DE3507864A1

DE3507864A1 - Ladungsgekoppeltes querfilter

Info

Publication number: DE3507864A1
Application number: DE19853507864
Authority: DE
Inventors: Marcus Prof. Delft Kleefstra; Antonius Johannes Maria Montagne; Jan Willem Nijmegen Pathuis
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1984-03-14
Filing date: 1985-03-06
Publication date: 1985-09-19
Also published as: AU3984885A; IT8519845A0; IT1215245B; GB2160045B; US4612521A; CA1243734A; GB2160045A; AU573793B2; NL8400805A; FR2561470A1; GB8506192D0; JPS60232714A

Description

PHN 10 973 H 18.2.1985

"Ladungsgekoppeltes Querfilter"

Die Erfindung bezieht sich auf ein ladungsgekoppeltes Querfilter mit einer ladungsgekoppelten Anordnung mit einer Anzahl in Reihe angeordneter Stufen, wobei erste Mittel vorhanden sind zum Zuführen eines Eingangssignals, zweite Mittel um von diesem Eingangssignal eine Anzahl gewichteter Signale zu bilden, indem das Eingangssignal mit Gewichtungsfaktoren multipliziert wird und um die gewichteten Signale parallel in die genannten Stufen der ladungsgekoppelten Anordnung einzuführen und dritte Mittel um die eingeführten Signale durch die ladungsgekoppelte Anordnung zu einem mit Auslesemitteln verbundenen Ausgang zu transportieren, wobei die ladungsgekoppelte Anordnung vom vergrabenen Kanaltyp ist und einen an eine Oberfläche eines Halbleiterkörpers liegenden Ladungstransportkanal in Form

^ einer Oberflächenschicht von im wesentlichen dem einen Leitungstyp enthält, der über die ganze Dicke verarmt werden kann und mit einer den genannten dritten Mitteln zugeordneten Reihe von Elektroden versehen ist, die eine Gruppe von Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp enthalten, die mit je einer der genannten Stufen der ladungsgekoppelten Anordnung zusammenarbeiten, wobei in/auf jeder dieser Oberflächenzonen eine Zone vom ersten Leitungstyp angebracht ist, die durch einen zwischenliegenden Teil der zugeordneten Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp von

^⁵ der Halbleiterschicht vom ersten Leitungstyp getrennt ist. Ladungsgekoppelte Querfilter sind in der Literatur

oft beschrieben. Meistens wird dabei eine ladungsgekoppelte Anordnung (CCD) verwendet, die aus MOS-Elementen aufgebaut ist. Darin sind die Elektroden, die zur Speicherung und zum Transport von Ladungspaketen dienen in Form leitender Schichten auf einer dünnen Oxidschicht über dem Ladungstransportkanal angebracht. In einer gedrängten Ausführungsform werden die Eingangssignale dem Eingang der CCD seriell

U^'UO'CO 3 5 O 7 8 6/f

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zugeführt und die gewichteten Ausgangssignale den jeweiligen Stufen der CCD parallel entnommen und in einer Summieranordnung addiert.

Ein ladungsgekoppeltes Querfilter der eingangs erwähnten Art ist u.a. aus dem Artikel "A PISO JCCD Filter with. High-Speed Linear Linear Charge Injection" von E.A. Wolsheimer, veröffentlicht in "IEEE Journal of Solid-State Circuits", Heft SC-18, Nr. 2, April 1983, Seiten 193/200, bekannt. In dieser Anordnung wird eine CCD vom vergrabenen

W Kanaltyp verwendet, wobei der Ladungstransportkanal in einer N-leitenden Epitaxialschicht gebildet ist, die auf einem P-leitenden Substrat angewachsen ist. Die Elektroden werden durch P-leitende Oberflächenzonen gebildet, die PN-Ubergänge der Epitaxialschicht bilden. Wegen dieser Übergänge wird diese Anordnung als JCCD (junction-CCD = Ubergangs-CCD bezeichnet. Im Betrieb werden die Übergänge in der Sperrichtung vorgespannt. Im Gegensatz zu dem obenstehend beschriebenen herkömmlichen Querfilter werden von den Eingangssignalen je eine Anzahl gewichteter Signale

^£U gebildet, die der CCD parallel zugeführt, durch den Ladungstransportkarial verschoben und in der CCD mit vorher btiruitM u i iifvefniir ten f;ewi rht e I en Signalen .summiert weiden. Die <* 1 mim 1 erteil :->i.gnnlf> wpjiUmi iIiimIi iIpji Kanal /u <h?ni Aufkauf» des Kanals transportiert, wo die Ausganagssignale in Reihe entnommen werden können. (PISO = parallel-ein-Reihe-aus). Diese bekannte Anordnung bietet u.a. den Vorteil, dass zum Herstellen derselben eine Bipolartechnik angewandt werden kann, so dass das Filter zusammen mit einer Bipolarschaltung auf einem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert

werden kann. Zum Einführen der gewichteten Eingangssignale können in den zugeordneten P-leitenden Zonen N-leitende Zonen vorgesehen werden, wodurch eine bipolare Transistorstruktur mit der N-leitenden Zone als Emitter, der P-leitenden Oberflächenzone, die eine CCD-Elektrode bildet, als Basis und mit dem darunter liegenden Teil des N-leitenden Ladungstransportkanals als Kollektor erhalten wird. In der obenstehend beschriebenen Veröffentlichung ist eine Art und Weise angegeben, die gewichteten Signale als

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Emitterströme den Eingangsstufen der CCD zuzuführen.

In diesem bekannten Filter wird für jede Eingangsstufe eine Spannungs-Stromumwandiung durchgeführt. Zusammen mit den ausserhalb der CCD gebildeten Filterkoeffizienten oder Gewichtungsfaktoren, erfordert dieses Verfahren eine aufwändige Peripherie-Elektronik. Ausserdem werden zwei JCCD-Leitungen verwendet, eine für die positiven Gewichtungsfaktoren und die zweite für die negativen Gewichtungsfaktoren.

Die Erfindung bezweckt u.a. ein ladungsgekoppeltes Querfilter der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das einen einfacheren Aufbau hat und weniger Peripherie-Elektronik erfordert. Die Erfindung hat weiterhin zur Aufgabe, ein derartiges ladungsgekoppeltes Querfilter zu schaffen, dass die Stufen mit positiven und negativen Gewichtungsfaktoren in nur einer gemeinsamen JCCD untergebracht sind. Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass es auf vorteilhafte Weise möglich ist, zunächst das zu filternde Signal in einen elektrischen Strom umzuwandeln und daraufhin diesen Strom über die jeweiligen Stufen zu verteilen und zwar in einem Verhältnis, das durch die Gewichtungsfaktoren bestimmt wird.

Ein erfindungsgemässes ladungsgekoppeltes Querfilter weist dazu das Kennzeichen auf, dass Mittel vor- *^w*' 25 handen sind, mit deren Hilfe das Eingangssignal in einen elektrischen Strom umgewandelt wird, dessen Grosse durch die Amplitude des Eingangssignals bestimmt wird, dass die Oberflächen der Zonen vom ersten Leitungstyp die genannten Gewichtungsfaktoren bilden und dass diese Zonen gemeinsam mit einem Knotenpunkt verbunden sind, dem der genannte Strom zugeführt wird. Durch die Erfindung wird eine wesentliche Vereinfachung der Schaltungsanordnung dadurch erreicht, dass für die genannte Anzahl Stufen nur eine Spannung-Strom-Umwandlung erforderlich ist und dass ausserdem die Gewichtungsfaktoren nicht als einzelne Elemente ausgebildet zu werden brauchen sondern in der CCD selbst integriert sein können.

Eine bevorzugte Ausführungsform, die den Vorteil

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eines besonders gedrängten Aufbaus aufweist und zwar dadurch, dass für die positiven und die negativen Koeffizienten nur eine CCD notwendig ist, weist das Kennzeichen auf, dass die Reihe von Elektroden ausser der genannten Gruppe von Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp, weiterhin als erste Gruppe bezeichnet, eine zweite Gruppe von Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp aufweist, die ebenfalls mit je einer der genannten Stufen der ladungsgekoppelten Anordnung zusammenarbeitet und dass ebenfalls in/auf jeder dieser Oberflächenzonen eine Zone vom ersten Leitungstyp angeordnet ist, die durch einen zwischenliegenden Teil der zugeordneten Oberflächenzone vom zweiten Leitungstyp von dem ersten Leitungstyp getrennt ist, wobei die Oberfläche jeder dieser Zonen vom ersten Leitungstyp einen der genannten Gewichtungsfaktoren bildet und wobei diese Zonen ebenfalls mit einem gemeinsamen Knotenpunkt, als zweiter Knotenpunkt bezeichnet, verbunden sind und dass Mittel vorhanden sind um diesem zweiten Knotenpunkt einen Strom zuzuführen, dessen Grosse von der Amplitude des Eingangssignals umgekehrt abhängig ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Schaltplan eines erfindungsgemässen ladungsgekoppelten Querfilters,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform dieses Filters,

Fig. 3 eine Draufsicht des Beispiels nach Fig. 2, Fig. k und 5 Schnitte durch die Aus führung sforni nach Fig. 2,

Fig. 6 einen Teil der Schaltungsanordnung dieses Filters,

Fig. 7 Taktimpulsspannungen, mit denen die Anordnung nach Fig. 2 betrieben wird,

Fig. 8 die bei diesen Taktimpuls spannungen auftretenden Potentialverteilungen in dem Transportkanal,

Fig. 9 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Filters,

ORlGiNAL t--^?s

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Fig. 10 das Schaltbild der Anordnung nach. Fig. 9»

Fig. 11 den Schaltplan eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Filters, Fig. 12 den Schaltplan eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Filters.

Fig. 1 zeigt den Schaltplan eines ladungsgekoppelten Querfilters von dem Typ, auf den sich die Erfindung bezieht. Die Anordnung weist eine ladungsgekoppelte Anordnung auf, in der der Ladungstransport von links nach rechts erfolgt und wobei die Ausgangssignale dem Ausgang 2 entnommen werden können. Die Anordnung 1 ist als eine Reihe von Stufen 3 dargestellt, zwischen denen der Ladungstransport erfolgt. Die Stufen 3 sind mit Paralleleingängen 4 versehen über die parallel Eingangssignale zugeführt werden können. Diese Eingangssignale werden von dem zu filternden Signal S dadurch abgeleitet, dass das Signal S mit den Gewichtungsfaktoren a„, a.. , a„, usw. multipliziert wird. Für das Ausgangssignal V zu dem Zeitpunkt t wird also gelten: N

^Vout(t) = YZZ "π ^S(t"^nT)

n=Ö

wobei T die Verzögerung je Stufe darstellt. Die Koeffizienten a„ ... a_N lassen sich aus der gewünschten Filterkennlinie berechnen.

Fig. 2 zeigt einen Schaltplan eines derartigen erfindungsgemässen Parallel-Ein-Reihe-Aus-Querfilters. Die ladungsgekoppelte Anordnung, die in dieser Zeichnung auf schematische "Weise im Schnitt dargestellt ist, ist von dem JCCD-Typ, der in der bereits genannten Veröffentlichung beschrieben ist. Eine schematische Draufsicht eines Teils dieser ladungsgekoppelten Anordnung mit einigen Schnitten in einer Richtung quer zu der Ladungstransportrichtung ist in den Fig. 3 bis 5 dargestellt. Die Anordnung ist in einem Halbleiterkörper 6 angebracht, für den ein Aufbau gewählt werden kann, der für herkömmliche bipolarintegrierte Schaltungsanordnungen mit einem Substrat 7 aus P-leitendem Silizium und mit einer darauf gewachsenen Epitaxialschicht 8 aus N-leitendem Silizium üblich ist.

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Der -vergrabene- Kanal der JCCD ist in einem inseiförmigen Teil 9 der Schicht 8 gebildet, der durch die Inselisolierung 10 begrenzt wird. In dem betreffenden Ausführungsbeispiel wird die Inselisolierung durch eine P-leitende Zone gebildet, die sich von der Oberfläche des Halbleiterkörpers bis an das Substrat erstreckt und zwar quer durch die Epitaxialschicht 8. Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht darauf. Es dürfte einleuchten, dass auch andere an sich bekannte Inselisoliertechniken auf W vorteilhafte Weise angewandt werden können, wobei die P-leitende Zone 10 beispielsweise durch ein Muster aus Siliziumoxid oder durch Rillen ersetzt wird. Statt der MOS-Elektroden, die meistens zum Anlegen von Taktimpulsspannungen verwendet werden, werden die Elektroden durch P-leitende Gebiete 12, 13, I** und 15 gebildet, die durch PN-Ubergänge 16 von dem N-leitenden Kanal 9 getrennt sind. Wie aus der Draufsicht in Fig. 3 und aus den Schnitten nach den Fig. h und 5 hervorgeht, erstrecken sich die Zonen 12-15 über fast die ganze Breite des Kanals 9· In dem Fall, dass die Inselisolierung aus dielektrischem Material (beispielsweise SiO₀) oder aus Rillen besteht, können die Zonen 12-15 sich über die ganze Breite des Kanals (der Kanalinsel) 10 erstrecken. In dem betreffenden Fall, in dem jedoch die Inselisolierung aus einer P-leiten- ^⁵ den Zone besteht, ist zwischen der Zone 10 und den Elektroden 12-15 ein Raum 18 freigelassen, der mindestens so gross sein muss, dass bei den angelegten Spannungen "punch-through" vermieden wird. Für den Raum 18 ist hier eine Grosse von etwa k/xxxa gewählt worden. Zum Erhalten ™ einer guten Lagenbestimmuiig des Raumes 18 ist die Isolierzone 18 aus zwei Teilen zusammengesetzt und zwar 10a und 10b. Der Teil 10a, der sogenannte tiefe Teil, erstreckt sich von der Oberfläche des Halbleiterkörpers bis an das Substrat 7· Diese Zone wird meistens bereits in einer frühen Herstellungsstufe gebildet, beispielsweise unmittelbar nach dem Anwachsen der Epitaxialschicht 8. Die Zone 10b niu.T I i\pi>i <lio Zone |i)n und i'Uj¹, ( wen i ^w t cus «^run Hund ύν ν Insel 9 teilweise über den Rand der Zum* 10a. Die Zone 1Ob,

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AO

die zusammen mit den Elektroden 12-15 den Raum 18 definiert, wird gleichzeitig mit den Elektroden 12-15 angebracht und zusammen mit den Elektroden 12-15 in derselben Maske definiert. Für den Raum 18 können dadurch geringere ToIeranzen berücksichtigt werden als wenn die Inselisolierung nur aus der tiefen Zone 10a bestehen würde, wie dies in herkömmlichen Inseln üblich ist.

Die ladungsgekoppelte Anordnung wird als 4-Phasen-Quasi-2-Phasen-Anordnung betrieben. Die Elektroden 12 und Ik sind als Ubertragungselektroden wirksam und sind relativ schmal (beispielsweise etwa 10 /um). Die Elektroden 13 und sind als Speicherelektroden (storage) wirksam und haben eine Breite von etwa 20yum. Die Elektroden sind auf übliche Weise mit Taktimpulsleitungen 20-23 zum Anlegen der Spannungen 0., 0„_t $r> ^uncl $h verbunden. Die Taktimpulsleitungen 21, 22 und 23 sind durch Streifen gebildet, die aus einer ersten Verdrahtungsschicht aus beispielsweise Al hergestellt sind und die, wie aus Fig. 3-5 hervorgeht, unmittelbar über Offnungen in der die Oberfläche bedeckenden Oxidschicht Zk mit den Zonen (Elektroden) 12-14 verbunden sind. Die Taktimpulsleitiing 23 umfasst ebenfalls einen Al-Streifen der aus der ersten Verdrahtungsschicht hergestellt ist und über eine kreuzende Verbindung mit den Elektroden (Zonen) 15 verbunden ist. Diese kreuzende Verbindung umfasst einen Streifen 25 in einer zweiten Verdrahtungsschicht aus beispielsweise Al, die durch eine Isolierschicht 26 von der unteren Verdrahtungsschicht getrennt ist. Durch in der Schicht 26 vorgesehene Kontaktlöcher ist die Schicht 25 einerseits mit der Taktimpulsleitung 23 und andererseits mit der Zone 15 verbunden. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist für den Kontakt zwischen der Schicht 25 und den Elektroden I5 ein in der unteren Verdrahtungsschicht hergestellter Al-Flecken 27 vorgesehen, der einige herstellungstechnische Vorteile bietet, aber selbstverständlich nicht wesentlich ist.

Die Ausgangsstufe 31 kann von herkömmlicher Art sein und eine N-Zone 32 aufweisen, auf der die Ladung gespeichert werden kann um ausgelesen zu werden. Die Zone

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/1

kann dazu mit dem Eingang beispielsweise eines Source Folgeverstärkers 33 verbunden sein, der mit einem Ausgangsanschluss 3h versehen ist, dem die Ausgangssignale entnommen werden können. Die Zone 32 ist ausserdem mit einem Hauptelektrodengebiet eines Rückstelltransistors 35 (resettransistor) verbunden, dessen anderes Hauptelektrodengebiet an eine geeignete Bezugsspannung V gelegt werden

Γ6 S

kann. Der Transistor kann mit Hilfe des Taktimpulses 0 , der an die Gate-(Basiselektrode) des Transistors 35 angelegt wird, geöffnet und geschlossen werden.

Die Transistoren 33 und 35 sind in Fig. 5 als sogenannte JFET-Transistoren dargestellt, von denen gewünschtenfalls der Transistor 35 in der Insel (Kanal) 9 selbst angebracht werden kann, aber auch in einer anderen in dem Halbleiterkörper gebildeten Insel liegen kann.

Der Transistor 33 ist in einer einzelnen Insel angebracht. Es dürfte ausserdem einleuchten, dass auch andere Transistortypen als JFETs 33 und 35» wie Bipolartransistoren, verwendet werden können.
Zwischen der letzten Taktimpulselektrode (Zone) und der N-Zone 32 ist eine zusätzliche Elektrode, die durch eine P-leitende Zone 36 gebildet ist, angebracht, die auf eine konstante Spannung Vd.c. gebracht wird und die Übersprechen zwischen den Taktimpulsspannungen und dem Ausgang vermeidet. Der Viert Vd. c. kann von dem Fachmann auf einfache Weise zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel der Taktimpulsspannung, die an die Elektroden 15 angelegt wird, gewählt werden.

Die Eingangsstufen, über die die gewichteten Eingangssignale parallel eingeführt werden, sind mit den Elektroden 13 völlig integriert. Dazu sind in den P-leitenden Zonen 13 j die mit diesen Eingangsstufen zusammenarbeiten, N-leitende Oberflächenzonen 37 vorgesehen, die über einen Anschluss 38 mit einer Stromquelle 39 gemeinsam verbunden sind, mit der ein signalabhängiger Strom zugeführt werden kann. Die Zonen 37 bilden je den Emitter einer bipolaren Transistorstruktur, deren Basis durch die P-leitende Zone 13 und deren Kollektor durch den darunter

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At

liegenden Teil des Kanals 9 gebildet wird. Die Gewichtungsfaktoren, in dem Schaltplan in der Figur durch a_Q, a-... a bezeichnet, werden in der erfindungsgemässen Anordnung durch die Grossen der Emitteroberflachen der Zonen 37 gebildet. In der Draufsicht nach Fig. 3» in der nur drei Eingangsstufen dargestellt sind, sind beispielsweise die Emitterelektroden mit von links nach rechts zunehmender Länge dargestellt. Weil zum Erhalten der gewünschten Filtertechnik ein genaues Verhältnis der Emitteroberflächen von Bedeutung ist, ist es vorteilhaft, dass die Emitterelektroden 37 bei unterschiedlichen Langen nahezu dieselbe Breite aufweisen.

Dadurch, dass die Emitterelektroden 37 miteinander verbunden sind, ebenso wie die Basiszonen 13> sind die Emitter-Basis-Spannungen in den jeweiligen Transistoren einander gleich und werden die Verhältnisse zwischen den Strömen in den jeweiligen Stufen durch die Verhältnisse zwischen den Emitteroberflächen der Emitterzonen 37 völlig bestimmt werden. Die Gewichtungsfaktoren a_Q, a-, a_...

^O sind daher in der ladungsgekoppelten Anordnung völlig integriert und erfordern keine zusätzlichen Mittel ausserhalb der ladungsgekoppelten Anordnung. Ausserdem reicht nur eine Signal-Strom-Umwandlung, was gegenüber der eingangs beschriebenen bekannten Anordnung eine wesentliche

^⁵ Vereinfachung bedeutet.

Fig. 6 zeigt eine schaltungstechnische Darstellung

des Filters. Die P-leitenden Zonen 13 und die N-leitenden Zonen 37 sind hier als die Basiszonen und Emitterzonen dreier Transistoren dargestellt, deren Basiselektroden von dem Taktimpulssignal 0₂ gemeinsam angesteuert werden. Um den Unterschied in der Grosse zwischen den Emitterelektroden anzugeben, ist der linke Transistor mit nur einem Emitter, der mittlere Transistor mit zwei Emittern und der rechte Transistor mit drei Emittern dargestellt. Die Mittel 39» die einen signalabhängigen Strom liefern, werden in dem Schaltplan nach Fig. 6 auf einfache Weise dadurch gebildet, dass ein Transistor kO, dessen Kollektor gemeinsam ist, mit den Emitterelektroden 37 verbunden ist. Das

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zu filternde Eingangssignal V , kann der Basis zugeführt

s xgn

werden. Dieser Transistor kann, wie dies einleuchten wird, in dem Halbleiterkörper 1 integriert sein.

Zum Übertragen von Ladung von der einen Stufe zu einer nächsten Stufe kann im Grunde jeder bekannte Vier-Phasen-Taktimpulsschal tplan benutzt werden. Vorzugsweise werden jedoch, wie in dem betreffenden Ausführungsbeispiel, Taktimpulssignale verwendet, bei denen an die Elektroden 13 eine konstante Spannung angelegt wird, wodurch Übersprechen

^ der Taktimpusspannungen auf die Ladungsinjektion über die Transistoren 13» 37 möglichst vermieden wird. In Fig. 7 sind die Taktimpulsspannungen als Funktion der Zeit t dargestellt.

Die Anordnung wird als ^-Phasen-Anordnung betrieben, wobei die Elektroden (Zonen) 12 und 14 als Ubertragungselektroden und die Zonen 13 und 15 als Speicherelektroden wirksam sind. Die Elektroden 12 und 13 liegen auf einem festen Pegel, in der Zeichnung bequemlichkeitshalber durch 0₂ und 0.. bezeichnet, wobei 0.. etwas niedriger gegenüber einem Bezugspegel V gewählt ist als 0₂ und zwar zum Erhalten einer Potentialsperre unter den Elektroden 12. Die Taktimpulse 0„ und 0r sind phasengleich wobei 0~ gegenüber dem Bezugspegel V wieder etwas niedriger ist als 0κ. Die Spannungspegel von 0^ und 0₂ liegen etwa in der Mitte zwischen den hohen und niedrigen Pegeln von 0„ bzw. 0^. Fig. 8 zeigt den Potentialverlauf in dem Kanal 9 unter einer Anzahl Elektroden 12-15 zu zwei Zeitpunkten t und t₂· Das Potential ist in dieser Zeichnung nach unten aufgetragen.
Zu dem Zeitpunkt t.. befinden sich 0„ und 0^ auf dem niedrigen Spannungspegel, wodurch unter den zugeordneten Elektroden Potentialsperren und unter den anderen Elektroden Potentialpfützen vorhanden sind. Unter der Elektrode 13» in Fig. 8 durch 0„ bezeichnet, ist ein Laduxigspaket k2 vorhanden, das aus Ladung bestehen kann, die von vorhergehenden Stufen unter diese Elektrode geführt ist und aus Ladung, die abhängig von dem augenblicklichen Eingangssignal zu dem Zeitpunkt t.. und dem dieser Stufe zugeordneten

ORIGINAL !('!SPE

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Gewichtungsfaktor a. zugeführt wird. Zu dem Zeitpunkt t_? befinden sich 0,, und 0· auf dem hohen Spannungspegel, d.h. auf einer Spannung, die höher ist als 0 und 0.. Unter den 0 zugeordneten Elektroden 15 entstehen nun Potentialpfützen, während das Potential unter den Elektroden 13, abgesehen von Potentialänderung, durch Ladungstransport nicht geändert ist. Die Ladung k'd strömt zu der Potentialpfütze unter den Elektroden 15 (0,,). Gleichzeitig kann, abhängig von dem augenblicklichen Eingangssignal dem Paket eine neue Ladung zugefügt werden. Diese Zufuhr hört erst auf, wenn in einem folgenden Schritt die Ladung kz in eine Potentialpfütze unter der nächsten Elektrode 1J befördert \vird, wenn 0„ und 0. wieder zu dem niedrigen Spannungspegel gehen.

Bei dieser Betriebsart wird Übersprechen von Taktimpuls spannungen auf die Eingangsstufe des Filters nahezu völlig vermieden und damit auch Verzerrung des Eingangssignals. Ausserdem ist es möglich 100$ eines Taktimpulszyklus zur Abtastung zu benutzen.

In dem obenstehend beschriebenen Ausführungsbei>-spiel haben die Gewichtungsfaktoren a₁, a„ ... a_w alle dasselbe Vorzeichen (+ oder -). Die Erfindung kann auch in Querfiltern mit positiven sowie negativen Gewichtungsfaktoren angewandt werden. Mit Vorteil können dabei zwei ladungsgekoppelte Anordnungen der obenstehend beschriebenen Konfiguration benutzt werden, von denen eine eine Summieranordnung für die positiven und die andere eine Summieranordnung für die negativen Gewichtungsfaktoren bildet und wobei beispielsweise die Ausgänge mit den Eingängen eines Differentialverstärkers verbunden werden, dessen Ausgang das letzten Endes gefilterte Ausgangssignal liefert.

In dem folgenden Ausführungsbeispiel wird ein Querfilter mit positiven und negativen Gewichtungsfaktoren beschrieben, wobei nur eine ladungsgekoppelte Anordnung vorhanden ist. Fig. 9 zeigt eine schematische Draufsicht eines Teils eines derartigen Filters. In diesen Figuren sind bequemlichkeitshalber für entsprechende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 3· Die Anordnung

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enthält wieder einen (vergrabenen) Kanal in Form einer N-leitenden Insel 9» worin P-lcitende Oberflächenzonen bis 1 5 als Taktimpulselektroden angebracht sind. Von den Elektroden 12-1^ und 15 und von den nicht als Eingang verwendeten Elektroden 13 sind deutlichkeitshalber nur einige dargestellt. Die meisten sind in der Zeichnung fortgelassen, sollen jedoch als zwischen den angegebenen Elektroden 13»1 und 13>2 vorhanden gedacht werden. Die Elektroden sind mit dem ebenfalls auf schematische Weise angegebenen Taktimpulsleitungen 20-23 verbunden, an die die Taktimpulsspannungen 0.. , 0„, 0„ und $u nach Fig. 7 angelegt werden können. Die Elektroden 13, die als Eingang verwendet werden, sind in Fig. 9 in 2 Gruppen aufgeteilt, die durch 13,1 bzw. 13,2 bezeichnet sind. Die Elektroden 13,1 sind mit Emitterelektroden 37,1 versehen, die mit einer gemeinsamen Zuführungsleitung 50 verbunden sind. Die Elektroden 13,2 sind mit Emitterelektroden 37,2 versehen, die mit den gemeinsamen Zuführungsgebieten 51 verbunden sind. Die Grossen der Emitterelektroden 37,1 und 37,2 bilden wieder die Gewichtungsfaktoren, wobei die Emitterelektroden 37;1 die positiven und die Emitterelektroden 37,2 die negativen Gewichtungsfaktoren darstellen. In Fig. 9 sind drei Stufen mit positiven Gewichtungsfaktoren und zwei mit negativen Faktoren dargestellt, aber es dürfte einleuchten, dass diese Anzahlen auch anders sein können. Ausserdem sind in Fig. die Gewichtungsfaktoren abwechselnd positiv und negativ, aber dies ist selbstverständlich auch nicht notwendig.

Fig. 10 zeigt einen Schaltplan entsprechend dem Schaltplan nach Fig. 6 für ein Querfilter mit positiven und negativen Gewichtungskoeffizienten. Die Grosse der Gewichtungsfaktoren ist wieder durch die Anzahl Emitterelektroden 37 der Transistoren 52,1 und 52,2 bezeichnet. Zum Zuführen der Ströme ist der gemeinsame Emitteranschluss 50 des Emitters 37,1 mit dem Kollektor des Transistors 53 verbunden. Auf dieselbe Art und Weise ist der gemeinsame Emitteranschluss 51 der Emitterelektroden 37,2 mit dem Kollektor des Transistors ^h verbunden. Die Transistoren 53 und 5'+, die untereinander dieselben Abmessungen haben,

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/K,

sind emitterseitig gemeinsam übei^ gleiche Widerstände R/2 mit einer Stromquelle 55 verbunden. Die Basis des Transistors 54 liegt an einer geeignet gewählten Bezugsspannung V Die Basis des Transistors ^k ist über die Signalquelle 56 ebenfalls mit V verbunden.

Im Betrieb wird, wenn das Eingangssignal Us = 0 ist, durch jeden der beiden Zweige ein Strom I laufen. Wenn Us nicht gleich 0 und positiv ist, wird der Transistor 53 etwa mehr Strom ziehen, abhängig von der Grosse von Us, während durch den Transistor $k jedoch weniger Strom laufen wird. Durch den Zweig mit dem Transistor 53 geht dann der

Strom I + i , wobei i den Signal strom und I einen DC-g g g g

Pegel darstellen, während durch den Zweig mit dem Transistor 5^ ein Strom I - i laufen wird. Umgekehrt werden bei einem negativen Eingangssignal Us durch den Zweig mit dem Transistor 53 ein Strom I - i und durch den Zweig mit dem Transistor 5^ ein Strom I + i laufen.

g g

Auf diese Weise können Signalströme erhalten werden für die Transistoren 52,1 und 52,2, die gegenübereinander ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen mit d.c.-Strom I als Bezugspegel.

Die Grosse von I kann von dem Fachmann auf ein-

fache Weise und abhängig von der Situation gewählt werden. Der Minimalwert wird im allgemeinen durch den Maximalwert von i bestimmt. Der Maximalwert von I wird im allgemeinen g g

durch die Ladungsspeicherkapazität in dem CCD-Kanal bestimmt werden. Die Widerstände R/2, die in dem Schaltplan nach Fig. 10 vorgesehen sind um einen linearen Zusammenhang Us - i zu erhalten, müssen viel grosser sein als

die innere Impedanz des Basis-Emitter-Uberganges der Transistoren 53» 5^1 d.h. dass i annähernd dem Wert entsprechen muss und dass daher R viel grosser gewählt wird

?KT
als gewählt wird, wobei K die Boltsmannsche Konstante

ist, T die absolute Temperatur, q die elementare Ladungsmenge und I der D.C.-Einstellpegel der Transistoren ist. In praktischen Ausführungsformen der obenstehend beschriebenen Querfilter betrug die maximale Ladungsmenge die durch den CCD-Kanal befördert werden konnte, etwa O,25pC.

PHN 10 973 ^r ϊ'8.2.1935

Al·.

Bei einer Taktimpulsfrequenz von 20 MHz bedeutet dies, dass der maximale Injektorstrom nicht mehr als etwa nur 5 /uA betrug. Bei einem Querfilter muss dieser kleine Strom proportional zu den Werten der Gewichtungsfaktoren über die jeweiligen CCD-Eingangsstufen verteilt werden. Bei

Filtern mit vielen Koeffizienten kann die Gesamtinjektorkapazität so gross sein, dass die Injektorgrenzfrequenz niedriger ist als die zu verarbeitenden Signalfrequenzen. Das Frequenzverhalten kann nötigenfalls dadurch verbessert werden, dass parallel zu den CCD-Injektoren ein Abwerftransistor vorgesehen und ein relativ grosser Strom durch diesen Transistor hindurchgeführt wird. Fig. 11 zeigt den Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines Querfilters mit einem derartigen Abwerftransistor.

Die Eingangsstufen des Filters sind durch die Transistoren 52 dargestellt, deren Emitterzahl die Grossen der zugeordneten Gewichtungsfaktoren darstellen. Die Emitterelektroden sind gemeinsam mit der Stromquelle 57 verbunden, die einen Strom I + i _τ liefert, wobei I einen D.C.Pegel darstellt und i einen Signalanteil bildet. Die Basiselektroden 13 der Transistoren 52 sind über eine Vorspannungsquelle 58 mit der Basis des Abwerftransistors Q₁ verbunden. Die Spannungsquelle 58 liefert eine Spannung

V = jT, wobei j ein geeignet gewählter Temperaturkoeffit

^⁵ zient ist. Wenn vorausgesetzt wird, dass die gesamte Emitteroberfläche der Transistoren 52 η-mal grosser ist als Q₁ so gi1t:

¹D 1 <Ϊ^ΥΤ

τ ⁼ η ^exP· vT
-""CCD ^{n ki}

dieses Verhältnis ist nahezu temperaturunabhängig. Ausserdem gilt:

¹CCD ^{+ 1}D ¹K Aus diesen zwei Gleichungen folgt:

¹CCD 1

- = —

e 1+1

kT Für die Signalanteile i_rrTt und i gilt:

ORIGINAL tf-:?r"

	973	± η	1	exp	γ	AZ	1 +	1	3507864
PHN 10					kT				18.2.1985
¹CCD	1						j f/f_T*	, wobei

S

j die imaginäre Zahl ist, f die Frequenz und f„ die Grenzfrequenz der Gesamtschaltung ist. Für f_ kann abgeleitet werden, dass annähernd gilt:

CCD ^W1 ^fe . wobei

^T I fTQ + I f

ccc 1 d t_ccd

fm die Grenzfrequenz der CCD und f_m,., die Grenzfrequenz

¹CCD ^ις*ι

von Q₁ darstellen. Bei einer richtigen Bemessung kann eine f„Ä erhalten werden, die viel grosser ist als f-p

■*■ CCD

Wenn beispielsweise in einer spezifischen Ausführungsform, in der ίτ_ΛΓ,_τ. 0.5 MHz und L ~ 2 /um A ist, ein Abwerftransistor Q₁ mit f™ <ü 50 MHz und IQ₁ = 10 /uA ausgebildet wird, wird eine Grenzfrequenz f~#i erhalten von etwa 5·2 MHz. Für viele Anwendungsbereiche reicht eine derartige Grenzfrequenz aus.

Fig. 12 zeigt den Schaltplan eines Querfilters mit positiven und negativen Gewichtungsfaktoren entsprechend dem Schaltplan nach Fig. 10, wobei das Filter mit derartigen grenzfrequenzerhöhenden Abwerf transistoren Q.. und Q₁' versehen ist. Für entsprechende Teile sind in diesem Schaltplan dieselben Bezugszeichen verwendet wie

^⁵ in Fig. 10. Zur Erläuterung eines deutlichen Schaltplanes sind die Transistoren 52,1, die zu den Stufen mit den positiven Gewichtungsfaktoren gehören als eine Gruppe links in dem Schaltplan dargestellt, während die Transistoren 52,2, die zu den Eingangsstufen mit negativen

3" Gewichtungsfaktoren gehören, als eine Gruppe rechts in der Zeichnung dargestellt sind. Es dürfte jedoch einleuchten, dass die Verteilung der Stufen mit positiven und negativen Gewichtungsfaktoren durch die gewünschte Filterkennlinie bestimmt wird. Statt nur eines Abwerftransistors weist die Schaltungsanordnung zwei Abwerftransistoren Q₁ und Q₁ ¹ auf, die einander nahezu entsprechen. Der Transistor Q₁ gehört zu den positiven Koeffizienten, der Transistor Q₁ ¹ zu den negativen Koeffizienten. Zwischen den Basiselektroden

PHN 10 973 Χ* ..... -^₂. 1983

von Q₁ und Q₁' und den Basiselektroden 13 der Transistoren 52 kann eine Vorspannung vorgesehen werden und zwar mittels des konstanten Widerstandes 00 und der ternpex-aturabhängigen Stromquelle 61, die einen sich linear mit der Temperatur· T ändernden Strom liefert, wodurch an den Widerstand 1'3 eine temperaturabhängige Spannung V entsprechend der Spannung V in Fig. 11 angelegt wird. Ebenso wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 kann die Basis des Transistors 5'+ an einen geeigneten Bezugspegel angelegt werden und kann das Eingangssignal, schwankend um diesen Bezugswert herum, an die Basis des Transistors 53 angelegt werden.

Es dürfte einleuchten, dass die Erfindung sich nicht auf die oben stehend gegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern dass -im Rahmen der Erfindung für den Fachmann noch viele Abwandlungen möglich sind.

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Claims

PHN 10 973 Wf 18.^.1985 PATENTAN SPRUCHE

1. Ladungsgekoppeltes Querfilter init einer ladungsgekoppelten Anordnung mit einer Anzahl in Reihe angeordneter Stufen, vobei erste Mittel vorhanden sind zum Zuführen eines Eingangssignals, zweite Mittel um von diesem Eingangssignal eine Anzahl gewichteter Signale zu bilden, indem das Eingangssignal mit Gewichtungsfaktoren multipliziert wird und um die gewichteten Signale parallel in die genannten Stufen der ladungsgekoppelten Anordnung einzuführen und dritte Mittel um die eingeführten Signale

-[Q durch die ladungsgekoppelte Anordnung zu einem Ausgang zu befördern der mit Auslesemitteln verbunden ist, wobei die ladungsgekoppelte Anordnung von dem vergrabenen Kanaltyp ist und einen an eine Oberfläche eines Halbleiterkörpers liegenden Ladungstransportkanal in Form einer y

Oberflächenschicht von im wesentlichen dem einen Leitungs- \

typ aufweist, die über die ganze Dicke verarmt werden kann und mit einer den genannten dritten Mitteln zugeordneten Reihe von Elektroden versehen ist, die eine Gruppe von Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp enthalten, die mit je einer der genannten Stufen der ladungsgekoppelten Anordnung zusammenarbeiten, wobei in/auf jeder dieser Oberflächenzonen eine Zone vom ersten Leitungstyp vorgesehen ist, die von der Halbleiterschicht vom ersten Leitungstyp durch einen zwischenliegenden Teil der zugeordneten Oberflächenzone vom zweiten Leitungstyp getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, mit deren Hilfe das Eingangssignal in einen elektrischen Strom umgewandelt wird, dessen Grosse durch die Amplitude des Eingangssignals bestimmt wird, dass die Oberflächen der Zonen vom ersten Leitungstyp die genannten Gewichtungsfaktoren bilden und dass diese Zonen mit einem Knotenpunkt, dem der genannte Strom zugeführt wird, gemeinsam verbunden sind.

M: ■ ; ;. ν;-:- 350786^

PHN 10 973 y&" " " "' i8.2. --1985

2. Ladungsgekoppeltes Querfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihe von Elektroden ausser der genannten Gruppe von Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp, weiterhin als erste Gruppe bezeichnet, eine zweite Gruppe von Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp aufweist, die ebenfalls mit je einer der genannten Stufen der ladungsgekoppelten Anordnung zusammenarbeitet und dass ebenfalls in/auf jeder dieser Oberflächenzonen eine Zone vom ersten Leitungstyp vorgesehen ist, die durch einen zwischenliegenden Teil der zugeordneten Oberflächenzone vom zweiten Leitungstyp von der Halbleiterschicht vom ersten Leitungstyp getrennt ist, wobei die Oberfläche jeder dieser Zonen vom ersten Leitungstyp einen der genannten Gewichtungsfaktoren bildet und wobei diese Zone ebenfalls mit einem gemeinsamen Knotenpunkt, als zweiter Knotenpunkt bezeichnet, verbunden sind .und dass Mittel vorhanden sind um diesem zweiten Knotenpunkt einen Strom zuzuführen, dessen Grosse von der Amplitude des Eingangssignals umgekehrt abhängig ist.

3· Ladungsgekoppeltes Querfilter nach Anspruch 1. und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel zum Umwandeln eines Eingangssignals in einen elektrischen Stroim eine Stromquelle aufweisen, die einen signalunabhängigen Strom I liefert und dass weitere Mittel vorhanden sind um einen Teil I + Δ I dem ersten Knotenpunkt und einen Teil I - ÜI dem zweiten Knotenpunkt zuzuführen, wobei der Stromteil Δ I durch die Amplitude des Eingangssignals bestimmt wird.

4. Ladungsgekoppeltes Querfilter nach Anspruch 31

dadurch gekennzeichnet, dass die genannten weiteren Mittel zwei Bipolartransistoren aufweisen, deren Emitterelektroden mit der Stromquelle gemeinsam verbunden sind und deren Kollektorelektroden mit dem ersten bzw. dem zweiten Knotenpunkt verbunden sind und dass weiterhin Schaltungsmittel vorhanden sind um zwischen die Basiselektroden des ersten und des zweiten Transistors einen linear zu dem Eingangssignal sich ändernden Spannungsunterschied anzulegen.

5. Ladungsgekoppeltes Querfilter nach einem oder

PHN 10 973 Λ& " " " " '-■' -*$.2.1985

mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Grenzfrequenz, der Gruppe von Eingangsstufen mit positiven Gewichtungsfaktoren und/oder der Gruppe von Eingangsstufen mit negativen Gewichtungsfaktoren ein Transistor zugeordnet ist, dessen Emitter mit demjenigen Knotenpunkt verbunden ist, der ebenfalls mit den zugeordneten Oberflächenzonen vom ersten Leitungstyp verbunden ist und dessen Basis mit Mitteln zum Anlegen eines Spannungsunterschiedes, der zu der absoluten Temperatur proportional ist, zwischen die Basis und die zugeordneten Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp verbunden ist.