JPS5994299A - 電荷転送素子を有する信号処理装置 - Google Patents

電荷転送素子を有する信号処理装置

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JPS5994299A
JPS5994299A JP58195134A JP19513483A JPS5994299A JP S5994299 A JPS5994299 A JP S5994299A JP 58195134 A JP58195134 A JP 58195134A JP 19513483 A JP19513483 A JP 19513483A JP S5994299 A JPS5994299 A JP S5994299A
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    • GPHYSICS
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    • GPHYSICS
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、電荷転送素子を有する信号処理装置、特に高
速信号を低速信号に変換する装置に関する。
〔発明の背景〕
デジタル・オシロスコーグは、アナログ入力信号をデジ
タル化し、このデジタル化した信号をメモリに記憶し、
との記憶したデジタル信号を次にアナログ信号に変換し
て表示を行なうものである。
このようなデジタル・オシロスコーグにおいては、高速
(高周波)入力信号を処理するのに高速アナログ・デシ
タル変換器(ADC)が必要である。しかし、高速AD
Cは、構成が複雑で且つ高価である。
この問題を解決するため、高速アナログ信号を低速(低
周波)アナログ信号に変換する信号処理装置が提案され
ている。この信号処理装置をデジタル・オシロスコープ
に適用すれば、安価な低速ADCを利用することができ
る。この信号処理装置は、デジタル・オシロスコープ以
外の種々の電子装置にも利用できる。
従来の信号処理装置は、電荷結合素子(COD)、パケ
ット・プリダートφデバイス(BBD)、MOSダイオ
ード・アレイの如き電荷転送素子とこれら素子の制御回
路とを具えている。当業者に周知の如く、電荷転送素子
とは、複数の電荷蓄積セルから成るアナログ・シフト・
レジスタである。従来の成る信号処理装置によれば、高
速クロック信号によりアナログ入力信号をサンプルして
セルからセルに転送させると共に、低速クロック信号に
より蓄積した電荷をシフトして読出し、低速アナログ信
号を得ている。この従来装置は、次のような欠点を有す
る。す々わち、信号取込み速度(周期)が電荷転送素子
の最高クロック周期に制限されると共に、この電荷転送
素子からの出力信号が素子の暗電流によシ変調されてし
まうのである。従来の他の信号処理装置は、この暗電流
の問題を解決するために、ツヤラフニーズ増幅器により
シングル・エンデッド入力信号をブツシュ・ゾル信号に
変換し、このブツシュ・プル信号を同じクロック信号に
よシクロツクされる2個の電荷転送素子に供給し、これ
ら2個の素子の出力信号を良好な同相抑圧比の差動増幅
器によって検出している。この方法は、不要な暗電流を
相殺できるが依然としてクロックの周期は1個の電荷転
送素子と同じ値に制限される。従来のその他の信号処理
装置は、入力アナログ信号を2個の電荷転送素子に並列
に供給して、信号取込み周期を改善している。すなわち
、入力信号を半クロック・サイクル毎に交互にサンノル
し且つこれら2個の電荷転送素子から半クロック・サイ
クル毎に交互に出力信号を得るように、これら2個の電
荷転送素子を異なる位相(180度の位相差)でクロッ
クしている。この場合、第1の従来装置と同じ周波数の
クロックを用いると、等測的なサンプリング周波数は2
倍になる。しかし、暗電流の問題のほかに、電荷転送素
子の直流オフセット、利得不一致及び直線性の不一致に
よシクロツクに関連したノイズの問題が生じる。また、
2個の電荷転送素子間のこれらの差違は、温度に応じて
変化する。このクロックに関連したノイズの発生は、ク
ロック自体とは関係がなく、異なる素子を半クロック・
サイクル毎に交互にクロックすることから起こるのであ
る。
〔発明の目的〕
したがって、本発明の目的の1つは、高速入力及び低速
出力型の信号取込みを行なう電荷転送素子を有する改善
された信号処理装置の提供にある。
本発明の他の目的は、電荷転送素子の暗電流を相殺し、
上述のクロックに関連したノイズを除去する改善された
信号処理装置の提供にある。
本発明の更に他の目的は、サンプリング周期を短くした
信号処理装置の提供にある。
本発明の別の目的は、デノタル・オシロスコーグに適用
してADCの速度よりも高速の信号取込みを行ないうる
信号処理装置の提供にある。
〔発明の概要〕
本発明の信号処理装置によれば、取込み(サンプリング
)周期を2分の1にすると共に暗電流を相殺し、上述の
クロックに関連したノイズの問題を回避できる。ツヤラ
フニーズ増幅器によりシングル・エンデッド信号をブツ
シュ・プル信号に変換し、このブツシュ・ゾル信号をC
CDの如き2個の電荷転送素子に供給する。これらの素
子の特性は等しいのが理想であるから、2個の電荷転送
素子を同一のチップ上に設けた集積回路(IC)が最適
である。かかるICによれば、第1チヤンネルに発生す
る暗電流及びノイズは第2チヤンネルに発生する暗電流
及びノイズと殆ど等しくなると考えられる。第2チヤン
ネル用のクロック信号は、第1チヤンネルに供給するク
ロック信号よシもクロック・サイクルの2分の1だけシ
フトさせる。これら2相のクロック信号によシ2チャン
ネルの電荷転送素子を交互にクロックするので、グツシ
ュ・プル信号は交互にサングルされ転送されて、サンプ
リング周期が2分の1になる。電荷転送素子の出力回路
は、この素子からの出力アナログ信号が更新されるまで
この信号を保持するので、サンプリングの位相が異なっ
ていても、常に2チャンネル同時に出力を発生できる。
差動増幅器は2個の電荷転送素子からの出力アナログ信
号を差動的に結合するので、との差動増幅器からの出力
信号は、常に各電荷転送素子の最新の出力信号の和にな
る。
各チャンネルの電荷転送素子のエラー出力は全サングル
において発生し、このエラーは出力にそのまま現われる
。しかし、このエラーすなわちクロック信号に関連する
ノイズの問題は、上記差動増幅器により解決される。ま
た、2個の電荷転送素子からの出力信号を差動的に結合
することによシ、これら2個の素子の暗電流は相殺され
る。なお、信号成分はダッシュ・グルなので、差動増幅
器により相殺されることはない。
本発明の信号処理装置をデシタル・オシロスコープに適
用する場合は、との装置を入力回路及びADCの間に配
置する。この場合、安価な低速A I) Cを用いて高
速取込みを行なうことができる。
〔実施例〕
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施例を説明す
る。
第1図は、本発明の実施例を使用したデシタル・オシロ
スコープの!ロック図である。入力端子(1値及び減衰
器(13を介して、シングル・エンデッド入力アナログ
信号を〕やラフニーズ増幅器o4に供給する。この増幅
器(1荀としては、反転入力端子に基準電圧を供給した
差動増幅器が好適である。増幅器(14)からのゾッシ
ュ・ゾル出力信号を2個の電荷転送素子を含む電荷転送
装置(IIに供給する。この実施例においては、1対の
電荷注入ポート(18A) −(18B)、1対のアナ
ログ・シフト・レジスタ(2OA)−(20B)、及び
1対の出方増幅器(22A) −(22B)を具えた2
チヤンネルCODのICを電荷転送装置αeとして用い
る。このCCD装置(IIは、SL 9204型IC又
は321A型ICでもよい。こうして、増幅器α荀から
の反転及び非反転出方信号をそれぞれ電荷注入/ −)
 (18A)及び(18B)に供給する。このデュアル
(2チヤンネル)COD装置Hの動作は、ポー ) (
18A)及び(18B) K供給する入力サンプリング
・クロック・パルスS−A及びS−B、アナログ・シフ
ト・レジスタ(2OA)及び(20B)に供給する転送
りロック・・やルスT−A及び’I’−B、出カ増幅器
(22A )及び(22B)に供給する出方サンプリン
グ・クロック・ノ4ルスS/H−A及びS/H−Bにょ
シ制御する。増幅器(22A)及び(22B)からの出
方信号は、差動増幅器(24に供給する。この増幅器Q
4の同相抑圧比は、良好なことが望ましい。5318型
ICの如きADC@は、変換開始信号SCに応じて増幅
器c!4からの出力アナログ信号をデジタル信号に変換
し、このデジタル信号をデシタル・メモリ(至)に記憶
させる。メモリ(至)に記憶された信号をデジタル・ア
ナログ変換器(DAC)03によりアナログ信号に変換
し、必要に応じて表示器(ロ)K表示させる。増幅器0
4からの出力信号の一部は、トリが回路(至)に供給す
る。このトリが回路(慢の出力信号に応じて、時間制御
回路嗜は、高速入力制御信号FI及び変換開始信号SC
を発生すると共に相補的り胃ツク・)母ルスCLK及び
C下の周波数を変化させる。時間制御回路(至)からの
信号FI、CLK及びCLKに応じて、クロック発生器
(41は、上述の入力サンプリング・クロック・)母ル
ス8−A及びS−B、転送りロック・パルスT−A及び
T−B 、出力サンプリング−クロック・パルスS/H
−A及びS/H−Bを発生する。
第2図は、クロック発生器14Gの回路図である。
クロック発生器(41は、1対の入力サンプリング・ク
ロック発生部(42−A)及び(42−B) 、1対の
転送/出力サンプリング・クロック発生部(44−A)
及び(44−B) 、並びに付加的なロジック回路から
構成されている。次に、第3図のタイミング波形図を参
照してクロック発生器(4Gを詳細に説明する。入力サ
ンプリング・クロック発生部(42−A)において、バ
ッファ(411は時間制御回路(至)からのクロック信
号CLKを受ける。バッファf41からの非反転出力信
号Aはオア(ノア)e−1(48に直接供給し、反転出
力信号は遅延回路1!iIによシ約6ナノ秒だけ遅延さ
せる。この遅延回路!51は、抵抗器、2個のインダク
タ及び2個のコンデンサから構成されておシ、遅延した
信号Bをオア・e−)(49に供給する。オア・r −
) (4檜からの非反転及び反転出力信号をバッファり
の反転及び非反転入力端子にそれぞれ供給すると、この
)々ソファ5りはクロック・パルスCLKの立下がり縁
に同期して立上がる6ナノ秒の/IPルス幅の出力パル
スCを発生する。インノ9−タとしてのナンド・r−ト
ロ4を介して、この出カッ譬ルスCを相補的増幅器(ト
)K転送し、ノ平ルスCに同期すると共にノ臂ルス幅が
6ナノ秒の入力サンプリング信号S−Aを発生する。入
力サンプリング・クロック発生部(42−B )の構成
は、発生部(42−A)の構成と同じであるから詳細な
説明は省略する。しかし、クロック・パルスCLKK対
し2分の1サイクルだけ位相のずれたクロック・ノ4ル
スCLKを発生部(42−B)に供給するので、クロッ
クリぐルスS−BハoeルスS−Aよりも2分の1サイ
クルだけシフトしている。
ノア・e−ト(至)を介して、高速入力制御パルスFI
をノア・ダート−に供給する。これらのf−)槌及び句
はインバータとして作用する。なお、とのパルスF工は
、高速入力モードにおいて「高」であり、低速出力モー
ドにおいて「低」である。t4ルスF’Iのロジック・
レベルによシ、クロックOパルスCLK及びCLKの周
波数を制御する。すなわち、第3図に示す如く、ノ母ル
スPIが「高」のときのクロック・パルス周波数は、・
パルスFIが「低」のときの周波数よりも高い(図の例
では2倍)。
インバーター及び634)は、クロック・パルスCLK
 及びCLKをそれぞれ反転する。転送/出力サンプリ
ング・クロック発生部(44−A)において、ナンド・
ダート((至)に、ノア・ゲート−及びインバータ報の
出力パルスすなわちパルスll’I及び反転したクロッ
ク・ノJ?ルスCLKを印加し、このr−ト(6119
の出力パルスを遅延回路−により約10ナノ秒だけ遅延
させる。この遅延回路−は抵抗器及びコンデンサから構
成されておシ、遅延されたパルスDを発生する。
なお、)母ルスFIが「低」のとき、?−)(6Iから
の「低」レベルがf−)(至)を閉じるので、パルスD
が「高」になることに注意されたい。ナンド・r−ト翰
に、ノア・f −) f51からの出力レベル及びイン
・々−タ(63からの出力パルスHを印加し、とのr−
ト′(7呻からの出力・母ルスな遅延回路σりによシ約
35ナノ秒だけ遅延させる。この遅延回路ff3は抵抗
器及びコンデンサから構成されておシ、遅延されたパル
スEを発生する。パルスFIが「高」のとき、r−)(
至)からの「低」レベルがr−)170を閉じるので、
パルスEは「高」となることに注意されたい。ナンド・
f−)σ荀はノ4ルスD及びEを受け、その出力/?パ
ルスをナンド・r−)σeK2つの信号路を介して、す
なわち直接的に及び遅延回路σ樟を介して、供給する。
ナンド・ff −) (71の出力ノクルスは、ナンド
・ダートσ4の出力パルスFを遅延回路(7υの出力・
ぐルスGによシ多少変調したものであシ、これを相補的
増幅器■に供給する。この増幅器■は、入カサングリン
グ・パルスS−AよCも遅れた転送りロック・パルスT
−Aを発生する。ナンド・f−)侶邊はパルスD、E及
びHを受け、相補的増幅器(ロ)は、このr−ト(ハ)
の出力、41ルスを受けて出力サンプリング・クロック
・パルスS/H−Aを発生する。遅延回路(財)及びg
30作用により、・母ルスS/H−Aのノ臂ルス幅は、
パルスFIが「高」及び「低」のときそれぞれ約10ナ
ノ秒及び35ナノ秒である。転送/出力サンプリング・
クロック発生部(44−B)の構成は、発生部(44−
A)と同一なので説明を省略する。なお、発生部(44
−B)はイン・々−タ@荀の出力・母ルスを受けるので
、転送りロック・パルスT−B及び出力サンプリング・
パルスS2どI(−Bは、それぞれパルスT−A及びS
/H−Aよりも2分の1サイクルだけシフトしている。
これらのパルスS、T及び8/Hの位相関係は、デュア
ルCOD装置aeの特性に依存している。この実施例に
おいては、高速入力モードの場合、入カサングリング及
ヒ出力サンプリング・)母ルスハクロツク・パルスの前
縁(立上がり縁)で発生する。転送りロック・パルスは
、出力サンプリング・I?パルス後縁(立下がシ縁)よ
シも10ナノ秒だけ遅れる。低速出力モードにおいて、
入力サンプリング及び出力サンプリング・ノヤルスはク
ロック・パルスの前縁で発生し、転送りロック・14ル
スは出力サンプリング・・母ルスの後縁よりも35ナノ
秒だけ遅れて発生する。
再び、第1図に戻シ、第4図を参照して本発明の詳細な
説明する。減衰器(13は、入力波形例えば三角波を適
当な増幅に減衰し、増幅器04は、この減衰した波形を
第4図に示す如くブツシュ・ゾル信号工及びJに変換す
る。高速入力モードにおいて、入力サンf IJング・
クロック・パルス5−A751「高」に、すなわちクロ
ック・)fルスCLKがrLIになると、電荷注入ポー
) (18A)が波形工をサンダルする。同様に、入力
サンプリング・クロック・パルス8−Bが「高」に、す
なわちクロック・パルスeLKが「高」になると、電荷
注入ポー) (4ga)が波形Jをサンダルする。第4
図において、波形I及びJの黒丸はサンダル点を示す。
電荷注入ポート(18A)及び(18B)は、サンダル
した電圧を電荷K及びLに変換する。波形Jのサンダル
点が波形■のサンプル点よりも2分の1クロツク・サイ
クルだけシフトしている点に、注意されたい。次の転送
りロック・パルスT−A及びT−Hにおいて、これら転
送りロック・パルスが電荷をアナログ・シフト・レジス
タ(20A)及び(20B)にシフトする。
これらシフト・レジスタの各々は、例えば455個のセ
ルを有する。連続したクロック・サイクルにおいて、転
送りロック・・ぐルスは、電荷が第455番目のセルに
達するまで電荷をセルからセルに次々に転送する。第4
55番目のセルに達した電荷は、転送りロック・パルス
T−A及びT−Bが印加されるとアナログ・シフト・レ
ジスタ(20A)及び(20B)から出力する(こぼれ
る)。最高クロック・パルス周波数は、fユアルCCD
装置(+119の特性により決定する。
トリが回路(36)が増幅器(1荀の出力波形からトリ
ガ点を検出すると、この回路(慢は、トリが・〕’?ル
スを発生してこれを時間制御回路(至)に供給する。ト
リが・パルス発生後所定期間が経過すると、時間制御回
路(至)は高速入力モードから低速出力モードになる。
すなわち、高速入力制御パルスFIが「低」となり、ク
ロック・パルスCLK及びCLKの周波数が高速入力モ
ード時よりも低くなる。低速出力モードが開始すると、
転送りロック・14’ルス’I”−A及びT−Bがアナ
ログ・シフト・レジスタ(2OA) 及び(20B)の
各セルの電荷を順次転送すると共に、出力サンプリング
・クロック・/臂ルスS/H−A及びS/H−Bは、ア
ナログ・シフト・レジスタ(20A)及び(20B)の
第455番目のセルの電荷を出力増幅器(22A )及
び(22B)にそれぞれシフトする。これらの増幅器(
22A)及び(22B)は、これらの電荷を電圧に′及
びL′に変換して差動増幅器04に供給する。
電圧に′及びL′の波形はそれぞれ電荷波形K及びLに
類似しており、これらの電圧は更新されるまで保持され
る。したがって、増幅器(22A)及び(22B)は最
新の出力電圧を常に発生している。デュアルCCD装置
(IQの出力端に発生した電圧は、2個の異なるサンプ
リング・クロック・)母ルスの縁でサンプルされたもの
である。すなわち、チャンネル人(ブロック(18A)
 、 (20A)及び(22A)によシ構成される。)
が増幅器(14)のマイナス(−)側の出力信号をサン
プルする時点と、チャンネルB(ブロック(18B) 
、 (20B)及び(22B)によシ構成される。)が
プラス(+)側の出力信号をサンダルする時点との間に
は、2分の1クロツク・サイクルの差がある。増幅器(
至)の出力波形Mは、常にデュアルCCD装置(Ieの
2チヤンネルの最新出力電圧の和である。
一方のチャンネルのエラー出力は、すべてのサンプルに
生じそのtま出力信号に現われる。しかし、他方のチャ
ンネルのエラー出力も、同様にすべてのサンノルに生じ
そのまま出力信号に現われる。
そして、これら出力信号は上述の如く常に差動増幅器C
24)に加わっているので、クロックに関連したノイズ
(サンダルに生じたエラー出力)は、上述の如く差動的
に加算されて相殺されるので、出力信号に現われること
はない。なお、信号成分は、グツシュ・ゾルのため差動
的に加算されてモ相殺されない。更に、デュアルCCD
装置Oeの2つの出力電圧を差動的に結合することによ
り、とのCCD装置αeの2チヤンネルに発生した暗電
流を相殺する。CCD装置(1eの2チヤンネルをIC
の同一のチップ上に設ければ、暗電流は一致するのでこ
の相殺動作は理想的になる。一方、増幅器−からの波形
Mのサンプル周期は、CCD装置装置19の各チャンネ
ルのサンプリング周期の2分の1となる。
低速出力モードにおいて、時間制御回路(ト)が変換開
始信号SCをADC@に供給すると、ADC@は波形M
をデジタル信号に変換し、メモリ(至)がこれを記憶す
る。COD装置Qlのクロック周波数は低速出力モード
においては低いので、ADC@は安価な低速ADCでよ
い。よって、第1図に示すシステムは、高速アナログ信
号を低速ADC@によりデジタル化できる。メモリ(至
)のデシタル出力信号はDACO3によりアナログ信号
に変換し、表示器(財)によシ表示する。
以上、本発明の好適な一実施例を説明したが、当業者に
は本発明の要旨を記載した特許請求の範囲内において種
々の変形・変更をしうろことが理解できるであろう。例
えば、電荷転送素子はCCDの代わシにBBDを使用し
てもよく、同一チッグ上に設けた2チヤンネルCCD装
置のICの代わりに、1チヤンネルCOD装置のICで
あっても2個のICの特性が互いにほぼ等しければ、1
チヤンネルCOD装置のICを2個用いてもよい。また
、他のfユアルCCD装置、パラフェーズ増幅器及び差
動増幅器を更に第1図の実施例に付加してもよい。この
場合、付加した・ぐラフニーズ増幅器に増幅器Q4と同
じ入力信号を供給し、付加したCCD装置に供給する入
力及び出力サンプリング・クロック・パルス並びに転送
りロック・パルスの位相をCCD装置(IIに供給する
ノルスと90度ずらし、付加した差動増幅器の出力信号
を増幅器(2勾の出力信号と加算する。
なお、この場合、増幅器(14が充分な出力信号を発生
するならば、パラフェーズ増幅器を付加する必要はない
。このようにすれば、サンプリング周波数を4倍にする
こともできる。
〔発明の効果〕
上述の如く、本発明は、入力信号をメツシュ・プル信号
に変換し、1対の電荷転送素子によりグツシュ・プル入
力信号を交互にサンダルし、これら素子の出力信号を差
動増幅器に供給しているので、暗電流を相殺できるばか
シでなく、サングル周期を2分の1又はそれ以上(すな
わち、す/fリング周波数を2又はその複数倍)にでき
、したがって2又はその複数倍のサンプル点を得ること
ができ、且つクロックに関連したノイズを除去すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を使用したデシタル・オシロス
コーグのブロック図、第2図は第1図のクロック発生器
の回路図、第3図は第2図の動作を説明する波形図、第
4図は第1図の動作を説明する波形図である。 (20A)・・・第1の電荷転送素子、(20B)・・
・第2の電荷転送素子、(ロ)・・・差動増幅器、(4
G・・・クロック発生器、CLK、CLK・・・第1及
び第2クロツク信号。 F工 5至b−

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. ブツシュ・ゾル信号を受ける第1及び第2電荷転送素子
    と、互いに2分の1サイクルだけ位相が異なる第1及び
    第2クロツク信号を上記第1及び第2電荷転送素子に供
    給するクロック発生器と、上記第1及び第2電荷転送素
    子の出力信号を受ける差動増幅器とを具えた電荷転送素
    子を有する信号処理装置。
JP58195134A 1982-10-18 1983-10-18 電荷転送素子を有する信号処理装置 Granted JPS5994299A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US434976 1982-10-18
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