DE2643704C2

DE2643704C2 - Transversalfilter mit mindestens einem analogen Schieberegister und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE2643704C2
Application number: DE2643704A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Ing. 8035 Gauting Knauer; Hand-Jörg Dr. 8011 Zorneding Pfleiderer; Max Dipl.-Ing. 8000 München Schlichte
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-28
Filing date: 1976-09-28
Publication date: 1984-03-29
Also published as: DK154384B; DE2643704A1; NL7710541A; JPS5342534A; IL52951A; FR2365917B1; CA1100193A; DK154384C; IT1087603B; DE2644284A1; CA1115420A; SE417045B; US4188597A; IL52951A0; CA1098973A; SE7710797L; BE859128A; GB1602852A; AU2907077A; JPS623608B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Transversalfilter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf ein Verfahren zu dessen Betrieb.

Bekannte Transversalfilter dieser Art sind mit ladungsgekoppelten Verschiebevorrichtungen aufgebaut die eine Mehrzahl von Parallelausgängen besitzen, an denen jeweils Anteile des gefilterten Sign.-üs entnommen und bewertet werden. Hierzu sei auf das Buch »Charge Transfer Devices« von M. F. Tompsett und C H. Sequin, Academic Press Ina, New York, 1975, S. 216 ff, verwiesen. Zur Bewertung der entnommenen Signalanteile wird z. B. das »Split Electrode«-Prinzip verwendet bei dem jeweils an geteilten Elektroden ausgelesen wird und die Bewertung von den Teilungs-Verhältnissen derselben abhängt Zur Realisierung einer gewünschten Filterfunktion dient im allgemeinen die Impulsantwort die sich als Ausgangssignal ergibt wenn man dem Filtereingang einen kurzen Impuls zuführt

Beim vorstehend angegebenen »Split Electrode«- Prinzip wird das Ausgangssignal aus der Differenz zweier großer Spannungen gebildet was schaltungstechnisch große Probleme aufwirft Ein weiteres Problem liegt darin, daß im ungünstigsten Fall kleine Ladungspakete auf große Flächen verteilt sind. Bei den übrigen Verfahren mit Parallelausg/.rigen sind »Floating Gate-Amplifier« notwendig, die durch i-iren komplizierten Aufbau beispielsweise eine Mehrlagenmetallisierung erfordern und dadurch Probleme bei der Herstellung und weitere Probleme beim Betrieb, beispielsweise wegen Dämpfung durch Spannungsteilung, mit sich bringen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gegenüber bekannten Transversalfiltern der eingangs genannten Art verbessertes Transversalfilter

jo anzugeben. Erfindungsgemäß wird dies durch eine Ausbildung nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erreicht

Die Ansprüche 2 bis 14 sind auf bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gerichtet, während der Anspruch 15 ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Transversalfilters betrifft.

Besondere Vorteile eines erfindungsgemäßeii Transversalfilters liegen im einfachen Aufbau, der in integrierter Technik besonders einfach zu realisieren ist unJ in der problemlosen einfachen Betriebsweise.

Diese und weitere Vorteile lassen sich am besten mit Hilfe der nun folgenden Beschreibung, anhand der die Erfindung mit Hilfe der Figuren erläuter* wird, darlegen.

F i g. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer besonders einfachen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Transversalfilters.

F i g. 2 zeigt eine Realisierung eines Transversalfilters nach Fig. 1, wobei das Schieberegister als eine

so ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung für Drei-Phasen-Betrieb und die Bewerterschaltungen nit Kondensatorpaaren ausgebildet sind.

Fi g. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Realisierung durch die F i g. 2 längs der Schnittlinie A-A und darunter in Diagrammen 1 Ois Vl örtliche Potentialverläufe des Oberflächenpotentials im Substrat für verschiedene Betriebsweisen und Betriebszustände.

F i g. 4 zeigt, wie in einer Vorrichtung nach F i g. 2 das gefilterte Signal entsteht.

Fig.5 und Fig.6 zeigen schematisch den Aufbau jeweils eines Transversalfilters mit zwei Schieberegistern.

Fig. 7 zeigt ein Transversalfilter, bei dem jedem Paralleleingang der Schieberegisters zwei Bewerterschaltungen zugeordnet sind.

F i g. 8 zeigt eine Realisierung eines Transversalfilters mit einer ladungsgekoppelten Verschiebevorrichtung für Vier-Phasen-Betrieb.

In der F i g. 1 ist mit 1 das analoge Schieberegister bezeichnet. Die einzelnen Speicherplätze dieses Schieberegisters sind mit 11 bis 18, die Paralleleingänge mit 110 bis 180 und der Ausgang des Schieberegisters ist mit 19 bezeichnet. Die Bewerterschaltungen sind mit den Bezugszeichen 21 bis 28 versehen. Jede Bewerterschaltung weist einen Eingang zur Eingabe des zu filternden Signals und einen Ausgang auf. Diese Eingänge sind mit den Bezugszeichen 210 bis 280 und diese Ausgänge mit den Bezugszeichen 211 bis 281 versehen. Die individuellen Faktoren der Bewerterschaltungen sind symbolisch mit *i bis «β bezeichnet und in die Bewerterschaltungen eingetragen. Der Ausgang einer jeden Bewerterschaltung ist über ein hier der Einfachheit halber nicht gezeichnetes Schaltelement mit einem zugehörigen Paralleleingang des Schieberegisters verbunden. Die Signaleingänge sind mit einem gemeinsamen Signaleingang 20 verbunden. Das Fassungsvermögen eines jeden Speicherplatzes des Schieberegisters muß mindestens so groß sein, daß er stets die vom entgegengesetzt zur Verschieberichtung benachbarten Speicherplatz gelieferte maximale Ladungsmenge, und wenn es ein Speicherplatz mit Paralleleingang ist, zusätzlich die von der oder den zugeordneten Bewerterschaltungen gelieferten maximalen Ladungsmengen aufnehmen :ί kann. In der F i g. 1 weist jeder Speicherplatz einen Paralleleingang auf und jedem Paralleleingang ist nur eine Bewerterschaltung zugeordnet.

In der F i g. 1 ist das notwendige Fassungsvermögen eines jeden Speicherplatzes symbolisch durch die Größe jo seiner Fläche dargestellt. Allgemein ergibt sich das notwendige Fassungsvermögen eines Speicherplatzes aus der Summe aller individuellen Faktoren derjenigen Bewerterschaltungen, die an Speicherplätze vor ihm und an ihm angeschlossen sind mal dem Differenzbetrag π aus dem Maximalwert abzüglich dem Minimalwert. Wird das Schieberegister mit Grundiadung betrieben, so ist das Fassungsvermögen eines jeden Speicherplatzes um diese Grundladung zu erweitern.

Beim Betrieb des in F i g. 1 dargestellten Transversal- ->" filters wird das Schieberegister in herkömmlicher Weise betrieben und an den gemeinsamen Signaleingang 20 das zu filternde Signal angelegt. Durch gleichzeitiges öffnen sämtlicher Schaltelemente werden die von den Bewerterschaltungen gelieferten Ladungsmengen, die -»5 dem augenblicklichen Signalwert entsprechen, parallel in das Schieberegister eingelesen. Nach dem Verschieben dieser Ladungsmengen um einen Speicherplatz zum Serienausgang hin wird erneut eingelesen usw.

Wird als zu filterndes Signal ein kurzzeitiger Impuls, » dessen Impulsdauer kürzer ist als die Verschiebedauer von einem Speicherplatz zum nächsten, verwendet, so erhält man am Serienausgang 19 eine Impulsfolge, bei der bei ebenso vielen benachbarten Impulsen, wie Paralleleingänge vorhanden sind, die Impulsamplituden von einem Gleichwert abweichen. In zeitlicher Folge entspricht der Betrag der Abweichung den individuellen Faktoren oc₈ bis «i, d. h. der zeitlich erste Impuls mit abweichender Amplitude weicht um «g. der nächste um öl-, usw. vom Gleichwert ab. Ob dieser Betrag zum w> Gleichwert hinzugezählt oder abgezogen wird, hängt von der Art der zugehörigen Bewerterschaltung ab. Liefert die zugehörige Bewerterschaltung eine Ladungsmenge, die bis auf den individuellen Bewertungsfaktor gleich ist dem Differenzbetrag aus dem ο jeweiligen Signalwert des zu filternden Signals abzüglich dem Minimalwert, so wird der Betrag hinzugezählt, im anderen Falle abgezogen. Danach läßt sich mit einem Transversalfilter nach Fig. 1 eine vorgegebene Impulsantwort in sehr einfacher Weise folgendermaßen realisieren: Die Inipulsantwort ist als zeitliche Koeffizientenreihe dargestellt. Jeder Koeffizient gibt die Amplitude der Impulsantwort an einer bestimmten Stützstelle an. Den Koeffizienten werden ebensoviele benachbarte Speicherplätze mit Paralleleingang im Schieberegister zugeordnet. Jedem Paralleleingang wird eine Bewerterschaltung zugeordnet, wobei bei jeder einzelnen einer der Koeffizienten als der individuelle Bewertungsfaktor gewählt wird. Die Bewerterschaltungen werden den Paralleleingängen entsprechend der zeitlichen Reihenfolge der Koeffizienten entgegengesetzt zur Verschieberichtung nacheinander zugeordnet. Bei positiven Koeffizienten werden Bewerterschaltungen verwendet, die am Ausgang eine Ladungsmenge liefern, die bis auf den Koeffizienten gleich ist dem Differenzbetrag aus dem jeweiligen Signalwert des zu filternden Signals abzüglich dem Minimalwert und bei negativen Koeffizienten die andere Art von Bewerterschaltungen.

In der Fig.2 ist nun eine Realisierung eines Transversalfilters nach F i g. 1 dargestellt. Es sind dabei abweichend von der F i g. 1 nur die ersten fünf Speicherplätze mit Paralleleingang und die ersten fünf Beworterschaltungen vorhanden. Alle Bezugszeichen in diesem Teil der Fig. I werden für die entsprechenden Vorriciitungen der F i g. 2 verwendet. In der F i g. 2 sind auf einer Oberfläche eines Substrats 10 aus dotiertem Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps das Schieberegister als ladungsgekoppeite Verschiebevorrichtung für Drei-Phasen-Betrieb und die Bewerterschaltungen als Kondensatorpaare realisiert. Die Verschiebevorrichtung besteht aus einer Reihe von Isolierschicht- oder Sperrschichtkondensatoren 111 bis 152, die auf der Oberfläche des Substrats angeordnet sind. Der Abstand zwischen den äußeren Elektroden jeweils benachbarter Kondensatoren muß so klein gemacht werden (< 3 μπι), daß eine Ladungsübertragung erfolgen kann. Jeder der Speicherplätze 11 bis 14 besteht aus jeweils drei benachbarten dieser Kondensatoren. Der Speicherplatz 15 besteht hier aus nur zwei Kondensatoren. Neben dem Kondensator 111 ist eine konventionelle Eingangsstufe und neben dem Kondensator 152 ist eine konventionelle Ausgangsstufe, die aus einem Feldeffekttransistor 160 als Reset-Transistor und einem Verstärker 170, dessen Eingang 171 an die Sourceelektrode 161 des Transistors 160 angeschlossen ist und an dessen Ausgang 172 das gefilterte Signal entnehmbar ist. Die Eingangsstufe dient lediglich zur Eingabe von Grundladung ^Tn die Verschiebevorrichtung. Sie besteht aus einem entgegengesetzt zum Substrat dotierten Gebiet 1100, das mit einem Anschlußkontakt 1101 versehen ist und aus zwei nebeneinander angeordneten Isolierschicht- oder Sperrschichtkondensatoren 1102 und 1103, wobei der Isolierschicht- oder Sperrschichtkondensator 1102 unmittelbar neben dem dotierten Gebiet 1101 und der andere unmittelbar neben dem Kondensator 111 angeordnet ist. Die Gateelektrode eines jeden dieser Kondensatoren ist mit einem Anschlußkontakt 11021 und 11031 versehen. Der Betrieb erfolgt nach der »fill and spiII«-Methode, d. h. an die Gateelektroden der Kondensatoren 11102 und 1103 werden zwei verschiedene Spannungen angelegt, so daß unter der Gateelektrode des Kondensators 1103 eine Poientialmuide des Oberflächenpotentials gegenüber der des anderen vorhanden ist. Durch kurzes Anlegen einer geeigneten Spannung an das dotierte Gebiet über dessen

Anschlußkontakt werden beide Kondensatoren mit Ladungsträgern überflutet (im vorliegenden Fall mit Elektronen). Danach wird an das dotierte Gebiet eine Sperrspannung angelegt, wodurch sämtliche Ladungsträger, bis auf die in der Potentialmulde unter der Gateelektrode des Kondensators 1103, in das dotierte Gebiet wieder zurückfließen. Die in der Potentialmulde gefallene definierte Ladungsmenge wird als Grundladung in die Verschiebevorrichtung eingegeben, wenn am Kondensator 111 die maximale Taktspannungsdifferenz anliegt. Die äußeren Kondensatorelektroden sämtlicher Kondensatoren 111 bis 152 sind entsprechend dem Drei-Phasen-Betrieb an drei Taktleitungen 31 bis 33 angeschlossen. Die in jedem Speicherplatz an gleicher Stelle liegenden Kondensatoren sind an dieselbe Taktleitung angeschlossen.

Neben Kondensatoren, die an dieselbe Taktleitung angeschlossen sind, im vorliegenden Fall die Taktleitung 32, sind die Bewerterschaitungen 21 bis 25 angeordnet. Jede Bewerterschaltung besteht aus einem an der Oberfläche des Substrats angeordneten Kondensatorpaar, bestehend aus einem ersten Isolierschicht- oder Sperrschichtkondensator 211 bis 251, der wie ein an der Oberfläche des Substrats befindliches, mit einem Anschlußkontakt 41 versehenes Gebiet 40, das entgegengesetzt zum Substrat dotiert ist, berührt (das soll bedeuten, daß der seitliche Abstand der äußeren Kondensatorelektrode <3 μιη ist) und aus einem dicht (<3μπι) neben dem ersten angeordneten zweiten isolierschicht- oder Sperrschichtkondensator 212 bis 252. Jeweils der zweite Isolierschicht- oder Sperrschichtkondensator weist eine Kapazität auf, die gleich dem individuellen Faktor ist. Der individuelle Faktor ist in der Fig.2 symbolisch durch den Flächeninhalt der zweiten Kondensatoren 212 bis 252 dargestellt. Speziell ist gewählt:

und

Entsprechend ist in der Verschiebevorrichtung das notwendige Fassungsvermögen eines jeden Kondensators symbolisch durch dessen Flächeninhalt dargestellt. Speziell sind die Bewerterschaltungen 21, 23 und 25 für positive Koeffizienten und die Bewerterschaltungen 22 und 24 für negative Koeffizienten. Dementsprechend sind die äußeren Kondensatorelektroden der Kondensatoren 212, 221, 232, 241 und 252 mit dem gemeinsamen Signaleingang 20, die äußeren Elektroden der Kondensatoren 211, 231 und 251 mit einem Anschluß 51, an den eine feste Spannung, deren Wert gleich dem Minimalwert des zu filternden Signals ist, und die äußeren Elektroden der Kondensatoren 222 und 242 mit einem zweiten Anschluß 52 zum Anlegen einer zweiten festen Spannungen, deren Wert gleich dem Maximalwert des zu filternden Signals ist, verbunden. Der Ausgang einer jeden Bewerterschaltung befindet sich bei den zweiten Isolierschicht- oder Sperrschichtkondensatoren. Die Gegenelektrode, d. h. der Bereich unter der äußeren Kondensatorelektrode eines jeden dieser zweiten Kondensatoren, ist über ein Ladungsübertragungselement mit der Gegenelektrode des zugehörigen Kondensators der Verschiebevorrichtung verbunden. Sämtliche Ladungsübertragungselemente bestehen aus einer für alle Bewerterschaltungen gemeinsamen Torelektrode 60, die mit einem dritten Anschluß 53 verbunden ist und die durch eine elektrisch isolierende Schicht von der Substratoberfläche getrennt ist. Der seitliche Abstand der Torelektrode zu den entsprechenden Kondensatoren der Verschiebevorrichtung und der Bewerterschaltung muß hinreichend schmal (<3μηι) gemacht werden. Um dabei einen Ladungsfluß unter der Torelektrode in deren Längsrichtung zu verhindern, ist es zweckmäßig, sie zwischen den Bewerterschaltungen auf dickere Isolierschicht zu legen. Die Ladungsübertragungselemente könnten auch Feldeffekttransistoren sein.

Anhand der Fig.3 sei nun die Wirkungsweise einer Bewerterschaltung nach F i g. 2, die ebenfalls nach der »fill and spill«-Methode erfolgt, näher erläutert. Dazu zeigt F i g. 3 einen Querschnitt durch das Transversalfilter nach F i g. 2 längs der Schnittlinie A-A. Unter diesem Querschnitt sind in Diagrammen I bis Vl örtliche Potentialverläufe des Oberflächenpotentials φ im Substrat für verschiedene Betriebsweisen und Betriebszustände dargestellt. Der Querschnitt zeigt nun das Substrat 10, beispielsweise p-dotiertes Silizium, mit dem Substratanschluß 101. Auf der Oberfläche des Substrats ist eine elektrisch leitende Schicht 100, beispielsweise aus Siliziumdioxid, aufgebracht, auf der sich die äußeren Elektroden der Isolierschichtkondensatoren 111, 212 und 211 und die Torelektrode 60 befinden. Die äußeren Elektroden der Kondensatoren sind mit denselben Bezugszeichen versehen, wie diese selbst in Fig. 2. Neben der Elektrode 211 befindet sich unmittelbar unter der Substratoberfläche das entgegengesetzt dazu dotierte Gebiet 40. Dem Schaltelement 21, das im Querschnitt dargestellt ist, ist ein positiver Koeffizient zugeordnet. Anhand der Diagramme I bis III sei die Betriebsweise dafür näher erläutert. An der Elektrode 211 liegt stets der Minimalwert Umin, während an der Elektrode 212 stets der momentane Signalwert anliegt.

Nachdem eine Ladungsmenge in die Verschiebevorrichtung eingelesen wurde, wird sie durch Anlegen einer Spannung U₃, die kteäner als L¹Mm ist, abgetrennt. Danach wird an den Anschluß 41 eine Spannung Ui angelegt, die zwischen Umin und Uj liegt. Dadurch werden die Oberflächenbereiche des Substrats unter den Elektroden 211 und 212 mit Elektronen überflutet. Im Diagramm I sind die Verhältnisse schematisch dargestellt. Die gestrichelte Kurve 35 gibt den örtlichen Verlauf des Oberflächenpotentials im Substrat vor dem

Überfluten, die strichpunktierte Kurve 35' nach dem Überfluten schematisch wieder. Der schraffierte Bereich deutet den mit Elektronen überfluteten Bereich an. Us gibt den augenblicklichen Signalwert an. Eigenlich müßte in erster Näherung von Umin, i/s und Uj noch die Einsatzspannung, um die das Oberflächenpotential verringert ist, abgezogen werden, jedoch ist dies hier und im folgenden der Einfachheit halber vernachlässigt. Nach dem Überfluten wird am Anschluß 41 die Spannung über Umin hinaus auf einen Wert Ua, erhöht.

Diagramm II stellt die Verhältnisse (Kurve 35") für diesen Fall dar. Wie daraus zu ersehen ist, sind außer in Gebiet 40 nur noch unter der Elektrode 212 Elektronen gespeichert Die gespeicherte Ladungsmenge ist gleich dem Produkt aus der Kapazität dieses Isolierschichtkondensator mal der Differenz Us — Umin· Anschließend wird die Spannung an der Torelektrode über Us hinaus auf i/5, die vorteilhafterweise größer als das Signalmaximum gewählt wird, erhöht. Erscheint nun an der Kondensatorelektrode des Kondensators 111 die maximale Taktspannung, die größer oder gleich Us gewählt ist, wird die unter der Elektrode 211 gespeicherte Ladungsmenge ausgelesen und der Vorgang beginnt von neuem. Diagramm III stellt hierfür die

Potentialverhältnisse durch die Kurven 36 und 36' dar, wobei die gestrichelte Kurve 36 die Verhältnisse zu Beginn des Auslesens und die strichpunktierte Kurve 36' die Verhältnisse nach Beendigung des Auslesens darstellt.

Es sei nun angenommen, daß der Bewerterschaltung 21 ein negativer Koeffizient, wie es eigentlich bei den Bewerterscha'tungen 22 und 24 der Fall ist, zugeordnet ist. In diesem Fall liegt an der Elektrode 211 stets das Signal U_s und an der Elektrode 212 stets der Maximalwert Umax an. Wie vorher wird nach dem Einlesen der Ladungsmenge in die Verschiebevorrichtung das Schaltelement geöffnet, indem an die Torelektrode eine Spannung angelegt wird, die kleiner als der Signalwert U_s ist. Zweckmäßigerweise ist es wiederum die Spannung Uy. Danach wird an den Eingang 41 eine Spannung angelegt, die kleiner als Us ist. Zweckmäßigerweise wird auch sie gleich der Spannung Ui gewählt. Wie im vorhergehenden Faü werden die Bereiche unter den Elektroden 211 und 212 mit Elektronen überflutet. Diagramm IV stellt die Verhältnisse dar. Die gestrichelte Kurve 37 gibt den Verlauf des Oberflächenpotentials im Substrat vor dem Überfluten, die strichpunktierte Kurve 37' nach dem Überfluten an, der schraffierte Bereich den mit Elektronen überfluteten Anteil. Anschließend wird wiederum die Spannung am Anschluß 41 über den Signalwert Us zweckmäßigerweise sogar über Umax hinaus erhöht, so daß eine Spannung £4 dort anliegt.

Unter der Elektrode 211 ist jetzt eine Ladungsmenge gespeichert, die gleich ist der Kapazität des Kondensators 211 mal der Differenz Umax — Us- Diagramm V zeigt diese Verhältnisse (Kurve 37"). Anschließend wird die Spannung an der Torelektrode auf Umax oder darüber hinaus erhöht und die unter der Elektrode 212 gespeicherten Elektronen können in den Kondensator !!! abfließen, wenn dort die maximale Taktspannung anliegt. Die gestrichelte Kurve 38 bzw. die strichpunktierte Kurve 38' im Diagramm VI geben den Verlauf des Oberflächenpotentials vor und nach Beendigung des Auslesens an.

Bei dem soeben geschilderten Betriebsverfahren war p-dotiertes Substrat vorausgesetzt, d. h. sämtliche Spannungen sind gegenüber Substratpotential positiv. Bei η-dotiertem Substrat ist lediglich die Polarität sämtlicher Spannungen umzukehren, wobei jetzt dem Wert Umax der größte negative Wert und Umin der kleinste negative Wert entspricht.

Zweckmäßigerweise verwendet man, bezogen auf das Substratpotential, bei p-dotiertem Substrat nur positive und bei η-dotiertem Substrat nur negative Signalwerte.

In der F i g. 4 wird nun in einem Zeitschema gezeigt, wie die bei den einzelnen Bewerterschaltungen eingegebenen Ladungspakete addiert werden, so daß das gewünschte gefilterte Signal entsteht Als Eingangssignal wird ein kurzzeitiger Impuls verwendet. Als gewünschte Impulsantwort ist die Kurve 70 vorgegeben, die durch die Koeffizienten «i bis as angenähert ist. Nach der Beschreibung zu Fig.2 gilt dabei speziell «2=— 2tx\, OCi=AtXu 0d. = —1a\ und «5=«i-Die zugehörigen Paralleleingänge bzw. Speicherplätze sind darunter auf der Abszisse durch Punkte markiert Der Ausgang des Schieberegisters ist auf der Abszisse durch einen Pfeil markiert Die Zeitpunkte ίο bis fi ι auf der nach unten gerichteten Ordinate markieren aufeinanderfolgende Einlesevorgänge.

Parallel zur Ordinate ist das zu filternde Signal dargestdlt Im Schema bedeutet ein Querstrich, daß keine Ladungsmenge vorhanden bzw. eingelesen wird. Zum Zeitpunkt fo wird das erste Mal eingelesen. Da der Signalwert »0« ist, also dem Minimalwert entspricht, wird in die Speicherplätze 11, 13 und 15 keine Ladungsmenge eingelesen, während in die Speicherplätze 12 und 14 die maximal erzeugbare Ladungsmenge eingelesen wird. Diese maximale Ladungsmenge entspricht dem Wert 2 Ot₁. Nach dem Verschieben dieser Ladungsverteilung um einen Speicherplatz wird zum

ίο Zeitpunkt t\ erneut die ursprüngliche, dem Zeitpunkt fo entsprechende Ladungsverteilung eingelesen und hinzuaddiert. Dies setzt sich sukzessive fort bis zum Einlesen zum Zeitpunkt f₅. Nach diesem Einlesen liegt an den Bewerterschaltungen der Maximalwert an, so daß an den Speicherplätzen 12 und 14 keine Ladungsmenge, an den Speicherplätzen U und 15 d.L· Ladungsmenge αι und am Speicherplatz 13 die Ladungsmenge «ι anliegt. Diese Ladungsverteilung wild Ziiiii ZciipUnki C6 äiif die iiiü einen Speicherplatz verschobene Ladungsverteilung zum Zeitpunkt is hinzuaddiert. Nach dem Einlesen zum Zeitpunkt h ist der Signalwert wieder »0«, so daß im folgenden wieder die ursprüngliche, dem Zeitpunkt fo entsprechende Ladungsverteilung eingelesen und hinzuaddiert wird.

Zum Zeitpunkt in hat man bereits die vollständige Filterfunktion erhalten, die wiederum durch die Kurve 70 gekennzeichnet ist.

In der Ausführungsform nach F i g. 2 wird als Verschiebevorrichtung eine übliche Verschiebevorrichtung für Drei-Phasen-Betrieb verwendet. Bei Siliziumsubstrat besteht bei Verwendung von Isolierschichtkondensatoren die elektrisch isolierende Schicht vorzugsweise aus Siliziumdioxid und die äußeren Elektroden bestehen vorzugsweise aus Aluminium. Es sind jedoch alle möglichen Arten von Verschiebevorrichtungen für diese Ausführungsform geeignet, beispielsweise Verschiebevorrichtungen für den Zwei-Phasen-Betrieb oder Vier-Phasen-Betrieb in Aluminium-Silizium-, Silizium-Silizium-, oder Aluminium-Aluminium-Technologie oder Verschiebevorrichtungen für den Drei-Phasen-Betrieb in einer dieser genannten Technologien

Da in einer ladungsgekoppelten Verschiebevorrichtung jeder Speicherplatz so vieie Kondensatorelemente aufweist, wie Taktieitungen vorhanden sind, ist es möglich, mit einer solchen ladungsgekoppelten Verschiebevorrichtung soviele verschiedene Filterfunktionen zu realisieren, wie Taktleitungen vorhanden sind. Dabei sind neben den Kondensatorelementen jeder Taktleitung Paraileleingänge und Bewerterschaltungen vorzusehen. Das Einlesen der Koeffizienten der gewünschten Filterfunktion geschieht dadurch, daß während der entsprechenden Taktphase die Torelektrode geöffnet wird.
Man kann den Platzbedarf eines Transversalfilters nach Fig. 1 oder Fig.2 durch einige Maßnahmen erheblich vermindern. Eine erste Maßnahme besteht darin, die Verschiebevorrichtung aufzuteilen. Die F i g. 5 und 6 zeigen schematisch den Aufbau zweier Transversalfilter nach F i g. 1 als Vergleichsfilter zugrundegelegt.

In der F i g. 5 ist ein erstes analoges Schieberegisters für die ersten individuellen Faktoren αι bis α* und ein weiteres analoges Schieberegister 6 für die restlichen individuellen Faktoren «5 bis αβ vorhanden. Die Speicherplätze des ersten Schieberegisters 5 ViP.d mit

63. 501 bis 504, die des zweiten mit 601 bis 604 bezeichnet Die Bewerterschaltungen sind wie in der F i g. 1 bezeichnet Die Serienausgänge beider Schieberegister sind zu einem gemeinsamen Ausgang 600 verbunden.

Die Bewerterschaltungen 25 bis 28, die zum weiteren Schieberegister gehören, sind an den gemeinsamen Eingang 20 direkt, während die denn ersten Schieberegister zugehörigen Bewerterschaltungen 21 bis 24 über ein Zeitverzögerungsglied 500 daran angeschlossen sind. Das Zeitverzögerungsglied verzögert das Eingangssignal um die Zeit, die eine Ladung im weiteren Schieberegister vom Speicherplatz 601 bis zum Speicherplatz 604 benötigt. Vorzugsweise wird das Zeitverzögerungsglied durch ein analoges Serienschieberegister mit ebensovielen Speicherplätzen wie das weitere Schieberegister realisiert. Es kann dabei wie das erste und weitere Schieberegister durch eine ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung realisiert werden. Der Betrieb dieser Ausführungsform ist gleich dem des Transversalfilter nach Fig. 1. Es ist lediglich zu beachten, daß sämtliche Schieberegister mit denselben Verschiebetakten betrieben werden. Mit dieser Ausführungsfcrm !äßi sich gegenüber der nach Fi g. i etwa ein Drittel des Flächenbedarfes sparen.

\ In der F i g. 6 ist eine Variante der Ausführungsform

nach F i g. 5 dargestellt. Sie unterscheidet sich von letzterer lediglich dadurch, daß sämtliche Bewerterschaltungen 21 bis 28 direkt an den gemeinsamen Eingang 20 angeschlossen sind, daß aber zwischen dem gemeinsamen Serienausgang 601 und dem Ausgang des ersten Schieberegisters 5 ein Zeitverzögerungsglied geschaltet ist, welches dieselben Eigenschaften wie das Zeitverzögerungsgiied 500 aufwei-r t

'n den Ausführungsformen nach Fig.5 und Fig.6 brauchen die Schieberegister nicht gleich viele Speicherplätze und Bewerterschaltungen aufzuweisen. Eine andere vorteilhafte Maßnahme zur Verkleinerung des Flächenbedarfs besteht darin, daß einem Speicherplatz des Schieberegisters nicht nur eine Bewerterschaltung zugeordnet wird. Die F i g. 7 zeigt dazu ein Ausführungsbeisnie!, Als Vergleichsfüter dient dabei wiederum das Transversalfilter nach F i g. 1. In der F ι g. 7 weist das Schieberegister 7 vier Speicherplätze 701 bis 704 auf. Der Serienausgang ist mit 700

^; bezeichnet. Jedem Speicherplatz sind zwei Bewerterschaltungen zugeordnet, und zwar der Reihe nach in Verschieberichtung die Bewerterschaltungspaare 21 und 25, 22 und 26, 23 und 27 und 24 und 28. Die nach F i g. 1 zweite Hälfte der Bewerterschaltungen 25 bis 28 sind direkt mit dem Signaleingang 20, die erste Hälfte der Bewerterschaltungen 21 bis 24 über ein Zeitverzögerungsglied 800 mit ihm verbunden. Dieses Zeitverzögerungsglied weist eine Verzögerungszeit auf, die gleich der Zeit ist, die eine Ladungsmenge vom ersten Speicherplatz 701 bis zum letzten Speicherplatz 704 der Verschiebevorrichtung 7 benötigt Das Zeitverzögerungsglied 800 kann wieder durch ein Schieberegister, das eine ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung sein • kann, realisiert werden. Dieses Schieberegister muß dann so viele Speicherplätze wie das Schieberegister 7 aufweisen und mit den gleichen Verschiebetakten betrieben werden. Die Betriebsweise dieser Ausführungsform ist wie die nach F i g. 1. Im Unterschied dazu werden jetzt aber in jeden Speicherplatz die Ladungsmengen zweier Bewerterschaltungen eingelesen. Das notwendige Fassungsvermögen eines jeden Speicherplatzes ist wie in der F i g. 1 und den F i g. 5 und 6 symbolisch durch dessen Flächeninhalt gegeben. Auch hier läßt sich gegenüber der Ausführungsform nach ; F i g. 1 mehr als ein Drittel des Flächenbedarfs einsparen.
Allgemein ist ein Transversalfilter nach der F i g. 7 so aufgebaut, daß dem ersten und allen in Verschieberichtung auf ihn bis einschließlich einem ersten vorgebbaren Paralleleingang folgenden Paralleleingängen je eine erste Bewerterschaltung zugeordnet ist, daß einem zweiten vorgebbaren Paralleleingang aus Iet.";e-en und allen in Verschieberichtung auf ihn folgenden je eine zweite Bewerterschaltung zugeordnet ist und daß dem Signaleingang einer jeden ersten Bewerterschaltung ein Zeitverzögerungsglied vorgeschaltet ist, welches das Eingangssignal um die Zeit verzögert, die eine Ladung beim Verschieben vom zweiten vorgebbaren bis zum ersten vorgebbaren Paralleleingang benötigt. Bei ungerader Anzahl von Paralleleingängen wird entweder U2T in Verschieberichtung vorletzte Paralleleingang als der erste vorgebbare und der erste Paralleleingang als der zweite vorgebbare Paralleleingang oder der letzte Paralleleingang als der erste vorgebbare und der zweite Paralleleingang als der zweite vorgebbare Paralleleingang gewählt. Bei gerader Anzahl von Paraiieieingangen, wie dies in der F i g. 7 der Fall ist, wird der letzte Paralleleingang als der erste vorgebbare und der erste Paralleleingang als der zweite vorgebbare Paralleleingang gewählt.

Eine andere Möglichkeit, den Flächenbedarf zu verringern, besteht darin, daß man als Schieberegister eine ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung für Vier-Phasen-Betrieb wählt, die zusätzlich bei jedem, von einem Kondensatorelement mit Paralleleingang übernächsten benachbarten Kondensatorelement einen zusätzlichen Paralleleingang aufweist, bei dem jedem zusätzlichen Paralleleingang eine zusätzliche Bewerterschaltung zugeordnet ist, bei dem die Signalausgänge sämtlicher Bewerterschaltungen einerseits über ein erstes Schaltelement und andererseits über ein zweites Schaltelement und ein Verzögerungsglied mit einem gemeinsamen Signaleingang verbunden sind, wobei das Verzögerungsglied eine Verzögepjngszeit aufweist, die gleich der Zeit ist, die eine Ladungsmenge zum Durchlaufen des CCDs 8 benötigt.

In der Fig.8 ist dazu ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Verschiebevorrichtung 8 besteht danach aus aufeinanderfolgenden Vierergruppen von Kondensatorelementen, die mit 81 bis 84 bezeichnet sirv- Jede Vierergruppe bildet einen Speicherplatz. Die äußeren Elektroden eines jeden Kondensatorelementes aus jeder Vierergruppe sind nacheinander an vier Taktleitungen 91 bis 94 angeschlossen. Die Verschieberichtung besitzt wiederum an einem Ende einen Serienausgang 90. In der F i g. 8 ist die Verschieberichtung nach rechts festgelegt Als Bewerterschaltungen und zusätzliche Bewerterschaltungen sind zusammen die Bewerterschaltungen 21 bis 25 nach F i g. 1 bzw. F i g. 3 zugrunde gelegt Da nun aber eine ungerade Anzahl von Bewerterschaltungen einer stets geradzahligen Anzahl von Paralleleingängen gegenübersteht bleibt ein Paralleleingang ungenutzt Diesen kann man jedoch nutzen, wenn man eine Bewerterschaltung zweiteilt Dies geschieht zweckmäßigerweise bei einer Bewerterschaltung mit großem individuellen Bewertungsfaktor, also mit.großem Flächenbedarf. Nach F i g. 2 eignet sich dazu die Bewerterschaltung 23.

Man hat dann also eine Reihe von drei Bewerterschaltungen 21 bis 23' und drei zusätzliche Bewerterschaltungen 23" bis 25. Der Bewerterschaltungen 23' und der Bewerterschaltung 23" wird zweckmäßigerweise jeweils der individuelle Bewertungsfaktor «3« zugeordnet Die Bewerterschaltungen 21 bis 23' sind neben den Kondensatorelementen 82 und die übrigen neben den

Kondensatorelementen 84 angeordnet Der Aufbau der Bewerterschaltungen ist wie in der F i g. 2 und wie dort befindet sich zwischen der Verschiebevorrichtung und den Bewerterschaltungen eine Torelektrode, die hier mit 901 bezeichnef ist und denselben Zweck wie in der Ausfühningsform nach Fig.2 erfüllt Ebenso befindet sich die gesamte Anordnung auf einer Oberfläche eines Substrats aus dotiertem Halbleitermaterial mit Substratanschluß, das mit 100 bezeichnet ist Die Eingänge sämtlicher Bewerterschaltungtn sind über einen Feldeffekttransistor 902 als erstes Schaltelement mit einem gemeinsamen Signaleingang 200 verbunden. Zusätzlich sind sie über einen weiteren Feldeffekttransistor 903 als zweites Schaltelement und dem Zeitverzögerungsglied 904 mit dem Signaleingang 200 verbunden. Das Zeitverzögerungsglied kann wieder ein Schieberegister im vorliegenden Fall eine ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung seia Die Ausführungsform nach Fig.ί wird so betrieben, wie die nach Fig.2, d.h. es wire jedesmal eingelesen, wenn eine Ladungsmenge vr>r einem Kondensatorelement mit Paralleleingang zurr unmittelbar benachbarten Kondensatorelement mil einem Paralleleingang verschoben ist d.h. in diesen Fall von einem Paralleleingang zu einem zusätzlicher Paralleleingang oder umgekehrt verschoben ist Das Schaltelement 902 wird jeweils dann geschlossen, wenr an der Taktleitung 94 die maximale Taktspannung anliegt und das Schaltelement 903, wenn an dei Taktleitung 92 die maximale Taktspannung anliegt

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Transversalfilter mit mindestens einem analogen Schieberegister, das eine Mehrzahl von Speicherplätzen aufweist, die von einem zu filternden Signal abhängige Ladungsmengen aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Schieberegister (1, 5, 7, 8) eine Anzahl Paralleleingärige (110 bis 180) und einen Serienausgang (19, 700, 90) aufweist, daß eine Anzahl von Bewerterschaltungen (21 bis 28, 23', 23") vorgesehen ist, wobei jede Bewerterschaltung zumindest einen Signaleingang zur Eingabe des zu filternden Signals und zumindest einen Ausgang aufweist, daß jede Bewerterschaltung am Ausgang eine Ladungsmenge liefert, die bis auf einen individuellen Bewertungsfaktor gleich ist dem Differenzbetrag aus dem jeweiligen Signalwert des zu filternden Signals abzüglich hinein vorgegebenen Minimalwert, der kleiner o&er gleich dem Wert des Signalminimums ist oder bis auf einen individuellen Bewertungsfaktor gleich ist dem Differenzbetrag aus einem Maximalwert, der größer oder gleich dem Wert des Signalminimums ist, abzüglich dem jeweiligen Signalwert, daß der Ausgang einer jeden Bewerterschaltung über ein Schaltelement (60, 901) an den zugehörigen Paralleleingang des Schieberegisters angeschlossen ist und daß das Fassungsvermögen eines jeden Speicherplatzes des Schieberegisters zumindest so groß ist, daß er die vom entgegengesetzt zur Verschieberichtung benachbarten Speicherplatz gelieferte m^.imale Ladungsmenge und zusätzlich die vonOer oder den ihm zugeordneten Bewerterschaltungen ge; uferten maximalen Ladungsmengen aufnimmt.

2. Transversalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Paralleleingang (10) jeweils nur eine der Bewerterschaltungen (21) zugeordnet ist.

3. Transversalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten und allen in der Verschieberichtung auf ihn bis einschließlich eines ersten vorgebbaren Paralleleingangs folgenden Paralleleingängen erste Bewerterschaltungen (21 bis 24 in Fig.7) zugeordnet sind, daß einem zweiten vorgebbaren Paralleleingang aus letzteren und allen in Verschieberichtung auf ihn folgenden zweite Bewerterschaltungen (25 bis 28 in Fig. 7) zugeordnet sind und daß dem Signaleingang einer jeden ersten Bewerterschaltung ein Zeitverzögerungsglied (800) vorgeschaltet ist, welches das Eingangssignal um die Zeit verzögert, die eine Ladungsmenge beim Verschieben vom zweiten vörgebbaren bis zum ersten vorgebbaren Paralleleingang benötigt.

4. Transversalfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei ungerader Anzahl von Paralleleingängen entweder der in Verschieberichtung vorletzte Paralleleingang der erste vorgebbare und der erste Paralleleingang der zweite vorgebbare Paralleleingang oder der letzte Pafälieleingäng der erste vorgebbare und der zweite Paralleleingang der zweite vorgebbare Paralleleingang ist, und daß bei gerader Anzahl von Paralleleingängen der letzte Paralleleingang der erste vorgebbare und der erste Paralleleingang der zweite vorgebbare Parallelein- Ί5 gang ist.

5. Transversalfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiteres analoges Schieberegister (6) mit einer Anzahl von Paralleleingängen und einem Serienausgang vorgesehen ist, daß eine zusätzliche Anzahl einzelner weiterer Bewerterschaltungen (25 bis 28) vorgesehen ist, wobei der Ausgang einer jeden weiteren Bewerterschaltung (25 bis 28) an einen zugeordneten Paralleleingang des weiteren Schieberegisters angeschlossen ist, daß dem Signa'singang jeder Bewerterschaltung bzw. jeder weiteren Bewerterschaltung ein Zeitverzögerungsglied (500) vor- und/oder dem Serienausgang des Schieberegisters bzw. des weiteren Schieberegisters ein weiteres Zeitverzögerungsglied (601) nachgeschaltet ist, wobei diese Zeitverzögerungsglieder insgesamt eine Verzögerungszeit aufweisen, die gleich der Zeit ist, die eine Ladungsmenge im weiteren Schieberegister bzw. im Schieberegister vom ersten bis zum letzten Paralleleingang benötigt, wobei beide Schieberegister mit demselben Takt betrieben werden.

6. Transversalfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schieberegister (1,8) aus einer ladungsgekoppelten Verschiebevorrichtung besteht, bei der auf einer Oberfläche eines mit einem Substratanschluß versehenen Substrats (10, lßO) aus dotiertem Halbleitermaterial eines Leitungstyps mindestens eine Reihe von Kondensatorelementen (111 bis 152, 81 bis 84), die jeweils wenigstens aus einem Isolierschichtkondensator und/oder aus wenigstens einem Sperrschichtkondensator bestehen, vorhanden ist, und daß die Verschiebevorrichtung bei den Kondensatorelementen (111,121,131,141,151 in F i g. 2,82 und 84 in Fig.8), denen ein und derselbe Verschiebetakt zugeführt wird, jeweils einen Paralielausgang aufweist.

7. Transversalfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schieberegister (8) aus einer ladungsgekoppelten Verschiebevorrichtung (8) für Vier-Phasen-Betrieb besteht, die zusätzlich bei jedem zu einem Kondensatorelement (82) mit Paralleleingang übernächsten Kondensatorelement (84) einen zusätzlichen Paralleleingang aufweist, bei dem jedem zusätzlichen Paralleleingang eine zusätzliche Bewerterschaltung (23", 24,25) zugeordnet ist, bei dem die Signalausgänge sämtlicher Bewerterschaltungen (21, 22, 23', 23", 24 und 25) einerseits über ein erstes Schaltelement (902) und andererseits über ein zweites Schaltelement (903) und ein Verzögerungsglied (904) mit einem gemeinsamen Signaleingang (200) verbunden sind, wobei das Verzögerungsglied eine Verzögerungszeit aufweist, die gleich der Zeit ist, die eine Ladungsmenge vom ersten Kondensatorelement mit Paralleleingang bis zum letzten Kondensatorelement mit Paralleleingang benötigt.

8. Transversalfilter nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitverzögerungsglied (800) aus einem seriellen Schieberegister besteht.

9. Transversalfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das serielle Schieberegister eine ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung ist.

10. Transversalfilter nach einem der Ansprüche I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bewerterschaltung (21) ein auf der Oberfläche eines mit einem Substratanschluß versehenen Substrats (10) aus dotiertem Halbleitermaterial angeordnetes Konden-

satorpaar (211, 212) aufweist, bestehend aus einem ersten Isolierschicht- oder Sperrschichtkondensator (211), der ein an der Oberfläche des Substrats befindliches, mit einem Anschlußkontakt (41) versehenes, entgegengesetzt zum Substrat (10) dotiertes Gebiet (40) berührt und aus einem dicht neben dem ersten angeordneten zweiten Isolierschicht- oder Sperrschichtkondensator (212), wobei der zweite Isolierschicht- oder Sperrschichtkondensator eine Kapazität aufweist, die gleich dem individuellen Bewertungsfaktor ist, wobei entweder die äußere Elektrode des zweiten Isolierschicht- oder Sperrschichtkondensators (212) mit dem Signaletngang (20) und die des ersten (211) mit einem Anschluß (51) verbunden sind, wobei ferner an den letzteren eine feste Spannung, deren Wert gleich dem Minimalwert ist, gelegt ist, oder die äußere Elektrode des ersten Isolierschicht- oder Sperrschichtkondensators mit dem Signaleingang (20) und die des zweiten mit einem zweiten Anschluß (52) verbunden sind, wobei ferner an den letzteren eine zweite feste Spannung, deren Wert gleich dem Maximalwert ist, gelegt ist, und daß jeweils die Gegenelektrode des zweiten Isolierschicht- oder Sperrschichtkondensator (212) mit dem Ausgang der Bewerterschaltung (21) verbunden ist

11. Transversalfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es auf einem gemeinsamen Substrat (10, UDO) aus dotiertem Halbleitermaterial integriert ist

IZ Transversalfilter nach Anspruch 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Schaltelement (902, 903) aus je einem Feldeffekttransistor besteht.

13. Transversalfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (60,901) aus einem Ladungsübertragungselennem mit zumindest einer Torelektrode, die mit einem dritten Anschluß (53,911) verbunden ist, besteht

14. Transversalfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Schieberegister (10) einen Serieneingang (120) zur Eingabe von Grundladung aufweist

15. Verfahren zum Betrieb eines Transversalfilters nach einem der Ansprüche¹ bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Schieberegister (1) in an sich bekannter Weise betrieben werden, daß an den Eingang jeder Bewerterschaltung (22) stets das Eingangssignal direkt oder zeitverzögert angelegt wird, daß jeweils eine Bewerterschaltung (22) durch Schließen des Schaltelements (60) mindestens dann in das Schieberegister eingelesen wird, wenn eine Ladungsmenge vom unmittelbar benachbarten Speicherplatz mit Paralleleingang (110), an den mindestens eine Bewerterschaltung (21) angeschlossen ist, in den zugehörigen Speicherplatz (121) mit Paralleleingang (120) verschoben ist, und daß am Serienausgang (19) das gefilterte Signal entnommen wird.