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Diese Erfindung betrifft ladungsgekoppelte Vorrichtungen
(CCDS).
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Beispielsweise bei modernen
Videosignalverarbeitungsvorrichtungen wird es als notwendig befunden,
CCD-Verzögerungselemente in Kamm(comb)-Filtern anstatt der bisher verwendeten
Glasverzögerungsleitungen zu verwenden. Eine
Glasverzögerungsleitung funktioniert, indem ein in eine akustische Welle
umgewandeltes Signal eine Glasschicht durchschreitet, und es
ist schwierig, die Größe und die Kosten einer solchen
Verzögerungsleitung zu reduzieren. Darüber hinaus können
Glasverzögerungsleitungen nicht mit Erfolg in höheren
Frequenzbändern, die nunmehr für Videozwecke erforderlich sind,
verwendet werden.
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Der momentane Trend bei der Videotechnologie geht dahin, die
Ausrüstung, wie Kameras und Bandaufzeichnungsgeräte tragbar
zu gestalten, und dies erfordert eine Betriebweise unter
Verwendung einer Spannungsquelle mit niedriger Spannung. Eine
CCD muß daher mit einer Energiequelle von beispielsweise 5 V
betrieben werden. Dies führt zu der Schwierigkeit, eine
ausreichend hohe Linearität der Eingangs-/Ausgangscharakteristik
eines diodengesperrten Eingangssystems, welches zur Eingabe
eines Eingangssignals in dem Quellbereich der CCD verwendet
wird, zu erzielen. Aus diesem Grund besteht ein steigender
Bedarf für einen verbesserten Gattereingangsschaltkreis.
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In dem Gattereingangsschaltkreis werden die Signalphasen des
Eingangssignals und des Ausgangssignals notwendigerweise
umgekehrt. Um dem entgegenzuwirken, wird ein invertierender
Verstärker für den Eingangs- und den Ausgangsschaltkreis des
CCD zur Verfügung gestellt. Wenn der invertierende Verstärker
im Ausgangsschaltkreis vorgesehen ist, muß er das Signal, das
bereits durch den Ausgangsverstärker verstärkt worden ist,
verstärken, und dies kann einen größeren dynamischen Bereich
für den invertierenden Verstärker notwendig machen. Es ist
daher vorzuziehen, den invertierenden Verstärker im
Eingangsschaltkreis vorzusehen.
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Wenn jedoch ein solcher invertierender Verstärker vorgesehen
wird, kann die Temperaturkennlinie der CCD verschlechtert
werden. Insbesondere kann die Temperaturabhängigkeit der
Verzögerung zunehmen, was beispielsweise die Kennlinie eines
Kammfilters beeinflußt. Es gibt grundsätzlich zwei
unterschiedliche Anforderungen. Die eine ist, eine
Verschlechterung der Temperaturkennlinie zu erlauben und gleichzeitig
übereinstimmende Phasen der Eingangs- und Ausgangssignale zu
erzielen. Die andere ist es, eine Verschlechterung der
Temperaturkennlinie zu verhindern und gleichzeitig verschiedene
Signalphasen des Eingangs- und des Ausgangssignals zu
erlauben. Da die Herstellung zweier verschiedener CCD-Arten
unwirtschaftlich und teuer ist, wird es vorgezogen, eine CCD
herzustellen, die beiden Anforderungen genügt.
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Auch wechselt die Eingangsvorspannung für ein CCD in
Abhängigkeit der Phasenbeziehung zwischen dem Eingangssignal und
dem Ausgangssignal. Daher ist es vorzuziehen, daß die
Eingangsvorspannungsgröße zwischen verschiedenen Größen
schaltbar ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine ladungsgekoppelte
Vorrichtung zur Verfügung gestellt, umfassend:
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eine Verzögerungsleitung mit einem Eingang und einem Ausgang;
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einen Eingangsanschluß zum Empfang eines Informationssignals
von einer Informationssignalquelle und einen ersten
Eingangsschaltkreis zur direkten Verbindung des Eingangsanschlusses
zur Verzögerungsleitung; gekennzeichnet durch
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einen zweiten Eingangsschaltkreis zur Verbindung des
Eingangsanschlusses mit der Verzögerungsleitung über einen
invertierenden Verstärker;
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eine Schalteinrichtung, die zur wahlweisen Aufrechterhaltung
und Blockierung der elektrischen Verbindung zwischen der
Informationssignalquelle und der Verzögerungsleitung mit dem
ersten und dem zweiten Schaltkreis in Verbindung steht, so
daß die Informationssignalquelle mit der Verzögerungsleitung
über einen des ersten und zweiten Eingangsschaltkreises in
Verbindung steht; und
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eine Eingangsspannungspunkteinstelleinrichtung, die einen
ersten Einstellschaltkreis zur Einstellung einer
Eingangsvorspannung an einem ersten Vorspannungspunkt, einen zweiten
gegenüber dem ersten Vorspannungspunkt verschiedenen
Einstellschaltkreis zur Einstellung der Eingangsvorspannung an
einem zweiten Vorspannungspunkt, und eine
Vorspannungsschalteinrichtung zur wahlweisen Verbindung eines des ersten und
zweiten Einstellschaltkreises mit dem Eingangsanschluß um-
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Ein Ausführungsbeispiel der ladungsgekoppelten Vorrichtung
kann einen ersten Signaleingangsweg zur Lieferung eines über
die Verzögerungsleitung zu übertragenden Informationssignals,
bei welchem der Weg mit einem invertierenden Verstärker
verbunden ist, und einen zweiten Signaleingangsweg ohne
invertierenden Verstärker umfassen. Der erste und zweite
Signaleingangsweg sind parallel zueinander angeordnet. Die
ladungsgekoppelte Vorrichtung weist auch eine mit dem ersten und
zweiten Signaleingangsweg verbundene Schalteinrichtung auf,
so daß wahlweise eine Verbindung zwischen einem des ersten
und zweiten Signaleingangsweges und der Verzögerungsleitung
aufrechterhalten werden kann, so daß nicht invertiertes oder
ein invertiertes Informationssignal wahlweise der
Verzögerungsleitung zugeführt werden kann.
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Die Erfindung wird nunmehr beispielhaft unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen dieselben
Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind, und in
denen:
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Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen CCD ist;
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Fig. 2 ein Diagramm ist, das die
Eingangs/Ausgangscharakteristik des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1
zeigt;
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Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Ausgangsschaltkreises für das
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist;
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Fig. 4 ein Zeitdiagramm eines Abtastpulsgenerator des
Ausgangsschaltkreises nach Fig. 3 ist;
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Fig. 5 ein Zeitdiagramm des Ausgangsschaltkreises nach Fig.
3 ist; und
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Fig. 6 ein Blockdiagramm eines anderen Ausgangsschaltkreises
für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist.
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Bezugnehmend auf Fig. 1 ist das Ausführungsbeispiel der CCD
mit einem automatischen Vorspannungssystem zur automatischen
Einstellung der Größe der Eingangsvorspannung verbunden. Ein
derartiges automatisches Vorspannungssystem ist in den US-
Patenten US-A-4 625 322 und US-A-4 139 784 sowie in der
Europäischen Patentschrift EP-A-0 147 697 offenbart.
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Das CCD hat einen Eingangsanschluß T, der extern mit einer
Informationssignalquelle I verbunden ist. Der
Eingangsanschluß T ist mit einem Eingangsgatter 5 einer
CCD-Verzögerungsleitung 4 über einen invertierenden Verstärker 2
verbunden. Ein CMOS-Schalter 1 ist zwischen dem Eingangsanschluß T
und dem invertierenden Verstärker 2 zur wahlweisen
Aufrechterhaltung oder Blockierung einer elektrischen Verbindung
hierzwischen versehen. Ein anderer CMOS-Schalter 3 ist
zwischen dem invertierenden Verstärker 2 und dem Eingangsgatter
5 angeordnet. Das durch die Verzögerungsleitung 4 übertragene
Informationssignal wird durch ein Ausgangsgatter 6 an einen
Ausgangsschaltkreis 7 weitergeleitet. Wie in Fig. 3 gezeigt,
umfaßt der Ausgangsschaltkreis 7 einen
Abtast/Halteschaltkreis 7a und einen Ausgangspuffer 7b. Die
Verzögerungsleitung 4 hat einen Quellbereich S, auf den ein
automatisches Vorspannungssignal vom vorbezeichneten
automatischen Vorspannungssystem aufgebracht wird, um automatisch
die Größe der Eingangsvorspannung einzustellen.
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Ein Bypassweg, der den invertierenden Verstärker 2 ausnimmt,
ist zur direkten Verbindung zwischen dem Eingangsanschluß T
und dem Eingangsgatter 5 vorgesehen. Ein CMOS-Schalter 8 ist
im Bypassweg zur wahlweisen Aufrechterhaltung oder
Blockierung einer elektrischen Verbindung zwischen dem
Eingangsanschluß T und dem Eingangsgatter 5 angeordnet.
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Ein Vorspannungseinstellschaltkreis ist ebenfalls zur
Einstellung der Größe der Eingangsvorspannung vorgesehen. Dieser
umfaßt Spannungsteiler 9 und 10 zur Einstellung der
jeweiligen Klemmengrößen, die voneinander verschieden sind. Die
Ausgänge der Spannungsteiler 9 und 10 sind mit dem
nicht-invertierenden Eingangsanschluß eines Differentialverstärkers
13 über CMOS-Schalter 11 und 12 verbunden. Der invertierende
Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 13 ist mit dem
Eingangsanschluß T verbunden. Der Ausgangsanschluß des
Differentialverstärkers 13 ist mit der Anode einer Diode 15 und
mit der Kathode einer Diode 16 verbunden. Die Kathode der
Diode 15 ist mit dem Eingangsanschluß T über einen p-Kanal
MOS-Transistor 17 verbunden, während die Anode der Diode 16
mit dem Eingangsanschluß T über einen n-Kanal MOS-Transistor
18 verbunden ist.
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Die CMOS-Schalter 1, 3 und 8 werden durch ein Steuersignal
CTL und ein umgekehrtes Kontrollsignal gesteuert. Wenn
das Signal CTL auf HOCH gesetzt ist, wird der CMOS-Schalter 8
leitend, um eine direkte Verbindung zwischen dem
Eingangsanschluß T und dem Eingangsgatter 5 über den Bypassweg
einzurichten. Die CMOS-Schalter 1 und 3 werden dann nicht-leitend
gehalten, um die elektrische Verbindung durch sie hindurch zu
blockieren. Wenn andererseits das CTL-Signal auf HOCH steht,
werden die CMOS-Schalter 1 und 3 leitend, um eine Verbindung
zwischen dem Eingangsanschluß T und dem Eingangsgatter 5 über
den invertierenden Verstärker 2 einzurichten.
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Die Transistoren 17 und 18 und die CMOS-Schalter 11 und 12
werden durch ein Vorspannungsgrößenschaltsignal SW und ein
invertiertes Vorspannungsgrößenschaltsignal geschaltet. Der
CMOS-Schalter 11 und der p-Kanal Transistor 17 sind bei HOCH-
Stellung des invertierten Spannungsschaltsignals leitend. Zu
dieser Zeit wird die Größe der Vorspannung auf eine vom
Spannungsteiler 9 eingestellte Größe eingestellt. Wenn auf der
anderen Seite das nicht-invertierte Vorspannungsschaltsignal
SW in HOCH-Zustand ist, sind der CMOS-Schalter 12 und der n-
Kanal Transistor 18 leitend, um die Vorspannungsgröße auf
eine durch den Spannungsteiler 10 eingestellte Größe
einzustellen.
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In diesem Aufbau hat das Ausführungsbeispiel die in Fig. 2
gezeigte Eingangs-/Ausgangscharakteristik, in der die
Eingangs-/Ausgangscharakteristik durch eine durchgezogene Linie
gezeigt ist, wenn der invertierende Verstärker 2 die
Signalphasen der Eingangs- und Ausgangssignale gleichphasig macht,
wohingegen die Eingangs-/Ausgangscharakteristik durch eine
zweifach punktierte Linie dargestellt ist, wenn der
invertierende Verstärker 2 die Signalphasen der Eingangs- und
Ausgangssignale unterschiedlich macht. Darüber hinaus kann das
Ausführungsbeispiel ersichtlicherweise zwei verschiedene
Vorspannungsgrößen zur Verfügung stellen.
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Der erste Vorspannungspunkt wird ausgewählt, wenn sowohl das
Eingangs- als auch das Ausgangssignal eine positive Phase
aufweisen. Der erste Vorspannungspunkt wird auch dann
ausgewählt, wenn das Eingangssignal eine positive Phase und das
Ausgangssignal eine negative Phase aufweist. Wenn
andererseits sowohl das Eingangs- als auch das Ausgangssignal eine
negative Phase aufweisen, wird der zweite Vorspannungspunkt
ausgewählt.
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Auch wenn das Eingangssignal eine negative Phase und das
Ausgangssignal eine positive Phase aufweist, wird der zweite
Vorspannungspunkt ausgewählt.
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Erkennbarerweise kann die Phasenbeziehung zwischen dem
Eingangs- und Ausgangssignal auf einfache Weise durch die
Steuersignalgröße ausgewählt werden. Darüber hinaus kann der
Eingangsvorspannungspunkt durch den
Vorspannungsgrößeneinstellschaltkreis ausgewählt werden.
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Wie in obiger Ausführung herausgestellt, kann der
invertierende Verstärker eine Abweichung der Verzögerung in
Abhängigkeit der Temperatur verursachen. Es wird
selbstverständlicherweise bevorzugt, eine solche Abweichung zu kompensieren.
Zur zufriedenstellenden Temperaturkompensierung verfügt das
Ausführungsbeispiel über eine Abtastsynchronisationssteuerung
am Eingang und am Ausgang. Diese umfaßt einen
Abtastpulsgeneratorschaltkreis 20, der mit einem Taktgenerator
verbunden ist, um von diesem einen Taktpuls CLK zu empfangen.
Der Abtastpulsgeneratorschaltkreis 20 umfaßt ein Paar
Umwandler 21 und 22, die eine Verzögerungsschaltung bilden, und ein
NAND-Gatter 23. Der Abtastpulsgeneratorschaltkreis 20 liefert
ein Abtastpulssignal, das als Eingangsmomentanwertpulssignal
für die CCD Verzögerungsleitung 4 und als
Ausgangsabtastpulssignal für einen Abtast/Halteschaltkreis 7A im
Ausgangsschaltkreis 7 dient. Das Abtasten des Eingangssignals wird
als Antwort der Hinterflanke eines Abtastpulses durchgeführt,
und die Abfrage des Ausgangssignals wird als Antwort der
Vorderflanke eines Abtastpulses durchgeführt.
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Vorliegend ist der Ausgangspuffer 7b in Form von FETs
gebildet, die eine veränderbare Leitfähigkeit gm in Abhängigkeit
der Temperatur aufweisen; die Leitfähigkeit gm fällt mit
steigender Temperatur. Daher steigt die Verzögerungszeit τp
des Ausgangspuffers 7b mit zunehmender Temperatur. Dies kann
durch eine Verkürzung des Intervalls zwischen der
Eingangsabtastsynchronisation und der Ausgangsabtastsynchronisation
kompensiert werden. Um dies zu erzielen, muß die
Abtastpulsbreite ausgedehnt werden.
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Eine Einstellung der Abtastpulsbreite mit der Temperatur kann
automatisch durch den Abtastpulsgeneratorschaltkreis 20
hervorgerufen werden. Namentlich weist das NAND-Gatter 23
einen Eingangsanschluß auf, an dem der Taktpuls CLK, wie in
Fig. 4A dargestellt ist, direkt aufgebracht wird, während ein
durch die Umwandler 21 und 22, wie in Fig. 48 gezeigt,
verzögerter Puls auf den anderen Eingangsanschluß des
NAND-Gatters 23 aufgebracht wird. Damit wird der Abtastpuls, wie in
Fig. 4C dargestellt, vom NAND-Gatter 23 geliefert. Unter der
Annahme, daß das Tastverhältnis des Taktpulses CLK 50 % ist
und weiterhin unter der Annahme, daß die Verzögerung der
Umwandler 21 und 22 Null ist, wird das Tastverhältnis des
Abtastpulses 50 %. Eine Verzögerung in den Umwandlern 21 und 22
kann eine Vergrößerung des Tastverhältnisses des Abtastpulses
auf mehr als 50 % verursachen. Da die Umwandler 21 und 22
durch dieselbe Temperatur wie der Ausgangspuffer 7b
beeinflußt werden, kann die Abtastpulsbreite automatisch
eingestellt werden. Hierzu kann, wie in Fig. 5 gezeigt, die
Verzögerungszeit τ durch die Pulsbreite τs des
Eingangs/Ausgangsabtastpulses eingestellt werden, wobei eine
Veränderung derselben eine Veränderung des Tastverhältnisses
des Abtastpulses im Verhältnis zu der konstanten Pulsperiode
τ verursacht. In Fig. 5 verkörpert τB die Verzögerungszeit,
die durch die Gruppenverzögerung im Ausgangspuffer verursacht
wird.
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Fig. 6 zeigt ein anderes Beispiel eines Eingangs- und
Ausgangsabtastsychronisationssteuerschaltkreises, der in dem
Ausführungbeispiel der CCD eingesetzt werden kann. In diesem
Beispiel wird der Taktpuls CLK direkt auf den
Abtast/Halteschaltkreis 7a aufgebracht, und er wird auf die CCD
Verzögerungsleitung über einen Verzögerungsschaltkreis 25
aufgebracht. Die Verzögerungsschaltung 25 kann eine
temperaturabhängige Charakteristik aufweisen, um mit zunehmender
Temperatur eine Vergrößerung der Verzögerung zu verhindern.
Mit diesem Schaltkreis kann eine im wesentlichen
gleichwertige Kompensation für Verzögerungsfluktuation, wie im
vorhergehenden Beispiel erzielt werden.