübertragung, als auch der Größe eines Leckstromes (I ) des Schaltmittels (14) zur Ladungsübertragung ist, daß zum Nachladen des ersten Ladungsspeichers (11) ein Nachladeschaltmittel (20) vorhanden ist, durch das der erste Ladungsspeicher nach jedem Ladungstransport auf einen Wert aufladbar ist, der von einem vorbestimmten Wert um einen Betrag abweicht, der zum Ausgleich der Größenänderungen des Leckstromes (I ) ausreichend ist, und daß der zweite Ladungsspeicher (12) bei jeder Ladungsübertragung ein gleiches Ladungsinkrement aufnimmt, und zwar innerhalb eines vorbestimmten Temperatur- und Beleuchtungsbereiches unabhängig von Änderungen der Temperatur und der Beleuchtung.

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2. Ladungs-Übertragungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachladeschaltmittel (20) sowohl einen Referenzsignalerzeuger (30) mit einem als Funktion

der Leckstromänderungen sich verändernden Referenzsignal als auch einen nach jeder Ladungs-übertragung
betätigten Schalter (6 2) aufweist, durch den der erste Ladungsspeicher (11) auf einen Viert aufladbar ist, dessen Größe durch das Referenzsignal vorgegeben ist.
3. Ladungs-Übertragungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzsignalerzeuger ein
Schaltmittel zur Erzeugung eines die Größe des Leckstromes (I ) bestimmenden Signals (R_Q) sowie ein Schaltmittel (30)zur Addition des die Größe des Leckstromes (I )

bestimmenden Signals zu einem festen Signal (^v _c) ^zur Bildung des Referenzsignals aufweist.
4. Ladungs-Übertragungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (6 2 )einen Schalttransistor aufweist.
5. Ladungs-Übertragungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzsignalerzeuger ein
Schaltmittel zur Erzeugung eines die Größe der Kombination der Leckströme des Schaltmittels zur Ladungsübertragung und des Schalttransistors (6 2) entsprechenden Signals sov/ie ein Schaltmittel zur Addition dieses aus der Größe des kombinierten Leckstromes bestimmten Signals zu einem festen Signal zur Bildung des Referenzsignals aufweist.
6. Ladungs-Übertragungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel 04) zur Ladungsübertragung ein MOSFET-Transistor ist.

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7. Ladungs-Übertragungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (11) und zweite (12) Ladungsspeicher sowie der MOSFET-Transistor (14) auf einem Halbleiter-Substrat (22) gebildet sind und der Leckstrom (I ) der Leckstrom des Substrates (22) ist.
8. Ladüngs-übertragungsschaltung zur Verwendung in Analog-Digital-Wandlern, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Halbleiter-Substrat (22) ein erster Ladungsspeicher (11), ein zweiter Ladungsspeicher (12) und zur übertragung einer Vielzahl von einzelnen Ladungspaketen- ein Ladungs-Übertragungsschaltmittel

(14) gebildet sind, daß die Ladungspakete jeweils zwei Anteile aufweisen, nämlich einem ersten Anteil der von der Ladung herrührt, die an dem ersten Ladungsspeieher

(11) gebildet ist und dem zweiten Anteil, der aus einem thermisch erzeugten Substrat-Leckstrom (30), dessen Größe sich als Funktion der Substrattemperatur verändert, erzeugt ist, daß weiterhin zur Bildung eines Korrektursignals (V ), welches sowohl für die in dem zweiten

COx

Ladungsspeicher (12) als Folge des zweiten Anteils aufaddierten Ladungen als auch für die durch das Substrat (22) als Funktion des Leckstromes (I ) unmittelbar zugeführte Ladung kennzeichnend ist, ein Schaltmittel vorhanden ist, und daß schließlich zur von dem Korrektursignal (V ) abhängigen Änderung des zu konvertierenden Analog-Signals (V. ) um einen Wert der dem Ladungswert entspricht, der von dem zweiten Ladungsspeieher (12) infolge des zweiten Anteils aufaddiert ist, ein entsprechendes Schaltmittel (68) vorhanden ist.
9. Ladungs-Übertragungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrektursignalerzeuger einen Integrator (64) zur Integration eines die Größe des Leckstromes kennzeichnenden Signals aufweist.

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10. Ladungs-Übertragungsschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (64) für das die Größe des Leckstromes (I ) kennzeichnende Signal einen Operationsverstärker (66) mit einem invertierenden, einen nichtinvertierenden und einen Ausgangsanschluß sowie einen Integrationskondensator (C' } aufweist, der zwischen den intervenierenden Eingang und den Ausgang geschaltet ist, während das die Größe des Leckstromes (I } kennzeichnende Signal in den nichtinvertierenden Eingang eingespeist ist.
11. Ladungs-übertragungsschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,, daß der Integrationskondensator (C_) nach jeder Ladungsübertragung entladbar ist.
12. Ladungs-übertragungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaitmittel zur Veränderung des zu konvertierenden Änalog-Signals (V. } einen

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Addierer (63) enthält.

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