NL8400453A - Ladingssensor. - Google Patents

Description

4 *

* - S

PHN 10.933 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Lad ingssensor" —

De uitvinding heeft betrekking op een ladingssensor, in het bijzonder voor een ladingsoverdrachtinrichting, omvattende; twee kruisgékoppelde MOS-transistoren en T2 elk met een aanvoer, een afvoer en een poortelektrode waarbij de poortelektrode 5 van T2 en de afvoer van T| zijn verbonden met een eerste knooppunt Aj en de poortelektrode van en de af voer van T2 net een tweede knooppunt 011 waarbij de aanvoeren van en T2 met een derde knooppunt zijn verbonden; twee belasting MOS-transistoren en T4 elk met een aanvoer, 10 een afvoer en een poortelektrode, waarbij de aanvoeren van en Tj zijn verbonden met resp. A2 en de afvoeren van en T4 met een vierde knooppunt A^, en waarbij de poortelèktroden van en T4 zijn gekoppeld aan signaal toevoermiddelen; een positieve en een negatieve stroon, toevoerlijn voor het 15 doorvoeren van een stroom tussen de knooppunten en A^ en een als schakelaar fungerende vijfde MOS-transistor met een poortelektrode die is verbonden net een klokspanningsbron voor het aanleggen van een klokspanning voor het intermitterend bekrachtigen van de sensor; een zesde en een zevende MOS-transistor, elk met een aanvoer, 20 een afvoer en een poortelektrode, waarbij de af voer van T. is verbonden

O

met Aj, de afvoer van Tj met A^ en waarbij de aanvoeren zijn verbonden met de bij A^ behorende stroomtoevoerlijn, en de poortelektroden net een klokspanningsbron voor het intermitterend openen en sluiten van de transistor en Tg en T_,. De uitvinding heeft bovendien betrekking op 25 een ladingsoverdrachtinrichting die -is voorzien van een dergelijke ladingssensor.

Opgemerkt wordt dat in het hierna volgende een transistor 'v gesloten geacht dient te worden als hij in een geleidende toestand is, en geopend wanneer hij in een niet-geleidende toestand verkeert. De 30 transistoren T-j - vormen een flip-flop schakeling met de transistoren T1 en T2 als drijver—transistoren en de transistoren en T4 als belastingen. De transistor dient cm de flip-flop te bekrachtigen wanneer nieuwe, uit te lezen signaalladingen worden toegevoerd.· De 8400453 PHN 10.933 2 e' % < trans is tores Tg en dienen voor het terugstellen van de knooppunten en na het uitlezen. De uitgangssignalen kunnen aan de knooppunten en worden af genomen.

Een schakeling van de hierboven aangegeven soort, is in het 5 bijzonder geschikt voor het uitlezen van informatie in een CCD- geheugen, waarbij op de ene ingangspoort de in het geheugen opgeslagen digitale informatie en qp de andere ingangspoort een referentieniveau halfweg tussen het "0"-niveau en het "1 ''-niveau, kunnen worden gezet.

Een dergelijke ladingssensor is o.a. beschreven in het Amerikaanse 10 octrooi 3.983.413 van Gunsager et. al. In deze bekende schakeling ligt knooppunt A^, zijnde de aanvoeren van de dr i j ver-trans is toren, qp een vaste potentiaal, n.1. aan aarde, terwijl knooppunt A^, zijnde de afvoeren van de belas tingtrans is toren, verbonden is met de positieve voeding, via de hiervoor genoemde schakeltrans istor Tg.

15 Bij een schakeling met een dergelijke configuratie kunnen zich tijdens bedrijf een aantal problemen voordoen, die de betrouwbaarheid van de sensor verminderen. Doordat de schakel transistor Tc met

D

de belas tingtrans istoren Tg en is verbonden, moeten de trans is toren Tg en telkens van 0 Volt naar de hoge voedingsspanning (bijv. 5 V) 20 worden opgetrokken;... Tengevolge van capacitieve koppelingen zullen de poortelektroden van Tg en T^, en daarmee ook de met deze poortelektroden verbonden uitgangszones van CCD-kanalen, een overeenkomstige spannings-sprong maken. Een tweede probleem wordt veroorzaakt door de sturing van de belas tingtrans istoren Tg en T^, De spanning waardoor hun geleiding 25 bepaald wordt op het moment van activering hangt o.a. af van de voedingsspanning, de trans is tor-drempelspanning, de signaallading, en overspraak-spanningen. Doordat in het algemeen de geleiding in deze transistoren groot is, is het geleidingsverschil relatief klein, waardoor de hierboven genoemde variërende amstandigheiden, de betrouwbaarheid van de 30 schakeling in ernstige mate nadelig beïnvloeden kunnen.

De uitvinding heeft o.a. ten doel een ladingssensor te geven waarin de hierboven beschreven bezwaren praktisch geheel of althans in aanzienlijke mate zijn opgeheven. Daartoe is een ladingssensor van de in de aanhef beschreven soort volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt 35 dat de afvoer van Tg is verbonden met knooppunt Ag en de aanvoer van Tg met de bij Ag behorende voedingslijn, en dat de poortelektroden van Tg, Tg en Tj zijn verbonden met een klokspanningsbron, die zodanig klokspanningen geeft dat bij het begin van elke cyclus, de knooppunten a^ 8400453 * * -5· Λ V * HM 10.933 3 en eerst op een terugstelsparming worden gebracht door de transistoren Tg en T? te sluiten, en vervolgens, terwijl Tg geopend is, Tg en Ty ook te openen en de uit te lezen signaalladingen op de poortelektroden van Tg en T^ te zetten, waardoor tussen de knooppunten en Ag een signaal j jy 5 spanningsverschil wordt verkregen, en dat vervolgens de transistor Tg wordt gesloten, waarbij het genoemde spanningsverschil wordt vergroot.

In deze schakeling kunnen, tijdens bedrijf de afvoeren van de belastingtransistoren Tg en T^ aan een vaste potentiaal(voedingslijn) worden gelegd, waardoor kldkoverspraak via deze transistoren naar de CCD-lijn wordt 10 vermeden. Doordat de schakel transistor Tg verbonden is met de aanvoeren van de drijver-transistoren van de flip-flop, is het "verder mogelijk, de flip-flop stroomloos te maken, terwijl wel stroom door de ketens T0 - T- en O o T^ - Ty kan lopen. Zoals uit de figumrbeschrijving nog zal blijken, wordt hiervan gebruik gemaakt cm de flip-flcp voordat hij geactiveerd wordt, 15 een signaalafharikelijke voorinstelling te geven, waardoor hij bij bekrachtiging met grotere zekerheid naar de juiste toestand gaat.

De uitvinding zal nader warden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en de bijgaande schematische tekeningen waarin

Fig. 1 een schakelschema van een ladingssensor volgens de uitvin-.

20 ding geeft.

„ geeft*/

Fig. 2 spanningsdiagraimen van diverse punten van deze schakeling

Figuur 1 geeft een schakelschema van een ladingssensor 20 volgens de uitvinding, samen met-slechts schematisch aangegeven - de uitgangstrap van een OCD. Deze uitgangstrap maakt bijv. deel uit van een geheugen waarin 25 logische "enen" en "nullen” worden opgeslagen in de vorm van elektrische lading, die door het CCD-kanaal wordt geschoven waarvan het laatste deel 10 in Fig. 1 is weergegeven. De informatie beweegt in de door de pijl 11 aangegeven richting van links naamrechts . Aangenomen wordt dat de ladingsge-kcppelde inrichting een 2-phase n-type kanaal omvat waarin de lading ais 30 elektronenpakketjes wordt opgeslagen. De klokelektroden 12 en 13 , die door 0^ resp. #2 worden aangestuurd bevatten een overdrachtgedeelte op dikker oxide ,en . een opslaggedeelte op dunner oxide. Na de laatste elektrode 12 volgt een poort 14 die cp een vaste potentiaal ligt, pp bijv;; het hoge niveau van 0^ (5 V). Deze poort voorkant overspraak van de klokelektroden 13,14 naar de 35uitgang 15. Deze uitgang bestaat uit een n-type zone die net een ingang van de., ladingssensor 20 is verbonden. Via een M)S-transistor, bestaande uit de poorteléktrode 17 en de n-type zone 18 die aan een vaste potentiaal, bijvoorbeeld 5 V ligt, kan de zone 15 telkens gereset worden. De 8400453 EHN 10.933 4 \ i poortelektrode 17 woedt aangestuurd door de klokspanning J8r. De klokken J3^ / ^2 en 0r worden geleverd door klokspanningsbronnen die eenvoudig-hêidshalve in Pig. 1 met het blok 19 zijn weergegeven.

Behalve het kanaal 10 is ook het uitgangsgedeelte 21 van een 5 referentie CCD getekend» waarvan de opbouw identiek is aan die van het gedeelte 10, met dien verstande dat het ladings transport in de door de pijl 22 aangegeven richting van rechts naar links plaatsvindt. Via het kanaal 21 worden ladingspakketten getransporteerd waarvan de grootte halverwege de door het kanaal 10 getransporteerde "enen" en "nullen" ligt.

10 Gemakshalve wordt dit referentieniveau verder met "V aangegeven. Deze signalen worden eveneens onder invloed van de klokken β^ en β2 naar de uitgangszone 23 getransporteerd, in phase met de ladingspakketten in het kanaal 10. De uitgangszone 23 is gekoppeld met een tweede ingang van de versterker 20. De zone 23 wordt geresefe via een aangrenzende 15 transistor die de zone 18 als afvoer heeft en de laag 24 als poortelektrode. De poorten 27 en 24 worden beiden aangestuurd door de klokspanning j3r·

De versterker 20 omvat een flip-flop schakeling die cpgebouwd is uit n-kanaal veldef fekttrans is tors die samen met de ladingsgekoppelde inrichting in een gemeenschappelijk halfgeléiderlichaam kunnen worden 20 aangebracht. In de tekening zijn de aanvoeren van de trans is toren met een pijl gemarkeerd.

De flip-flcp omvat een eerste en een tweede transistor en T2 die als drijver-trans is toren fungeren. De poortelektroden van T2 en de afvoer van zijn met een eerste knooppunt verbonden, en de 25 poortelektrode van en de afvoer van T2 met een tweede knooppunt A2·

De aanvoeren van en T2 zijn verbonden met een derde knooppunt A^.

De flip-flop cravat verder een derde en een. vierde transistor en T4 die als belastingselement fungeren en waarvan de aanvoeren zijn verbonden met A1 resp. Aj. De af voeren van T3 en zijn verbonden met een vierde 30 knooppunt , dat via een voedingslijn 25 aan een vaste spanning, in het bijzonder 5 V, kan worden gelegd. De poortelektroden van en zijn verbonden met de zones 15 en 23 en dienen als ingangen voor de te detecteren signalen.

Het knooppunt A^ is verbonden met de af voer van een vijfde 35 transistor T5, die als schakeltrans is tor fungeert. De aanvoer van T5 is verbonden met de negatieve voedingslijn 26 (bijv. aarde) en de poortelektrode is verbonden met de klokspanningsbron 19, voor het aanleggen van de klokspanning β*, waardoor onder invloed van de klok β2 de stroom 8400453 * r ΕΗΝ 10.933 5 door de flip-flop afwisselend kan worden aan- en afgezet. De knooppunten Aj en Ag kunnen worden terug-ingesteld door middel van de transistoren Tg en Ty waarvan de af voeren met de knooppunten resp. Ag zijn verbonden. De aanvoeren van Tg en zijn aan een referentiespanning, 5 bijvoorbeeld aan aarde gelegd. De poorteléktroden van Tg en T-, zijn verbonden met de klokspanningsbron 19 voor het aanleggen van de klok-sparbing 0^.

De uitganssignalen (complementair) kunnen aan de uitgangs-klemmen 27 en 28 die met A^ resp. Ag zijn verbonden, worden af genoten.

10 Fig. 2a geeft de klokken 0^, 02 en 0r als functie van de tijd t. Het is belangrijk, in verband met de werking van de ladingssensor 20, dat de klokken 0^ en 02 elkaar niet overlappen, zodat de transistoren Tg, en Tg/T7 niet gelijktijdig gesloten zijn. Bij dergelijke niet-overlappende klokspanningen wordt de ladingsgekoppelde inrichting 15 bedreven in de z.g. "drcp-clock” wijze, zoals onder meer is beschaven in het hoofdstuk "Application of CCD's to Memories", i.h.b. pg. 213/217 van het boek "Charge Coupled Devices and Systems", Ed. M.J. Howes en D.V. Morgan. Cp het tijdstip t^ staat 0^ cp 5 'Volt. Signaallading die Older 0^ elektrode 13 was cpgeslagen is nu overgeheveld naar het 20 halfgeleidergebied onder elektrode 12. Op tg staat 0y weer cp 0 V.

De signaallading is dan via elektrode 14 (constant 5 V) overgeheveld naar de zone 15, die van te voren (tg) op 5 V was terug-ingesteld via transistor 17, 18. Tegelijk is op zone 23 een referentielading cpgeslagen. Terwijl 0^ - 5 V(t^) zijn de transistoren Tg en T^ gesloten, 25 terwijl schakelaar Tg geopend is waardoor de punten A^ en Ag op ongeveer gelijke spanning staan. Dit is afgebeeld in Fig. 2b, waarin de curven (?) en (2) de potentiaal van de zones 15 en 23 01 van de poorteléktroden van Tg en T^ voor een logische "1" resp. een signaallading ½ voorstellen, terwijl de curven (3) en (?) de bijbehorende potentialen cp de punten 30 Aj en Ag weergeven. Wanneer 0^ weer naar 0 V gaat, gaan de schakelaars Tg en T^ open. De punten A^ en Ag stijgen naar de spanning van de voedingslijn 25 en blijven ongeveer een drenpelspanning t.o.v. de bijbehorende poortelektrode onder 5 V. Doordat tussen de poorteléktroden van Tg en T^ een signaalafhankelijk spanningsverschil staat, zullen, 35 terwijl de flip-flop nog niet geactiveerdiis door j3g, de punten A^ en Ag een signaalafhankelijke voorinstelling krijgen, zoals door de curven (3) en (4y op tg wordt weergegeven. Wanneer vervolgens (tg) schakelaar Tg bekrachtigd wordt door 02, waardoor de flip-flop geactiveerd wordt, 8400453 ΡΗΝ 10.933 6

A

ν' χ wordt het spanningsverschil tussen de punten en ^ tot bijna de volledige voedingspanning vergroot. De toestand die de flip-flop inneemt bij activering is in principe al vastgelegd door het spanningsverschil tussen Αη en A2 op tijdstip t2· De kans dat de flip-flqp tengevolge 5 van overspraak van klokken in de verkeerde toestand gaat staan, is hierdoor praktisch uitgesloten.

In een volgend stadium wordt de flip-flop weer gedeactiveerd doordat J32 weer naar nul gaat en daarmee de schakelaar Tg open gaat.

De reset klok 0r gaat naar 8 V, waardoor de transistoren 15, 17, 18 en 10 23, 24, 18 geleidend worden en de zones 15, 23 en de poortelektröden van T3 en T4 terug-ingesteld worden op 5 V en een nieuwe cyclus kan beginnen.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet is beperkt tot het hier gegeven uitvoeringsvoorbeeld maar dat binnen het kader van de ^ uitvinding voor de vakman nog veel variaties mogelijk zijn. Zo kan de ladingsgekqppelde inrichting zowel van het qppervlakte-kanaal-type als van het. begraven kanaal-type zijn. Behalve in n-kanaal inrichtingen kan de uitvinding ook in p-type inrichtingen worden toegepast. De voorstelling op punten A^ en A2 kan ook verkregen worden met of door 20 middel van source-volger werking waarbij, in aanwezigheid van nieuwe informatie qp de poorten van T^ en T^, de transistoren Tg en T^ nog (gedeeltelijk) gesloten zijn, terwijl Tg geopend is.

25 30 35 8400453

Claims (2)

1. Ladingssensor, in het bijzonder voor een ladingsoverdracht- inrichting, onvattende: twee kruisgekcppelde MOS-transistoren en T2 elk met een aanvoer, een afvoer en een poortelektrode waarbij de poortelektrode 5 vanT2 en de afvoer van zijn verbonden met een eerste knooppunt en de poortelektrode van en de afvoer van T2 met een tweede knooppunt ^ en waarbij de aanvoeren van en T2 met een derde knooppunt Ag zijn verbonden; twee belasting MOS-transistoren Tg en T^ elk net een aanvoer, 10 een af voer een een poortelektrode, .waarbij de aanvoeren van Tg en zijn verbonden met A^ resp. A2 en de afvoeren van Tg en net een vierde knooppunt A^, en waarbij de poortelektroden van Tg en zijn gekoppeld aan signaal toevoermiddelen; een positieve en een negatieve stroom toevoerlijn voor het 15 doorvoeren van een stroom tussen de knooppunten Ag en A^ en een als schakelaar fungerende vijfde MOS-trans is tor Tg, met een poortelektrode die is verbonden met een klokspanningsbron voor het aanleggen van een klokspannïng voor het intermitterende bekrachtigen van de sensor; een zesde en een zevende MOS- trans is tb£,^e0c m?t een aanvoer, 20 een afvoer en een poortelektrode, waarbij de afvoer van T- is O verbonden met A^, de afvoer van Tj met A2, en waarbij de aanvoeren zijn verbonden met een van de strocmtoevoerlijnen, en de poortelektroden met een klokspanningsbron voor het intermitterende openen en sluiten van de trans is toren Tg en T^: 25 met het kenmerk dat de afvoer van Tg is verbonden met knooppunt Ag en de aanvoer van Tg met de bij Ag behorende voedingslijn, en dat de poortelektroden van Tg, Tg en Tj zijn verbonden met een klokspanningsbron, die zodanige klokspanningen geeft dat bij het begin van elke cyclus, de knooppunten A| en Ag eerst 30 op een terugstelspanning worden gébracht door de transistoren Tg en T^ te sluiten, en vervolgens, terwijl Tg geopend is, Tg en T? ook te openen en de uit te lezen signaalladingen op de poortelektroden van Tg en T4 te zetten, waardoor tussen de knooppunten A^ en Ag een signaalafhankelijk spanningsverschil wordt verkregen, en dat vervolgens 35 de transistor Tg wordt gesloten, waarbij het genoemde spanningsverschil wordt vergroot.

2. Ladingsoverdrachtinrichitng, omvattende een ladingssensor volgens conclusie 1. 3400453