JPS6057611B2 - 電荷転送装置減算回路 - Google Patents

電荷転送装置減算回路

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JPS6057611B2
JPS6057611B2 JP55003708A JP370880A JPS6057611B2 JP S6057611 B2 JPS6057611 B2 JP S6057611B2 JP 55003708 A JP55003708 A JP 55003708A JP 370880 A JP370880 A JP 370880A JP S6057611 B2 JPS6057611 B2 JP S6057611B2
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    • G06G7/14Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for addition or subtraction 
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/762Charge transfer devices
    • H01L29/765Charge-coupled devices
    • H01L29/768Charge-coupled devices with field effect produced by an insulated gate
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は減算即ち同極性の2つの電荷量の間の一首に比
例した信号を得るための回路に、より具体的には第1及
び第2の電荷転送デバイス入力シフトレジスタが第3の
電荷転送デバイス出力シフトレジスタの入力に共通ノー
ドで結合された電荷量減算回路に関する。
J 電荷量の間の差の表現を得るための技術は従来技術
で知られており、通常減算を実行し得るように電荷量を
それに相当する電圧に変換する必要がある。
ある種の従来技術の回路は2個のキャパシタを含み、2
つの電荷量が別々のキャパシタに貯えられそれによつて
2つの対応する電圧に変換される。そしてその一方が他
方から減算される。この型の回路の例はD.L.Cri
tchIOw他、IBMTechnicalDiscl
OsureBLllletinl邦−、3071、(1
976)に記載されている。2つのキャパシタの回路は
好ましくない性質を示す。
即ち2つのキャパシタはそこに貯えられる電荷に影響を
与える異なつた特性を固有に持つ可能性があり、結果と
して得られた2つの電圧が減算される時特性上の差異の
影響が歪みとして差電圧の中に含まれ、回路の精度に制
限を課すのである。2つのキャパシタを使う方法とは異
なるがやはり電荷から電圧への変換を必要とする別の従
来技術が米国特許出願第785723号(1977年4
月7日出願)に説明されている。
この構造は表現出力電圧を発生するために単一の時分割
フローティング・ゲート・キャパシタを用いて実施され
る。両方の電荷量は2つの表現電圧を発生するために同
じキャパシタに順次に置かれるので、電荷量が2つの別
々のキャパシタ上に置かれる場合に生じるかもしれない
トラッキング・エラーは存在しない。米国特許第410
4543号は多重チャネル構造中に含まれる電荷の所望
の蓄積された差を表現する電圧を同様に発生する多重チ
ャネルCCD構造を説明している。CCDにおけるフロ
ーティング●ゲートの別の例が米国特許第362313
鏝に示されている。
この特許は一般的な背景についての興味から引用したの
であつて、電荷減算には無関係である。本発明は、入力
電荷の間の差が出力電圧に変換されず出力電荷によつて
表現される点で従来技術.と異なる。
この事は、同極性のキャリヤを使つて正及び負の代数値
を表現するために空間的に分離された電荷の別々の対に
よつて各入力電荷を表わし電荷の対を処理して表現出力
電荷にする独特の構造及び方法によつて達成される。C
CD及びBBDを含む電荷転送デバイス技術においては
情報は違つた大きさで同じ極性の電荷のかたまり(Pa
cket)で表現される。
電荷転送デバイスで加算機能を行なうのは単純である。
即ち電伺Qaをポテンシャル井戸に入れそして電伺Qb
を同じ井戸に入れるのである。2つの電荷のかたまりの
中のキャリヤは一緒になり、井戸の中の電荷αはQa+
Qbに等しくなる。
減算機能即ち一方の電荷を他方の電荷から引くのはより
実行しにくい。これまで一方の電荷を同じ極性の他の電
荷から直接引き去り第3の(差の)電荷を発生させる事
のできる方法は存在しなかつた。普通の従来技術の方法
は電荷を2つもしくは1つのキャパシタkで電圧に変換
し次にその結果得られた電圧を引き算する事である。そ
のような電圧への変換は、電荷転送回路が半導体チップ
上に作られ、減算機能をさらにチップ上で処理する事が
望まれ、そして電荷の形て差信号を保持する必要がある
時に特に望ましくない。第1図を参照すると、電荷の形
で差の量を保持しさらに元の電荷を処理中に破壊せずに
電荷減算機能を実行する回路の実施例が示されている。
CCDで電荷のかたまりは1つの型のキャリヤか”ら成
る。例えばnチャネルのデバイスでは電荷のかたまりは
電子のみ、pチャネルのデバイスでは電荷は正孔のみで
ある。与えられた電荷のかたまりて正及ひ負の量の両方
を表現する単純な方法は存在しない。これがこれまで減
算を実行し得るために電荷量を正及び負の電圧に変換し
なければならなかつた理由である。第1図に示されるよ
うに本発明では代数値が極性によつてではなく空間的に
表示される。nチャネルのデバイスを考えると、与えら
れた電荷量の代数値は2つの別のポテンシャル井戸中の
一対の電荷のかたまりの各々の中の電子数の差として空
間的に表示される。例えば「5」の値及び正の極性を持
つ電荷量は、第1のポテンシャル井戸に存在し「8」の
値を持つ第1の電荷のかたまりσ正」の成分)と第2の
ポテンシャル井戸に存在し「3」の値を持つ第2の電荷
のかたまり(「負」の成分)とより成る電荷の対によつ
て表現される。対の両方の成分は電子から成るので電気
的には「負」であるが、第1の井戸の電荷は代数的には
正の成分と定義され、第2の井戸の電荷は代数的には負
の成分と定義される。「8」と「3」との間の差は元の
電荷量の値(「5」)てあり、第1の井戸の電荷が大き
い方の成分なので元の電荷量の値は「+5」である。も
し第1の井戸の値が「3」で第2の井戸の値が「8」な
らば、これは「−5」の電荷を表現するであろう。元の
電荷量Qaの第1の即ち代数的に正の成分は以下1Qa
+lと表示され、代数的に負の成分は1Qa−1と表わ
される。例えばもし1Qa+lが対の第1の井戸の中の
電荷の大きさで、1Qa」が対の他の井戸の中の電荷の
大きさならば、電荷対の代数値は次のように定義される
。同様に、従つて代数値の系列は電荷の対を充填した2
つの隣接するレジスタによつて表現してもよく(並列の
場合)、又その代わりに代数値は並列モードのレジスタ
の2倍の長さの1個のレジスタに対にした(直列の)系
列の形で記憶させてもよい。
減算のための各入力電荷に関して1つのCCDシフトレ
ジスタを使用する直列表現(直列モード)を本実施例及
びその説明で採用する。代数的な差Qc=Qa−Qbを
取る事は電荷の対に対して次の演算が実行される事を要
求する。
これは、即ち、 に等しい。
式(1)と(3)とを比較するとQcは次式で表わされ
る。従つてQa及びQbの成分を選択的に加算すると差
Qcが得られる。
しかしもし1Qc+lを表わす和1Qa+I+IQb」
及び1Qc−1を表わす和1Qa−1+1Qb+iの両
者が大きな値になれば、これらの和の電荷を保持するた
めに必要な記憶装置は望ましくない位に大きくなり、も
し差Qc=1Qc+1−1Qc−1が1Qc+:及び1
Qc−1の大きな数値に比べて小さいならばそのような
差は正確に検出するのが困難になるであろう。差の計算
処理過程は1Qc+l又は1Qc−1のどちらかがゼロ
に等しくなるように設計されるのが好ましい。従つて、
α=IQc+i−0Qc〉0の時 (6)図面に描
かれた本発明の実施例はこの好ましい結果を有する減算
機能を与える。
第1の通常のCCDシフトレジスタ10は電極12,1
4,16,18及び20を持つ。第2の通常のCCDシ
フトレジスタ30は電極32,34,36,38及び4
0を持つ。シフトレジスタ10は電荷1Qa+l及び1
Qa」を扱い、シフトレジスタ30は電荷1Qb+l及
び1Qb]を扱う。値Qbが第Qaから引かれる。通常
のCCDではポテンシャル井戸22が電極12上の電圧
につつて作られ、ポテンシャル井戸24が電極16上の
電圧によつて作られ、ポテンシャル井戸26が電極20
上の電圧によつて作られる。電極14及び18に印加さ
れるクロック信号は通常の方式で電荷をポテンシャル井
戸からポテンシャル井戸へシフトさせる事を可能にする
。電極12,14,16,18及び20に加えられるバ
イアス及びクロック電圧源は図示していない。これは電
荷転送シフトレジスタは周知だからである。ポテンシャ
ル井戸の間の電荷移動を含むCCDの動作原理及び構造
の完全な説明がAcademiOPressN.Y.、
1975年7月刊行のCarlOH.Seqリn及びM
ichaelF.Tcmpsett共著℃HargeT
ransferDevices′3に記載されている。
第1図の実施例でシフトレジスタ10は入力電荷量Qa
に起源を持つ電荷1Qa+I及びIQa−1を記憶し処
理する。
シフトレジスタ30は入力電荷量Qbに起源を持つ電荷
1Qb+l及び1QbNを記)憶し処理する。従つて第
1図の実施例は元の電荷量Qaから成分対1Qa+l及
び1Qa−1を及び電荷量Qbから成分量Qbから成分
対1Qb+l及び1Qb−1を与えるための手段及び技
術を前提にしている。元の電荷量QaからIQa+I及
び1Qa−1等7の空間的に分離した電荷を得る多くの
方法がある。例えば本発明の電荷減算回路の典型的な応
用は、BrOdersen他の66A500−Stag
eCCDTransversalFilterfOrS
pectraIAnaIysis―IEEETrans
actiOnsOnElectrOnDevicesl
Feb.l97eP.pp.l43〜152に記載され
た型のCCD分割(Spllt)電極トランスバーサル
●フィルタの出力から得られた代数値に対する一連の信
号処理動作である。第3図に示されたそのような典型的
な分割電極フィルタ構成は2つの位相4(φ4)クロッ
ク線を含む。これらのクロック線は共通に接続された一
連のゲート電極である。クロック線φ4+及びφ,−は
各々分割電極の「正」及び「負」の側へ接続される。分
割電極の「正」部分の下に生じる電荷は1Qa+lと考
えられ、分割電極の「負」部分の下に生じる電荷はIQ
a−1と考えられる。BrOdersenの文献に示さ
れるようにφ4+及びφ4−のクロック線を電圧差動増
幅器に接続せずに、クロックは各々米国特許第4047
051号に示されるような電荷複製回路70に接続され
る。
分割電極フィルタ及び電荷複製回路70の組合せは第3
図に示されている。分割電極フィルタ及び2つの電荷複
製回路の組合せを用いると、電荷が「正」分割電極下の
ポテンシャル井戸に移動する時、電荷1Qa+lが対応
する複製器の出力井戸の中に複製される。同様に電荷が
「負」の分割電極下のポテンシャル井戸の中に移動する
時、電荷1QaNが複製器の出力井戸の中に複製される
。このようにしてトランスバーサル●フィルタ出力Qa
の「正」及び「負」成分を含むように(直列式に)設計
されたポテンシャル井戸の中に2つの電荷1Qa+l及
びIQaNが創生される。この電荷の対1Qa+I及び
IQa」は次に第1図のシフトレジスタ10へ転送され
る。同様の方式で第2のトランスバーサル・フィルタが
電荷量Qbを処理し、その分割電極に2つの電荷対1Q
b+l及び1Qb−]を与える。
これは2つの電荷複製回路と組合されて電荷対1Qb+
I及び1Qb−1を第1図のシフトレジスタ30にシフ
.トさせる。以上は差を取るべき2つの電荷量Qa及び
Qbをシフトレジスタ10及び30中の2対の空間的に
分離された電荷のかたまり1Qa+111Qa−1及び
1Qb+1..1Qb−1の形に形成する方法の1例で
ある。シフトレジスタ10の電極16及びシフトレジス
タ30の電極36は共通のソース・ノード42に接続さ
れる。
電界効果トランジスタ44がソース・ノード42と大地
電位の間に接続され、スイッチとして機能する。ソース
・ノード42は出力・シフトレジスタの入力ダイオード
52へも接続される。シフトレジスタ50の入力ダイオ
ード52はシフトレジスタ50のP型シリコン基板中の
n型拡散領域である。電荷はノード42の電位及び入力
ダイオードの動作によつてシフトレジスタ50のポテン
シャル井戸54に転送される。この方式はTOmpse
tt他の66Use0fCharge−COupled
DevicesfOrDelayingArlalOg
Signals53、IEEEJ.SOlldStat
eCircuitsl■01.SC−8(Apr.l9
73)、PP.l5l〜157に述べられた技術と類似
しているが同一ではない。ポテンシャル井戸54は電極
56上の信号によつて作られ、転送電極58及び60に
よつて電荷がポテンシャル井戸54へ及びポテンシャル
井戸54から転送される。ソース・ノード42に接続さ
れているように図示されるキャパシタ62は回路負荷キ
ャパシタCLを表わす。第1図の実施例がポテンシャル
井戸54に差の電荷量を発生させる方式は以下の通りて
ある。
シフトレジスタ10及び30の電極16及び36の下の
ポテンシャル井戸の中に電荷が存在しない場合、FET
44は「オン」にゲートされ、電極16及び36、ノー
ド42並びにシフトレジスタ50の拡張領域52に大地
電位を加える。次にFET44は「オフ」にゲートされ
、ノード42及びそれに接続された点を「フローティン
グ」状態にする。シフトレジスタ50のゲート58はあ
る中間的な基準電圧Vx+Vthにバイアスされる。■
5はゲートに関するしきい電圧降下であり、■oはシフ
トレジスタ50に加えられる最大クロック電圧と大地電
位との間のある電圧である。■oは典型的には最大電圧
と大地電位の中点に近いであろう。次の動作ステップで
過剰な電荷が拡散領域52からゲート58のチャネルを
経て隣接するポテンシャル井戸54に引き出される。
ポテンシャル井戸54は隣接するゲート及び拡散領域(
図示せず)によつて既知の方法で「空」に保たれていて
もよい。そのような隣接ゲート及び拡散領域は米国特許
第4035667号に示されている。前節で説明した手
段によつて拡散領域52及びそれに関係のあるフローテ
ィング点16、36及び42は電圧レベルVOに引き寄
せられ、そのためシフトレジスタ10及び30の電極1
6及び36の下に空のポテンシャル井戸を形成する。次
に電荷1Qa−1をゲート16の下のポテンシャル井戸
にシフトし、、電荷1Qb+lをゲート36の下の井戸
の中にシフトする事ができる。このシフト動作中拡散領
域52は、シフトレジスタ50のゲート58に加えられ
る電圧Vx+■o及び図示されていない隣接したゲート
及び拡散領域による空の井戸54の維持によつて電圧V
xに保たれている。FET44を大地電位に接続する代
わりにそれを■oに近いがそれより低い電圧に接続する
事もできる。
この事は、上述のステップで説明した準備動作中に各井
戸の中に電荷1Qa−1及び1Qb+lが既に存在でき
るように常時ゲート16及び36の下の井戸を維持する
。動作の次の部分は、隣接ゲート(図示せず)を「オフ
」モードにする事によつて空のポテンシャル井戸54を
隣接拡散領域(図示せず)から分離する事で開始する。
次に電荷1QaN及び1Qb+Iが各電極16及び36
の下のポテンシャル井戸から手き出される。
これは電極20及び40に■。よりもかなり大きな電圧
を加え次にゲート電極18及び38を「オン」及び「オ
フ」にゲートする事により行なわれる。この動作ステッ
プはノード42のフローティング電位を第2A図及び第
2B図に矢印1QaN及び1Qa+lによつて示される
ように増加させる。電荷1Qa+I及び1Qb−1がゲ
ート12及び32の下のポテンシャル井戸に各々クロッ
クされたならば、これらの電荷は電極14及び34を高
即ち「オン」にゲートし、電極12及び32を大地電位
に戻し、次に電極14及び34を低即ち「オフ」にゲー
トする事によつて各々ゲート16及び36の下のポテン
シャル井戸に転送する事ができる。
このステップは第2A図及び第2B図に矢印IQa+l
及び1QaNで示される電圧変化を発生する。第2A図
に示されるようにもしノード42の電圧がレベル■oよ
りも低くなるならば、電荷1Qc+Iは拡散領域52か
ら井戸54に流れノード42の電圧レベルは元の値VO
に戻る。
初期の値Vxへのノード電圧の復帰は負荷キャパシタ6
2による非線型のエラーの除去を保証する。もしαく0
ならば、ゲート58の下のチャネル及び拡散領域52の
整流特性により電荷は流れない。この時点でもしQc≧
0ならば電荷1Qc+lが井戸54に発生し、もしQc
<.Oならば全く電荷は発生しない。井戸54の電荷は
次に1Qc+lを示す位置にシフトされ、次に井戸54
にIQc−1を発生するための過程が反復される。即ち
ノード42の電圧をVxにセットし、ゲート16及び3
6の下の井戸から電荷1Qa+I及びIQb−1の各々
を引出し、電荷1Qa−1及び1Qb+lをゲート16
及び36の下の各ポテンシャル井戸にシフトする。その
結探Qc≧0の場合第2C図に示されるようにノード電
圧42が変化しQc<.0の場合第2D図に示されるよ
うにノード電圧42が変化する。1Qc−1が発生する
と、それはQcの負成分を示す位置へシフトされる。
このようにして減算動作が完了し、Qa−Qb=α=1
Qc+l−1Qc−1が作られ、所望のように1Qc+
I=0又は1Qc一1=0のいずれかになる。第1図で
は2チャネル構造を説明したが本発明の技術思想を用い
れば当業者が3又は4以上のチャネルのデバイスを作り
得る事も理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
第1図は2つのCCD入力シフトレジスタがフローティ
ング・ゲート電極及び共通ノードを経て出力CCDシフ
トレジスタに結合された電荷差回)路の実施例の図、第
2A図乃至第2D図は第1図の回路の動作を説明する時
に有用な波形の図、第3図は第1図に示される構造中に
電荷のかたまりを導入するための従来技術の説明図であ
る。 10,30・・・・・・入力CCDl5O・・・・・・
出力)CCDll2〜20、32〜40、58〜60・
・・・・電極、22〜26、54・・・・・・ポテンシ
ャル井戸、44・・・・・・FETl52・・・・・・
入力ダイオード、62・・・・・・負荷キャパシタンス

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 電荷の量Qa及びQbの値の代数的差を表わす電荷
    の量Qcを発生するための電荷転送装置減算回路であつ
    て、上記電荷量QaをQa=|Qa^+|−|Qa^−
    |として表わす離散的な電荷のかたまりの第1の対|Q
    a^+|及び|Qa^−|並びに上記電荷量QbをQb
    =|Qb^+|−|Qb^−|として表わす離散的な電
    荷のかたまりの第2の対|Qb^+|及び|Qb^−|
    を発生させる手段と、上記第1の対を保持する第1の電
    荷転送シフトレジスタ、上記第2の対を保持する第2の
    電荷転送シフトレジスタ、並びに上記QcをQc=|Q
    c^+|−|Qc^−|として表わす電荷のかたまりの
    対|Qc^+|及び|Qc^−|を保持する第3の電荷
    転送シフトレジスタと、上記第1及び第2の電荷転送シ
    フトレジスタの電極、並びに上記第3の電荷転送シフト
    レジスタの入力拡散領域に接続された共通ノードとを有
    し、上記第1及び第2のシフトレジスタの上記共通ノー
    ドに接続された電極の下のポテンシャル井戸から上記電
    荷のかたまり|Qa^−|及び|Qb^+|を送り出し
    、上記電荷のかたまり|Qa^+|及び|Qb^−|を
    上記ポテンシャル井戸に送り込み、その結果生じる上記
    共通ノードの電圧変化から上記第3のシフトレジスタに
    上記|Qc^+|を発生させ、上記ポテンシャル井戸か
    ら|Qa^+|及び|Qb^−|を送り出し、上記ポテ
    ンシャル井戸へ|Qa^−|及び|Qb^+|を送り込
    み、その結果生じる上記共通ノードの電圧変化から上記
    第3のシフトレジスタに上記|Qc^−|を発生させる
    電荷転送装置減算回路。
JP55003708A 1979-03-09 1980-01-18 電荷転送装置減算回路 Expired JPS6057611B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/019,211 US4239983A (en) 1979-03-09 1979-03-09 Non-destructive charge transfer device differencing circuit
US19211 1979-03-09

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JPS55121575A JPS55121575A (en) 1980-09-18
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US (1) US4239983A (ja)
EP (1) EP0015446B1 (ja)
JP (1) JPS6057611B2 (ja)
DE (1) DE3061715D1 (ja)
IT (1) IT1148758B (ja)

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