KR910003273B1 - 전하전송장치 - Google Patents

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KR910003273B1
KR910003273B1 KR1019870003027A KR870003027A KR910003273B1 KR 910003273 B1 KR910003273 B1 KR 910003273B1 KR 1019870003027 A KR1019870003027 A KR 1019870003027A KR 870003027 A KR870003027 A KR 870003027A KR 910003273 B1 KR910003273 B1 KR 910003273B1
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타츠오 사카우에
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가부시키가이샤 도시바
와타리 스기이치로
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Abstract

내용 없음.

Description

전하전송장치
제1도는 종래의 전하전송장치를 나타낼 회로도.
제2도는 종래의 전하전승장치를 설명하기 위한 포텐셜프로필을 나타낸 도면.
제3도는 본 발명의 제1실시예에 따른 전하전송장치를 나타낸 회로도.
제4도는 제3도에 도시한 전하전송장치를 설명하기 위한 포텐셜프로필을 나타낸 도면.
제5도는 본 발명의 제2실시예에 따른 전하전송장치를 나타낸 회로도.
제6도는 제5도에 도시한 전하전송장치를 설명하기 위한 포텐셜프로필을 나타낸 도면.
제7도는 본 발명의 제2실시예인 전하전송장치를 설명하기 위한 펄스타이밍을 나타낸 타이밍챠트이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 2, 5 : 전송전하 6, 7, 21 : 플로우팅 확산영역
8, 10 : 제어스위치 9, 11, 24 : 리셋트전원
12 : 출력회로 13 : 구동트랜지스터
14 : 전원 15 : 정전류원
16 : 검출회로 17, 18, 22 : 게이트전극
19, 20, 23 : 불순물영역 φ1, - φ3, φa, φb: 펄스
C1, C2, C3, C0: 캐패시터접압 Vgg1, Vgg2, Vgg: 리세트전압
VDD: 전원전압 Q3: 신호 전하
본 발명은 전하전송장치에 관한 것으로, 특히 출력회로를 개량한 전하전송장치에 관한 것이다.
최근 텔레비젼 및 비디오디스크플레이어(VDP)와 비디오테이프레코더(VTR) 등의 민생용 및 방공용 비디오기기로서 광대역특성 및 지역특성이 모두 우수하다는 이유로 전한전송소자(CTD)를 사용한 전하전송장 치가 사응되는데. 특히 최근 민생응 비디오테이프레코더에 있어서는 고화질화 및 광대역화가 촉진되고 있으며, 전하전송소자를 사용한 전하전송장치가 폭넓게 사용되고 있다.
출력회로에 플로우팅(floating) 확산영역 (F'D)방식을 사용하여 전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를
전압신호로 변환하여 출력신호로서 검출하는 방식을 갖는 전하전송장치를 제1도를 참조하여 설명한다. 전하전송장치의 전송부는 전송전극(1, 2,…,5)이 배열되어 있는 전하전송소자로 되어 있는데, 이 전송부의 최종단에 있는 전송전극(5)에 인접하여 플로우팅 확산영역(21)이 형성되고, 또 게이트전극(22)을 통하여 불순물영역(23)이 형성되어 있다. 이 불순물영역(23)은 리셋트전압(Vgg)을 가진 리셋트전원(24)에 접속되어 있고, 또 플로우팅 확산영역(21)은 검출회로(16)에 접속되어 있는데, 이 검출회로(16)는 구동트랜지스터(13)와 전원(14) 및 정전류원(15)로 구성된 소오스폴로워회로로 구성되어 있다.
다음에 제1도에 도시한 전하전송장치의 포텐셜프로필(Potentsal Profile)을 나타낸 제2도를 이용하여 동작을 설명한다.
지금 전하리셋트모우드에 있어서, 전송전극(1, 2)에 인가되는 전송펄스(φ1) 및 전송전극(5)에 인가되는 전송펄스(φ3)은 저레벨이고, 전송전극(3, 4)에 인가되는 전송펄스(φ2)인 게이트전극(22)에 인간되는 리셋트펄스(φ2)는 고레벨이라고 하자. 그러면 제2(a)도에 도시한 바와 같이, 전송부를 전송하여온 신호전하(φ3)는 전송전극(4) 아래에 축적됨과 동시에 플로우팅 확산영역(21)은 리셋트전압(Vgg)으로 리셋트된다. 이어서 전하검출모우드로 되면, 전송펄스(φ1, φ3)는 고레벨이 되고, 전송펄스(φ2)인 리셋트펄스(φ2)는 저레벨이 되므로 제2(b)도에 표시한 바와 같이, 전송전극(4) 아래에 측정된 신호전하(QS)는 플로우딩 확산영역(21)으로 전송되고, 이 신호전하(Qs)에 의하여 플로우팅, 확산영역(21)에는 전위변화(△V)가 발생되는바, 이 전위변화(△V)는,
V=QS/CO
로 된다. 여기서 CO는 전하전송소자의 출력용량이다. 그리고 상기 플로우팅 확산영역(21)의 전위변화(△V)는 검출회로(16)에 의하여 출력신호로서 검출되게 된다.
그런데 휴대용 비디오테이프레코더 등에서는 회로계의 전원이 예를 들어 5V로 저전압화 되어 있기 때문에 전하전송장치에 대하여도 저전압화의 요구가 강해지고 있고, 또 다른쪽 전하전송잔치의 출력신호를 받는 비디오앰프 초단에 있어서는, 검출회로(16)인 소오스플로워는 직선성이 양호한 상태에서 동작하는 것이 요망된다.
지금 리셋트전압을 Vgg, 검출회로(16)에 있는 전원(14)의 전원전압을 VDD, 구동트랜지스터(13)의 임계전압을 Vth라 하면, 검출회로(16)인 소오스폴로워가 직선성을 유지하기 위하여는 구동트랜지스터(13)는 포화 영역에서 동작할 필요가 있고, 그러기 위하여는
Vgg-Vth＜VDD
인 관계를 만족하지 않으면 안된다.
여기서 전원의 저전압화의 요구로 전원전알(VDD)이 저하하면, 리셋트전앗(Vgg)을 낮게 하거나, 구동트랜지스터(13)의 임계전압(Vth)을 변경하지 않으면 안된다. 그러나 리셋트전압(Vgg)이 저하하게 되면 전하전송소자의 출력 다이나믹영역은 좁아지게 된다. 그러므로 리셋트전압(Vgg)을 승압회로로 승압하여 다이나믹 영역을 넓게 한다.
그러나 그와 같이 되면 이번에는 검출회로(16)인 소오스플로워의 직선성이 악화되게 된다.
이와 같이 종래의 전하전송장치에 있어서는 전원전압의 저전압화에 따라 전하전송소자의 출력 다이나믹영역이 좁아지거나 혹은 출력신호를 검출하는 검출회로의 직선성이 악화된다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 래결하기 위하여 이루어진 것으로, 전원전압이 저전압화된 경우에도 출력 다이나믹영역을 충분히 넓게 할 수 있음과 동시에 양호한 직선상을 갖는 출력신호로 얻을 수 있는 전하전송장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적은 다수의 전하전송소자를 가지며, 상기 전하전송소자에 의하여 신호전하를 전송하는 전하전송부와, 상기 전하전송부에 인접하여 형성되어 상기 전하전송소자에 의하여 전송된 신호전하를 축적하는 제1플로우팅 확산영역, 제1리셋트펄스에 의하여 구동되는 제1제어스위치수단, 상기 제1플로우팅 확산영역에 상기 제1제어스위치수단을 통하여 접속된 제1리셋트전원, 제2플로우팅 확산영역, 제2리셋트펄스에 의하 여 구동되는 제2제어스위치수단, 상기 제2플로우틴 확산영역에 상기 제2제어스위치수단을 통하여 접속된 제2리셋트전원, 상기 제1플로우팅 확산영역과 상기 제2플로우팅 확산영역을 결합하는 캐패시터 및 상기 제2플로우팅 확산영역의 전위변화를 검출하여 상기 신호전하에 상응한 출력신호로서 출력하는 검출수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전하전송장치에 의하여 달성된다.
본 발명의 제1실시예에 의한 전하전송장치의 회로가 제3도에 도시되어 있는바, 전하전송장치의 전송부는 반도체기판위에 형성된 예컨대 n챈널형 전하전송소자로 이루어지며, 이 전하전송소자에는 전송전극(1, 2,…,5)이 배열되어 있다.
전송부의 최공단인 전송전극(5)에 인접하여 n형 플로우팅 확산영역(6, 7)이 형성되어 있는데, 이들 플로우팅 확산영역(6, 7)은 용량(C1)을 통하여 서로 접속되어 있는바. 플로우팅 확산영역(6)은 리셋트펄스(φ3)에 의하여 구동되는 제어스위치(8)를 통하여 리셋트전원(9)에 접속되며, 플로우팅 확산영역(7)은 리셋트펄스(φb)에 의하여 구동되는 제어스위치(10)를 통하여 리셋트전원(11)에 접속되어 있다. 이들 리셋트전원(9, 11)은 각각 리셋트전압(Vgg, Vgg2)을 가지고 있고, 플로우팅 확산영역(6, 7)과 용량(C1), 제어스위치(8, 10) 및 리셋트전원(9, 11)은 전하전송장치의 출력회로(12)를 구성하고 있다.
출력회로(12)의 플로우팅 확산영역(7)은 구동트랜지스터(13)의 게이트에 접속되어 있고, 이 구동트랜지스터(13)의 드레인은 전압(VDD)을 가진 전원(14)에 접속되어 있으며, 또 소오스는 정전류원(15)을 통하여 접지되어 있음과 더불어 출력단자(VOUT)에 접속되어 있고, 이들 구동트랜지스터 (13), 전원(14) 및 정전류원(15)으로 된 소오스플로워는 전하전송장치의 검출회로(16)를 구성하고 있다.
다음 제4도를 참조하여 동작을 설명한다. 전하전송장치의 전송부에 있어서, 전송전극(1,2,…,4)으로 전송펄스(φ1, φ2)가 인가되므로서, 신호전하가 순차 전송되게 된다.
지금, 전하리셋트모우드에 있어서, 전송전극(1,2)에 인가되는 전송펄스(φ1)는 저레벨이 되고, 전송전극 (3, 4)에 인가되는 전송펄스(φ2)는 고레벨로 되므로서, 제4도(a)에 도시한 바와 같이 전송된 신호전하(Qs)는 전송전극(4) 아래에 축적되게 된다. 이때 전송부의 최종단에 있는 전송전극(5)에 인가되는 전송펄스(φ3)는 저레벨로 되어 전송부아 플로우팅 확산영역(6)이 차단되게 됨과 동시에 리셋트펄스(φa, φb)가 각각 제어스위치(8,10)를 구동하므로써, 플로우팅 확산영역(6,7)은 각각 리셋트전압(Vgg1, Vgg2)으로 리셋트되게 된다. 즉 플로우팅 확산영역(6,7)의 각 전위(V1, V2)는 V1=Vgg1, V2=Vgg2로 된다.
이어서 전하검출모우드로 되면, 리셋트펄스(φa, φb)는 각각 작동하여, 플로우팅 확산영역(6, 7)을 각각 리셋트전원(9, 11)으로부터 차단한다. 그리고 전송전극(5)에 인가되는 전송펄스(φ3)는 고레벨로 되어 제4도(b)에 도시한 바와 같이 전송전극(4) 아래에 측정된 신호전하(QS)는 플로우팅 확산영역(6)으로 전송되는 바, 이 전송된 신호전하(QS)에 의하여 플로우팅 확산영역(6)에는 전위변화(△V)가 발생한다. 즉 플로우팅 확산영역(6)의 전위(V1)는 V1=Vgg1+△V1으로 된다. 단, V1＜0이다.
이 플로우팅 확산영역(6)에 있어서의 전위변화(△V1)는 용량(C1)을 통하여 플로우팅 확산영역(7)의 전위변화(△V2)를 발생시키는데, 이 전위변화(△V2)는, △V2=α ·V1으로 된다. 단 계수(α)는 용량(C1) 및 플로우팅 확산영역(7)에 발생하는 기생용량에 의하여 결정되는 것이다. 이와 같이 하여 플로우팅 확산영역(7)의 전위(V2)는 V2=Vgg2+ △V2=Vgg2+α ·V1으로 된다.
여기서, 전위(Vgg2)는 구동트랜지스터(13), 전원(14) 및 정전류원(15)으로 된 소오스플로워의 최적동작점으로 설정되므로서 소오스플로워의 직선성이 양호한 상태에서 검출회로(16)는 플로우팅 확산영역(7)의 전위변화△V2(=α·△V1)를 출력신호로서 검출하게 된다. 이와 같이 본 실시예에 의하면, 2개의 플로우팅 확산영역(6, 7)을 형성시켜 플로우팅 확산여역(6)의 다이나믹영역이 충분히 넓어지도록 플로우팅 확산영역((6)의 리셋트전압(Vgg1)을 승압하여 설정하여 또 다른 한편으로는 검출회로(16)의 소오스플로워가 직선성이 양호한 최적동작점에서 동작되도록 플로우팅 확산영역(7)의 리셋트전압(Vgg2)을 설정할 수가 있다. 그러므로 전하전송장치의 전원전압이 저전압화될 경우, 2개의 리셋트전압(Vgg1, Vgg2)이 Vgg1＞Vgg2로 되는 관계에 있어서, 각각 적절한 값으로 설정하므로서 플로우팅 확산영역(6)이 충분히 넓은 다이나믹영역을 얻음과 동시에 검출회로(16)의 소오스폴로워의 양호한 직선성도 얻을 수가 있다. 또 전하전송장치의 전원전압이 특히 저전압화 되지 않은 경우, 2개의 리셋트전압(Vgg1, Vgg2)을 Vgg1=Vgg2로 되도록 설정하면 된다. 다음에 본 발명의 제2실시예에 의한 전하전송랑치가 제5도에 도시되어 있는바, 본 실시예는 상기 제1실시예에 있는 제어스위치(8, 10)로서 각 플로우팅 확산영역(6, 7)과 게이트를 통하여 접속되는 불순물영역으로 이루어지는 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터를 사용한 것이다.
n챈널형 전하전송소자로된 전송부에는 전송전극(1, 2,…,5)가 배열되어 있는데, 이 전송부의 최종단에 있는 전송전극(5)에 인접하여 n형 플로우팅 확산영역(6, 7)이 형성되어 있다. 이들 플로우팅 확산영역(6, 7)은 용량(C1)을 통하여 서로 접속됨과 동시에 각 기생용량(C1, C3)을 가지게 되고, 또 플로우팅 확산영역(6, 7)에 인접하고 각 게이트전극(17, 18)을 통하여 형성된 n형 불순물영역(19, 20)은 각각 리셋트전원(9, 11)에 접 속되어 있는바, 이들 리셋트전원(9, 11)은 각각 리셋트전압(Vgg1, Vgg2)을 갖게 되고, 플로우팅 확산영역(7)은 검출회로(16)에 접속되어 있다.
다음에 상기한 구성으로 이루어진 전하전송장치의 동작을 제6도 및 제7도를 참조하여 설명한다. 제6도는 제5도에 도시한 전하전송장치의 포텐셜프로필을 도시한 도면이고, 제7도는 전송펄스(φ1, φ4) 및 리셋트펄스(φa, φb)의 펄스타이밍을 도시한 도면으로서, 신호전하는 전하전송소자에 배열된 전송전극(1, 2,…,4)에 제7도에 도시한 전송펄스(φ1, φ2)가 인가되므로써, 전송부를 순차 전송되게 된다.
지금 전하리셋트모우드에 있어서, 제7도에 도시한 펄스타이밍에서 게이트전극(17, 18)에 각각 인가될 리셋트펄스(φa, φb)는 모두 고레벨(전압 VDD)이고, 또 전송전극(1, 2)에 인가될 전송펄스(φ1)는 저레벨(전압 0), 전송전극(3, 4)인가될 전송펄스(φ2)는 고레벨(전압 VDD)이라고 하자. 그러면 플로우팅 확산영역(6, 7)은 제6도(a)에 도시한 바와 같이 각각 리셋트전원(9, 11)에 접속되어 있는 n형 불순물영역(19, 20)과 함께 도통상태로 되며 각 리셋트전압(Vgg1, Vgg2)으로 리셋트된다. 또 전송되어온 신호전하(QS)는 제6도(a)에 도시한 바와 같이 전송전극(4) 아래에 축적되어 있는데, 이 신호전하(QS) 와 플로우팅 확산영역(6)과는 전송부의 최종단에 있는 전송전극(5)에 저레벨의 전송펄스(φ3)가 인가되므로서 차단되어 있다.
이어서 전하검출모우드로 되면, 제6도에 도시한 펄스타이밍에 있어서, 리셋트펄스(φa, φb)는 모두 저레벨(전압 0)로 되고, 전송펄스(φ1)는 고레벨(전압 VDD)로, 전송펄스(φ2)는 저레벨(전압 0)로 된다. 그러므로 플로우팅 확산영역(6, 7)은 제6도(b)에 도시한 바와 같이 각각 n형 불순물영역(19, 20)와 차단되어 플로우팅 상태로 된다. 또 이때 전송전극(4) 아래에 축적된 신호전하(QS)는, 전송전극(5)에 고레벨의 전송펄스 (φ3)가 인가되므로서 제6도(b)에 도시한 바와 같이 플로우팅 확산영역(6)으로 전송되고, 이 전송된 신호 전하(QS)에 의하여 전위변화(△V1)가 발생하여 플로우팅 확산영역(6)의 전위(V1)는 V1=Vgg1에서 V1=Vgg1+△V1으로 변화한다. 단, △V1＜0이다.
이 플로우팅 확산영역(6)의 전위변화(△V1)는 용량(C1) 및 기생용량(C3)에 의하여 플로우팅 확산영역(7)에 전위변화(△V2)를 발생시키게 되는데, 이 전위변화(△V2)는
Figure kpo00001
으로 된다. 이리하여 플로우팅 확산영역(7)의 전위(V2)는, V2=Vgg2에서
Figure kpo00002
으로 변하게 되고 이 플로우팅 확산영역(7)의 전위변화 △V2
Figure kpo00003
를 검출회로(16)에 의하여 출력신호로서 검출하게 된다.
또한 상기 출력방식에 의한 전하전송장치의 게인(G1)은 입력전압의 변화를 △V1, 플로우팅 확산영역(7)의 출력전압변화를 △V2, 전하전송장치의 입력용량을 Cln이라 하면,
Figure kpo00004
으로 된다.
상기 식에서 분명한 바와 같이 결국 용량(C1)을 크게하고, 기생용량(C3)을 작게 하므로서 게인(G1)의 값은 종래 방식의 전하전송장치에 있어서의 게인(G2), 즉
Figure kpo00005
에 가까운 값으로 될 수가 있다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 종래 전하전송장치의 출력회로에 1개의 트랜지스터와 1개의 용량 등을 새로 부가하는 것만으로 전원전압의 저전압황에 있어서도 플로우팅 확산영역(6)이 충분히 넓은 다이나믹영역을 얻을 수 있음과 동시에 검출회로(16)인 소오스플로워의 양호한 직선성도 얻을 수가 있다.
또한 상기 제2실시예에 있어서는 플로우팅 확산영역(6, 7)에 각각 인접하여 게이트전극(17, 18) 및 n형 불순물확산영역(19, 20)이 형성되어 있지만, 플로우팅 확산영역(6, 7)에 인접하지 않은 위치에 MOS 트랜지스터를 각각 형성시켜 제어스위치의 역할을 하게 되고, 상기 제2실시예에 있어서 리셋트펄스(φa, φb)는 서로 동일한 펄스로 되어 있지만, 필히 동일펄스일 필요는 없다.
또 상기 제1 및 제2실시예에 있어서는 n챈널형 전하전송소자를 이용했지만, p챈널형 전하전송소자를 사용해도 된다. 물론 이 경우에는 플로우팅 확산영역(6, 7)의 불순물도 전형을 P형으로 하고, 전위극성을 반대로 한다.
이상과 같이 본 발명은 전하전송장치의 전원전압이 저전압화된 경우에 있어서도 출력 다이나믹영역을 충분히 넓게 할 수 있음과 동시에 출력신호의 검출회로를 양호한 직선성에서 동작시킬 수가 있다.

Claims (6)

  1. 다수의 전하전송소자(1, 2, 3, 4, 5)를 가지고, 상기 전하전송소자에 의하여 신호전하를 전송하는 전하전송부와, 상기 전하전송부에 인접하여 형성되어 상기 전하전송소자에 의하여 전송된 신호전하를 축적하는 제1플로우팅 확산영역(6), 제1리셋트펄스(φa)에 의하여 구동되는 제1제어스위치수단(8; 17, 19) 및 상기 제1플로우팅 확산영역에 상기 제1제어스위치수단을 통하여 접속된 제1리셋트전원(9) 등을 구비한 전하전송장치에 있어서, 제2의 플로우팅 확산영역(7)과, 제2리셋트펄스(φb)에 의하여 구동되는 제2제어스위치 수단(10; 18, 20), 상기 제2플로우팅 확산영역에 상기 제2제어스위치수단을 통하여 접속된 제2리셋트전원(11), 상기 제1플로우팅 확산영역과 상기 제2플로우팅 확산영역을 결합하는 캐패시터(C1) 및, 상기 제2플로우팅 확산영역의 전위변화를 검출하여 상기 신호전하에 상응한 출력신호로서 출력하는 검출수단(16) 등을 구비한 것을 특징으로 하는 전하전송장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1제어스위치수단은 상기 제1리셋트전원에 접속된 제1불순물영역과, 상기 제1 플로우팅 확산영역이 접속된 제2불순물영역, 상기 제1불순물영역과 상기 제2불순물영역 사이의 챈널영역 위에 형성되어 상기 제1리셋트펄스가 입력되는 제1제어전극을 가진 제1전계효과 트랜지스터 (8)이고, 상기 제2제인스위치수단은 상기 제2리셋트전원에 접속된 제3불순물영역과, 상기 제2플로우팅 확산영역이 접속된 제4불순물영역, 상기 제3불순물영역과 상기 제4불순물영역 사이의 챈널영역위에 형성되어 상기 제2리셋트펄스가 입력되는 제2제어전극 등을 가진 제2전계효과 트랜지스터(10)인 것을 특징으로 하는 전하전송장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1제어스위치수단은 상기 제1리셋트전원에 접속된 제1불순물영역(19)과, 상기 제1불순물영역과 상기 제1플로우팅 확산영역의 사이 챈널영역위에 형성되어 상기 제1리셋트펄스가 입력되는 제1제어전극(17)을 가지며, 상기 제2제어스위치수단을 상기 제2리셋트전원에 접속된 제2불순물영역(20)과, 상기 제2불순물영역과, 상기 제2플로우팅 확산영역의 사이 챈널영역위에 형성되어 상기 제2리셋트펄스가 입력되는 제2제어전극(18)을 가진 것을 특징으로 하는 전하전송장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 검출수단은 상기 제2플로우팅 확산영역(7)에 접속된 게이트를 가진 전계효과 트랜지스터(13)를 갖는 소오스플로워회로인 것을 특징으로 하는 전하전송장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1리셋트전원의 전위는 상기 제2리셋트전원의 전위보다 높은 것임을 특징으로 하는 전하전송장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1리셋트펄스와 상기 제2리셋트펄스는 동일펄스인 것을 특징으로 하는 전하 전송장치.
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