JPS62268204A - 電荷結合装置 - Google Patents

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】 〈発明の分野〉 この発明は、例えばトランスバーサル・フィルりにおい
て有効な長さ方向に沿ってタップを有する電荷結合装置
（ＣＣＤ）遅延線に関する。

〈発明の背景〉 出力重み付は形式のＣ０Ｄ）ランスバーサル・フィルタ
は一連の入力信号サンプルに対して異なる遅延応答を与
えるためにタップ付きＣＣＤ遅延線を使用しており、取
出された上記入力信号サンプルは次いで線形合成される
。線形合成は応答出力の重み付けと、それらの加算的あ
るいは減算的合成とからなる。ＣＣＤトランスバーサル
・フィルタで使用されるタップ付ＣＣＤ遅延線は、その
畏さ方向に沿って連続して設けられたタップにおいて非
破壊電荷感知段を使用する必要があり、それによって感
知された電荷パケットは感知後、線に沿って順方向にク
ロックされ続けることができる。

遅延線にタップを設ける従来方法では、ＣＣＤ遅延線の
長さ方向に沿う一連のゲート電極に゛フローティング”
ゲート電極を使用することを必要とする。これらのフロ
ーティング・ゲートは、共通ドレンあるいは共通ソース
増幅器接続の形で電界効果トランジスタ（ＦＩｕＴ　）
のゲート電極に接続している。ＦＥＴは電荷パケットの
振幅を感知し、出力信号電流あるいは電圧のサンプルを
与える電位計（エレクトロメータ）として動作する。

これらのフローティング・ゲートは、電位計の出力信号
に対するＤＣ分を再生するために既知の電位に周期的に
クランプされ、なければならない。このクランプは習慣
的に各フローティング・ゲートに対してそれぞれの電界
効果トランジスタで行なわわ、そのトランジスタの各々
はそれに関連するフローティング・ゲート電極からリセ
ット電位源へ伝送ゲート接続中にある。ブローティング
・ゲート、電位計ＦＥＴのゲート電極、およびＤＣ分再
生クランプＦＥＴの導電チャンネルへの端部接続からな
るゲート構造の下の領域の総面積はかなりのものとなる
傾向がある。そのため、ゲート構造のギヤパシタンスＣ
は相当に大きくなり、その結果、各ＣＣＤ遅延線のタッ
プから電位計の出力に関連するＣ２　に依存する相当な
大きさのジョンソｙ−ノイズ（ＪＯｈｎｆＥＯｎ　ｎｏ
ｉｓｅ）が存在する。

ＣＣＤ用として利用できる最も低いノイズの電荷感知段
はフローティング拡散電位計である。この電位計では、
電位計ＦＥＴのゲート電極はＣＣＤ電荷転送チャンネル
中のフローティング拡散部に接続しており、ＤＣ分再生
のためのゲート電極の基準電位へのクランプは、フロー
ティング拡散部それ自身と基準電位に接続されたリセッ
ト・ドレン拡散部との間のＦＥＴ作用によって行なわれ
。

る。フローティング拡散部と、導電チャンネルの端部を
特定するリセット・ドレン拡散部との間に位置するリセ
ット・ゲート電極に供給されるリセット・パルスによっ
て、リセット・クランプ用の導電チャンネルが電荷転送
チャンネル中に誘導される。フローティング拡散部に接
続されたゲート電極構造は、電荷転送チャンネルの外に
配置されたクランプＦＥＴのチャンネル電極にオーム接
続する必要はないので、より小さく作ることができる。

ゲート構造のギヤパシタンスΔ、従ってジョ、ンソン・
ノイズは、これがフローティング・ゲート電位計と一諸
の場合から著しく減少する。

１９８２年５月１８日付けで「Ｓ工ＧＮＡＬ　ＦＲＯＭ
　Ａ　０票０ＥＴＲＡＮＳＦＥＲＤＥＶ工ＣＥ　（電荷
転送装置から取出される信号）」という名称で特許され
た米国特許第４，３３０．７５３号明細書中には、電荷
転送装置の出力段から比較的ノイズのない信号を得るこ
とを特徴とした方法が示されている。この特許明細書に
示されている方法では、規則的にサンプリングする電位
計段からの出力信号は帯域通過フィルタを通されて、電
位計段のクロック周波数の高調波の側方部に位置する両
側帯波振幅変調の側帯波を分離する。これらの側帯波は
クロック周波数の高調波で動作するスイッチング復調器
を使用して同期検波される。この同期検波は、電位計段
の応答出力のベースバンド・スペクトル中のフリッカ−
〇ノイズ、すなわち１／／ｆノイズに対しては応答しな
い。

フローティング拡散電位計はフローティング拡散部をリ
セットすることなくビデオ周波数のクロック周波数で動
作させられるが、この動作の後に同期検波処理は行なわ
れない。フローティング拡散部をリセットしない、ある
いは電位計の応答出力を同期検波することのないこの動
作によると、後続する電荷パケット中に電荷パケットの
スミア（しみ）を生じさせる。このスミアは、フローテ
ィング拡散部のリセットを省略したことに伴なう電荷転
送の非効率のために生ずる。本願発明者は、このスミア
は特に低周波数でのベースバンド・スペクトル応答性を
低下させるが、電位計段のクロック周波数の側帯波での
スペクトル応答性には感知できる程の影響を与えないこ
とを発見した。

１９８５年１２月３日付けで’　ｒ　ＲＥＤＵＣＴ丁Ｏ
Ｎ　ＯＦ　Ｎｏ工ＳＥ工Ｎされた米国特許第４．．５５
６，８５１号明細書中には、ドレン電位にリセットする
のではなくチャンネル内電位にリセットされるフローテ
ィング拡散部が示されている。電位計中のスミアは低周
波抑制濾波によって除去され、フィルタの応答出力は電
位計段のクロック周波数で同期検波されてスミアのない
出力信号を得ることができる。

〈発明の概要〉 本願発明では、フローティング拡散電位計中のフローテ
ィング拡散部は、ＣＣＤクロック遅延線の頂部の位置に
配置されている。フローティング拡散電位計の出力信号
は電位計のクロック周波数の高調波で検波され、て、Ｃ
ＣＤ遅延線からの改良された応答出力を取出すことがで
きる。検波は例えば電位計のクロック周波数の高調波で
動作するスイッチを使用して同期的に行なわねる。

この発明の特徴による多数タップＣＣＤ遅延線では、各
タップにはそれぞれフローティング拡散電位計が設けら
れており、電位計の出力信号は電位計のクロック周波数
の高調波で同期検波される。

このような多数タップＣＣＤ遅延線を使用したトランス
バーサル・フィルタはこの発明のさらに他の特徴となる
点である。

〈実施例の詳細な説明〉 以下、図示の実施例によってこの発明の詳細な説明する
。

第１図は周波数ｆ。で順方向にクロックされるＣＣＤ遅
延線５を示す。φ、相ゲート電極およびＤＣゲート電極
が第１のポリシリコン層中に設けられているものとして
示されている。Ｓ工Ｇ１、φ２相、およびφＲゲート電
極が第２のポリシリコン層中に形成されているものとし
て示されている。５ＩＧ２およびφ３ゲート電極が第３
のポリシリコン層中に形成されているものとして示され
ている。ＣＣＤ遅延線５の電荷転送チャンネルは表面チ
ャンネル形あるいは半導体基板中の埋込みチャンネルの
いずれかで構成されており、後者は一般に表面再結合に
よる問題を避けるために望ましい。第１図の例では連続
するクロック位相φ０、φ２、φ３をもった３相クロツ
クが使用され、リセット・パルスφＲはφ２と同等であ
る。説明の都合上電荷転送チャンネルはＰ形基板中のｎ
形であると仮定する。

ＣＣＤ遅延線５には、その入力端における充満−排出人
力段６の一部としてのクロック周波数ｆ。

のパルスが供給されるソース拡散部１０、その長さに沿
うフローティング拡散部１１．１２．１３．１４．１５
、およびその出力段におけるドレン拡散部１６が設けら
れている。フローティング拡散部１１乃至１５の各連続
する対（間の電荷転送チャンネルを横切って、これらの
フローティング拡散部の下に電荷パケットの形で現わわ
るサンプルを差動的に個々に遅延さぜるように動作する
一連のゲート電極が設けられている。絶縁ゲート電界効
果トランジスタ２１゜２２．２３．２４．２５のゲート
電極は、フローティング拡散部１１．１２．１３．１４
．１５にオーム接触しており、且つ電位計として動作す
るようにソースおよびドレン電極で接続されている。図
に示す特定の電位計ハソース・ホロワとして、すなわち
共通ドレン増幅器として動作するようにＦＥＴ２１乃至
２５の動作条件を定めている。これらの特定の電位計の
接ム接続する手段を含んでいる。この特定の電位計の接
続はまたＦ　Ｅ　Ｔ２１．２２．２３．２４．２５のソ
ース電極を各ソース負荷抵抗３１．３２．３３．３４．
３５を経て基板電位（アースとして示されている）に接
続する手段を有している。

ＦＥＴ２１乃至２５およびそれらのソース・ホロワ接続
は、ＣＣＤ用の通常のフローティング拡散電位計出力段
と同様にタップ付きＣＣＤ遅延線５と共に同じ半導体基
板中に含まねているものと仮定する。Ｆ　Ｅ　Ｔ２１．
２２．２３．２４．２５のソース・ホロワ出力基板外の
バッファ増幅器４１．４２．４３．４４．４５にそれぞ
れ接続されており、これらの各増幅器は数倍の電圧増幅
を与えるものである。バッファ増幅器４１．４２．４３
．４４．４５はまたこれに縦続的に後続する同期検波器
５１．５２．５３．５４．５５に対する低ソース・イン
ピーダンスを与えることができる。

同期検波器５１乃至５５は、ｆｏと高調波の関係にある
クロック周波数をもったパルス列φ８に従って切換わる
スイッチング復調器を含んでいる。パルス列φ８のクロ
ック周波数は、例えばｆ。に対して第１高調波の関係に
ある。同期検波器５１乃至５５は、電位計ＦＥＴ１ｘ乃
至１５のソース電極がそれぞれ供給する電位計の出力信
号のベースバンド・スペクトルの比較的低い周波数に対
して実質的に応答しない形式のものである。例えば、同
ＩＦ検波器５１乃至５５の各々は、バッファ増幅器４１
乃至４５から同期検波器５１乃至５５に供給される入力
信号のベースバンド・スペクトルに対して平衡した形式
のスイッチング復調器を含んでいるものでよい。あるい
は、他の例として同期検波器５１乃至５５の各々は不平
衡スイッチング復調器に先行して設けられたベースバン
ド抑制フィルタを含むものでもよいし、さらに他の例と
して同期検波器５１乃至５５の各々がφ８のパルスに応
答してサンプルするサンプル−ホールド回路に先行して
設けられたベースバンド抑制フィルタを含むものでもよ
い。

同期検波器５１．５２．５３．５４．５５の応答出力は
回路網５６で線形合成されて、フィルタの入力信号に対
する総合の応答出力を発生する。フィルタの入力信号は
、充満−排出人力段６のゲート電極７および８に供給さ
れる直流電位の一方に重畳されたパルス変調として供給
される。このパルス変調の各パルスはパルス発生器２０
からソース拡散部ｌＯに供給されたｆ。の周波数のパル
スと重なり合っている。簡単に言えば、充満−排出人力
段６は従来通りに動作している。

線形合成回路網５６は、例えば低域通過トランスバーサ
ル・フィルタ構成の場合と同様に重み付けの前に加算合
成を行なう。あるいは、線形合成回路網５６は、例えば
帯域通過トランスパーサル・フィルタの場合のように重
み付けを行って加算および減算合成の双方を行なっても
よい。

第１図のトランスバーサル・フィルタでバー例として３
相クロツクが示されている。短ゲート電極６１乃至６５
はフローティング拡散部１１乃至１５にすぐに後続して
設けられており、直流電圧（ＤＣ）が供給されて、フロ
ーティング拡散部をゲート電極６６乃至７０に供給され
るφ２２クロツク相の信号から電気的にシールドしてい
る。直流電圧が供給される長ゲート電極７１乃至７５は
、負方向のφ３３クロツク相の信号によって電荷パケッ
トが飛び越えて転送される高さの障壁を作り、各電荷情
報はそれぞれフローティング拡散部１１乃至１５の下に
流れ、込む。フローティング拡散部の下に電荷パケット
を保持させるために、フローティング拡散部１１乃至１
５に後続する第１のクロック電極６６乃至７ｏは、φ３
３クロツク相の変化の期間中、負電圧でなければならな
い。

同期検波器５１乃至５５は電荷レベルの変化のベースバ
ンド成分には応答せず、０周波数からさらに離れた電荷
レベルの変化に対してのみ応答し、電位計のサンプリン
グ時間の延長がフィルタの応答を直線的に増加させるこ
とはない。従って、φ２クロック・パルスはリセット・
ゲート電極７６に供給さ第１るφ、リセット・パルスと
して適したものであり、特別なφ１パルス用のバスを設
ける必要はない。

また、φ２２クロツク相はフローティング拡散部６１乃
至６４に後続する第１のクロック・ゲー）！極に供給す
るのに適したものである。

第１図のトランスバーサル・フィルタでは、１個のＣＣ
Ｄ電荷転送段だけ離れているので、ゲート電極７１乃至
７５には殆んど完全にφ、の代りに直流電圧が供給され
ている。タップ点が２個のＣＣＤＣＤ転送相離いる場合
は、φ３ゲート電極に先行するφゲート電極の各々は一
連のφ２ゲート電極、φ３ゲート電極、φゲート電極、
φ２ゲート電極、およびφ３ゲート電極と置換され、得
る。連続するタップ点がさらに多数のＣＣＤ電荷転送段
離れている場合は、φ、ゲート電極、φ２ゲート電極、
φ３ゲート電極の規則的なくり返しがさらに顕著になる
。

第２図は第１図のＣＣＤ　）ランスパーサル・フ４４．
４５にかつてそれぞれ供給された増幅された電位計の応
答出力は回路網５７で線形合成されて単一の同期検波器
５８に入力信号として供給される。同期検波器５８はｆ
。の高調波（例えば第１高調波）周波数で供給されたφ
８パルス列に応答して、線形合成回路網５７の高調波サ
ブスペクトルの１つをベースバンドにヘテロダイン検波
して、フィルタ全体の応答出力を発生させる。

第２図のトランスバーサル嗜フィルタハ同期検波器の変
換利得を整合させなければならないという問題を避ける
ことができ、また同期検波器の数を節約することができ
る。しかし、第１図のトランスバーサル・フィルタは、
線形合成が最後の段で行なわれるまで信号チャンネルは
並列になっているので、ダイナミック・レンジを大キく
トることができる。

第１図のトランスバーサル・フィルタでハ、正負のフィ
ルタの重みが使用されるべきである場合は、フィルりの
重みの極性は同期検波器５１乃至５５によって割当てら
れる。正のフィルタの重みを与える同期検波器はφ３パ
ルス列によって切換えられ、負の重みを与える同期検波
器はφ８パルス列から位相シフトされたパルス列によっ
て切換えられる。

第３図はフローティング拡散電位計の任意の１つに関連
して第１図および第２図のフィルタのいずれかに導入さ
イ９る変形例を示す。各フローティング拡散部８０はＤ
Ｃ電圧ではなくクロック電圧φ□′が供給される各先行
するゲート電極８１を持っている。このクロック電圧は
φ、よりも振幅の減少した、あるいは浅いクロック電圧
であるが、同様な位相をもっている。

第４図および第５図はフローティング拡散電位計のいず
れかに関して第１図あるいは第２図のフイｌレタのいず
れかに導入される他の変形例を示している。各フローテ
ィング拡散部８０は、それに後続するクロックされるス
プリット・ゲート電極構造をもっている。このスプリッ
ト・ゲート電極構造はより長いゲート電極８３に先行す
る短かい畏さのゲート電極８２からなる。ゲート電極８
２はゲート電極８３と同じ電圧変化をもったクロックが
供給されるが、その下の電荷転送チャンネルの部分中に
、ゲート電極８３の下の電荷転送チャンネルの部分に対
して障壁を形成するように作られている。これは電荷の
転送後、７０−ティング拡散部８０に電荷が追返される
のを防止するために作られる。第４図では、ゲート電極
８２をデー１〜電極８３よりも半導体基板に接近して配
置することにより上記の電位障壁が形成されている。第
５図では、ゲート電極８２と８３との間に直流電圧源に
よって示さＩ９る直流バイアス・オフセット電位を導入
する手段８４によって上記の電位障壁が導入されている
。ゲート電極８２に対してφ２よりも大きな振幅をもち
、フローティング拡散部８０からの電荷の転送を助ける
ためにより正に振れるクロック電圧φ２′を供給するよ
うに変形することもできる。

次に述べるように、ＣＣＤフィルりの設計者にとっては
上記のトランスバーサル・フィルタの他の幾つかの変形
例が考えらねることは言う迄もない。この発明を実施し
た他のＣＣＤフィルタにおいて、３相クロツクの代りに
単相、２相、あるいはその多相クロック法も使用するこ
とができる。

線形位相濾波が使用される場合は、重み付けの後よりも
むしろ重み付けの前に、ある信号の線形合成が可能なこ
とは言う迄もない。第１図および第２図に関連して述べ
た１対のフィルタに反対位相の入力信号を供給して、フ
ローティング・ゲート電位計を使用したＣＣＤフィルタ
でのスプリット・ゲート法と同等な正の重みが付けられ
たタップ信号および負の重みが付けられたタップ信号を
発生させることもできる。出力フィルタの重みは、共通
ドレン増幅器接続よりもむしろ共通ソース増幅器接続で
採用されている電位計のＦＥＴの寸法を逓倍することに
よって割当てられる。

反覆ＣＣＤフィルタは、ループ接続さ才またＣＣＤ遅延
線中を循環する電荷パケットを感知するため（ここの明
細書中で述べられている非破壊フローティング電位計を
使用することができる。そのため、ループ接続されたＣ
ＣＤ遅延線を使用した短かい段数のＣＣＤ直列メモリ構
成を使用することができる。このような適用例では、フ
ローティング・ゲート電位計は、この発明に従って破壊
的あるいは非破壊的に選択的に動作させられる。このよ
うな選択的な動作は、フローティング拡散部が配置され
る位置に隣接したループ接続されたＣＣＤ遅延線の側に
単にリセット・ゲートおよびリセット・ドレン構造を配
置することによって与えられる。

この発明による非破壊フローティング拡散電位計は、電
気的に注入された電荷のレベルだけでなく、電荷転送チ
ャンネル中に光学的に発生された電荷のレベルを感知す
るために使用することもできる。特にこのような使用例
において、また電荷レベルが低く、固有のバイアス電荷
の存在しない他ノ適用例では、ファツト・ゼロ（ｆａｔ
　−ｚｅｒｏ　）バイアス電荷を使用することが望まし
い。これは、フローティング拡散部を通過する電荷転送
が、同期検波される、電位計の出力信号の高調波スペク
トル中の遅ねを防止するのに充分なように行なわ！する
。充満−排出入力段は、電位計のジョンソン・ノイズに
よってマスクされる程度に低いノイズ・レベルで上記の
ようなファツト・ゼロ・バイアスを注入することができ
る。電荷パケットがフローティング拡散部に転送される
期間中のみ電位計の出力信号電圧をサンプルするように
同期検波器を構成することにより、遅ねの効果を同期検
波器の出力信号中で抑制することができる。電荷転送り
ロック周波数の高調波における同期検波は、フローティ
ング拡散部上の電荷レベルの変化に対してのみ感応する
差動処理である。フローティング拡散部への電荷の電送
は常に実質的に完全である。

フローティング拡散部からのパケット・ブリゲート処理
に似た電荷の転送は特に低振幅電荷に対しく１９） ては低能率である。フローティング拡散部からの電荷の
転送に対する同期検波器の応答を押えることにより、不
充分な電荷転送に伴なう遅れを防１」二することができ
る。フローティング拡散部からの単一パケット・ブリゲ
ート段転送に似た電荷の転送、このような転送の効率を
改善するために使用される処置は、一般にこの発明に関
して有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を実施した出力重み付け、電荷結合装
置トランスバーサル・フィルタの概略構成図、 第２図はこの発明を実施した出力重み付け、Ｃ０Ｄ）ラ
ンスバーサル・フィルタの他の実施例の概略構成図、 第３図、第４図、第５図は、第１図および第２図におけ
る電位計フローティング拡散部に隣接するゲート電極に
供給される電圧に関連するこの発明の他の実施例による
変形例を示す図である。 ５・・・ＣＣＤ遅延線、１１．１２．１３．１４．１５
・・・フロ−テイング拡散部、２１．２２．２３．２４
．２５・・・電界効果トランジスタ、５１．５２．５３
．５４．５５・・・同期検波り 器、５６・・・線合成回路網。 八 特許出願人　　アールシーニー　コーポレーション代理
人　清　水　　哲　ほか２名 第３ロ　　　　　　　　第４−国 第５口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）長さ方向に沿つて連続的に配列された複数のフロ
   ーティング拡散部をもつたＣＣＤクロック遅延線と、 上記フローティング拡散部の各々に対して各１個づつ設
   けられた複数の電界効果トランジスタであつて、各トラ
   ンジスタは上記フローティング拡散部の対応するものに
   接続されたゲート電極と、このゲート電極が接続された
   フローティング拡散部上の電荷のレベルに応答する電位
   計出力信号を発生するために接続されたチャンネルとを
   有する上記電界効果トランジスタと、 上記ＣＣＤクロック遅延線のクロック周波数の高調波で
   上記電位計出力信号を検波するための手段と、からなる
   電荷結合装置。