-
-
Beschreibung
-
Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Abtastimpulsgeneratorschaltung,
z.B. eine Impulsgeneratorschaltung, die zeitlich selektiv in digitaler Weise eine
Vielzahl fotoelektrischer Elemente, wie.zsB. Elemente zum Lesen optischer Zeichen,
lichtempfindliche Elemente eines Faksimilefelds usw. oder ein Festkörper-Bildaufnahmegerät
abtasten. Die Erfindung betrifft insbesondere eine aus Festkörperschaltungen unter
Verwendung von Transistoren aufgebaute Schaltung.
-
Zunächst soll anhand von Figuren eine herkömmliche Abtastschaltung
näher erläutert werden, und zwar zeigt: Fig. 1 ein Schaltbild einer herkömmlichen
Abtastschaltung; Fig. 2 eine von der Schaltung nach Fig. 1 abgegebene Folge von
Ausgangsimpulsen; und Fig. 3 ein praktisches Ausführungsbeispiel eines Felds lichtempfindlicher
Elemente, bei dem die in Fig. 1 dargestellte Schaltung verwendbar ist.
-
In herkömmlichen Abtastimpulsgeneratorschaltungen wurden bisher nach
dem Schieberegisterprinzip arbeitende Abtastschaltungen benutzt, bei denen Ausgangsimpulse
durch Verzögern von Eingangsimpulsen um einen vorbestimmten Zeitraum erzeugt wurden.
Hierbei wurden Taktimpulse mit mehr als zwei Phasen zur Auswahl einer Vielzahl fotoelektrischer
Elemente benutzt, die in ein oder zwei Dimensionen relativ zueinander angeordnet
sind. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Schaltung ist in Fig. 1 dargestellt.
Die Figur zeigt ein
Schaltdiagramm der ersten drei Stufen einer
nach dem Schieberegisterprinzip arbeitenden Abtastschaltung. Die Abtastschaltung
ist unter Verwendung von MOS-Feldeffekttransistoren, nachfolgend als MOS-Transistoren
bezeichnet, aufgebaut.
-
Die Blöcke 1 und 2 bezeichnen Taktimpulsgeneratoren und mit 3 ist
ein Eingangsimpulsgenerator bezeichnet. Die Transistoren 91 und Q2 sind hOS-Lasttransistoren
vom Sättigungstyp, deren Gate-Anschluß G mit dem Drain-Anschluß D kurzgeschlossen
ist. Mit Q3 und Q4 sind MOS-Treibertransistoren bezeichnet. Eine Schaltung, in der
der Source-Anschluß S von und der Drain-Anschluß D von Q3 oder der Source-Anschluß
von Q2 und der Drain-Anschluß von Q4 in Serie kombiniert sind, dient als Polaritätsinverterschalung.
Zur folgenden Erläuterung wird eine negative Logik unter Verwendung von p-Kanal
MOS-Transistoren als Beispiel benutzt. Bei einer derartigen Logik werden "1" und
"0" durch ein negatives hohes Potential bzw.
-
Erdpotential ausgedrückt. Eine gleichartige Erläuterung ergibt sich
jedoch bei Änderung des Vorzeichens des Potentials des n-Kanals. Die der ersten
Stufe der Polaritätsinverterschaltung vom Eingangsimpulsgenerator 3 zugeführten
Eingangsimpulse VIN erscheinen am Ausgangsanschluß 4 mit einer Verzögerung von einer
halben Taktperiode, die durch die Taktimpulse 1 und p 2 der in Fig. 2 dargestellten
Blöcke 1 und 2 bestimmt wird.
-
Hierbei handelt es sich um den ersten Ausgangsimpuls.
-
Die zweiten und dritten Ausgangsimpulse, die um ein von den Taktimpulsen
bestimmtes Zeitintervall bezogen auf den ersten Ausgangsimpuls verzögert werden,
erscheinen an den Ausgangsanschlüssen 5 bzw. 6.
-
Auf gleiche Art werden in jeder Stufe Ausgangs impulse mit einer
durch die Taktimpulse bestimmtenzeitverzögerung erhalten. Sofern an die Ausgangsanschlüsse
(siehe Fig. 3) foto-
elektrische Impulse, wie z.B. Fotodioden angeschlossen
sind, erhält man ein eindimensionales Festkörper-Bildaufnahmegerät, bei dem die
fotoelektrischen Elemente eines nach dem anderen durch eine Folge von Ausgangsimpulsen
ausgewählt werden. Mit 7 ist hierbei die oben erläuterte Abtastschaltung bezeichnet.
-
Die Zahl 8 bezeichnet einen MOS-Schalttransistor, der die fotoelektrischen
Elemente eines nach dem anderen durch eine Serie von Ausgangsimpulsen auf jeder
der Stufen der Abtastschaltung ein- bzw. abschaltet und 9 ist eine Fotodiode, die
einen Source-Übergang des MOS-Schalttransistors benutzt.
-
In diesem Beispiel wird zur Verzögerung der Eingangsimpulse eine
Einheitsschaltung aus vier MCS-Transistoren Q1 Q2' Q3 und Q4 benutzt. Ein anderes
Beispiel einer Abtastschaltung weist eine Vielzahl von aneinander angeschlossenen
Einheitsschaltkreisen auf, von denen jeder Einheitsschaltkreis aus sechs MOS-Transistoren
besteht. Hierbei ist ein Verzögerungszwecken dienender MOS-Gate-Transistor jeder
der beiden Polaritätsinverterschaltungen der obenstehend erläuterten Schaltung hinzugefügt.
-
Da in der obenstehend erläuterten Abtastschaltung vom Schieberegistertyp
MOS-Transistoren benutzt werden, können alle Schaltkreiselemente durch MOS-Transistoren
gebildet sein, so daß sich der Herstellungsprozeß vereinfacht und integrierte Halbleiterschalttechniken
benutzt werden können. Es kann die Integrationsdichte erhöht und die Produktionsausbeute
verbessert werden. Die Methode eignet sich also zum Aufbau von Abtastschaltungen
mit Mehrfachausgängen.
-
Abtastschaltungen vom Schieberegistertyp, die unter Verwendung der
obenstehend erläuterten Polaritätsinverterschaltungen aufgebaut sind, verbrauchen
jedoch zu viel elektrische Leistung und haben die nachstehend erläuterten Rückwirkungen
auf
die Betriebsweise von Bildaufnahmegeräten.
-
Seit neuestem werden Abtastschaltungen in das gleiche Substrat integriert,
in das auch die fotoelektrischen Elemente integriert sind, da auf diese Weise komplizierte
Schaltverbindungen zwischen der Abtastschaltung und den fotoelektrischen Elementen
vermieden werden (siehe Fig. 3). Der Verbrauch elektrischer Leistung in der Abtastschaltung
führt zu schwerwiegenden Problemen, da sich hierdurch die Temperatur des Substrats
erhöht und somit auch der Leckstrom der in das Substrat der Abtastschaltung integrierten
fotoelektrischen Elemente erhöht. Bei Feldern von lichtempfindlichen Elementen,
in denen die fotoelektrischen Elemente angeordnet sind, wird der obenstehend erwähnte
Leckstrom auch Dunkelstrom genannt.
-
Als Dunkelstrom wird der Strom bezeichnet, der in den fotoelektrischen
Elementen durch die bei thermischer Erregung erzeugten Elektronen oder Löcher bestimmt
wird. Der Dunkelstrom erhöht das Verhältnis von Lichtsignalstrom/Dunkelstrom, so
daß die Unterdrückung des Dunkelstroms von großer Bedeutflng ist.
-
Da bei den obenstehend erläuterten Einheitsschaltkreisen der Abtastschaltung
der MOS-Treibertransistor der Ausgangspolaritätsinverterschaltung, d.h. der in Fig.
1 durch Q2 und Q4 gebildeten Schaltung mit Ausnahme der Periode in der zur Abtastung
Ausgangsimpulse abgegeben werden, stets leitet, fließt ein durch den Kanalleitwert
der MOS-Lasttransistoren bestimmter Strom stetig hindurch. Andererseits sind die
Eingangspolaritätsinverterschaltungen, d.h. die aus Q1 und Q3 bestehenden Schaltungen,
lediglich in den Perioden leitend, während denen Ausgangsimpulse abgegeben werden.
Diese Periode ist, verglichen mit der Wiederholungsperiode der Eingangsimpulse sehr
kurz; sie ist gleich 1/N der Leitungsperiode der Ausgangspolaritätsinverterschaltung
in einer N-stufigen Abtastschaltung.
-
Dies bedeutet, daß der MOS-Treibertransistor der Eingangspolaritätsinverterschaltung
beinahe immer nicht leitet und der MOS-Treibertransistor der Ausgangspolaritätsinverterschaltung
beinahe immer leitet. Demgemäß wird beinahe die gesamte elektrische Leistung in
der Ausgangspolaritätsinverterschaltung verbraucht. Wird der Strom durch den MOS-Lasttransistor
mit Ig und die in einer N-stufigen Schaltung verbrauchte elektrische Leistung mit
Pd bezeichnet, so gilt folgende Gleichung: Pd = N . 1£ Vp R (1) In Gleichung (1)
ist V die n 1 "l-Pegelspannung des Taktimpulses und R bezeichnet das Tastverhältnis
des Taktimpulses, d.h.
-
das Verhältnis der Periode, während der der Taktimpuls auf dem "1"-Pegel
ist zur Wiederholungsperiode.
-
Als Beispiel soll ein zweidimensionales Bildaufnahmegerät aus 500
x 5oo fotoelektrischen Elementen betrachtet werden, das mit gleicher Bildqualität
wie derzeitige Fernsehsender liefert. Es benötigt jeweils eine Soo-stufige Abtastschaltung
für die Horizontal-Richtung und die Vertikal-Richtung. Ein eindimensionales Feld
für Faksimilezwecke erfordert eine Abtastschaltung aus 1200 fotoelektrischen Elementen,
d.h., es muß 12oo Stufen haben, um ein 20 cm breites Blatt mit einer Bildqualität
von 6 Zeilen pro Millimeter abtasten zu können. Für eine looo-stufige Abtastschaltung
soll nun der Verbrauch elektrischer Leistung nach Gleichung (1) berechnet werden.
Die verbrauchte elektrische Leistung beträgt für eine herkömmlich aufgebaute Schaltung
2,25 Watt, da Iß - 300 /uA, V " -15 und R = o,5 ist. Durchgeführte Messungen haben
gezeigt, daß der Temperaturanstieg des Substrats aufgrund des Verbrauchs elektrischer
Leistung
proportional zum Leistungsverbrauch ist und 25 0C/W ist, obwohl der Temperaturkoeffizient
vom Bauteil abhängig ist, auf dem das Feld der lichtempfindlichen Elemente angebracht
ist. Im obenstehend erläuterten Beispiel steigt die Temperatur deshalb um etwa SoOC
an und der Dunkel strom ist um zwei Größenordnungen höher als bei Zimmertemperatur.
-
Das Verhältnis des Lichtsignalstroms zum Rauschstrom wird deshalb
extrem klein und der Bereich erfaßbarer Lichtintensi-.
-
tät verkleinert sich um zwei Größenordnungen, da die Erfassung von
Licht mit niedriger Intensität sehr viel schwerer wird. Es ist aus diesen Gründen
sehr wichtig, daß der Verbrauch elektrischer Leistung der Abtastschaltung verringert
wird und zwar nicht nur um die Batterien für das Feld lichtempfindlicher Elemente
weniger zu erschöpfen, so daß dieses auch mit tragbaren Batterien betrieben werden
kann, sondern um die Eigenschaften des Felds lichtempfindlicher Elemente zu verbessern
und auf diese Weise deren Anwendungsbereich zu vergrößern.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, den Verbrauch elektrischer Leistung
in der Abtastschaltung zu verringern.
-
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Mit anderen Worten zusammengefaßt werden gemäß der Erfindung Schaltungen
benutzt, die keine direkten Stromwege haben, wie sie in herkömmlichen Polaritätsinverterschaltungen
exisiteren. Der Verbrauch elektrischer Leistung kann auf einige Hundertstel verringert
werden. Die erfindungsgemäße Schaltung hat darüberhinaus'den Vorteil hoher Abtastgeschwindigkeit.
Ihr Schaltungsmuster belegt nur eine geringe Fläcne und ihre Produktionsausbeute
ist hoch. Die praktisch erzielbaren Vorteile sind dementsprechend groß, wenn sie
als Abtastschaltung für Bildaufnahmegeräte verwendet wird.
-
Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von
Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt: Fig. 4 ein Schaltbild eines
Einheitsschaltkreises einer erfindungsgemäßen Abtastschaltung; Fig. 5 ein Schaltbild
einer erfindungsgemäßen Abtastschaltung; Fig. 6 Zeitdiagramme zur Erläuterung der
Betriebsweise der Abtastschaltung nach Fig. 5; Fig. 7 Diagramme mit von der Abtastschaltung
nach Fig. 5 abgegebenen Ausgangsimpuls folgen; Fig. 8 ein anderes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Abtastschaltung; und Fig. 9 Zeitdiagramme mit den von der
Abtastschaltung nach Fig. 8 abgegebenen Ausgangsimpulsen.
-
Fig. 4 zeigt einen Einheitsschaltkreis der erfindungsgemäßen Abtastschaltung.
In der Figur bezeichnet einen Feldeffekttransistor vom MOS-Typ, der mit dem Pegel
"1" oder "0" an einem Anschluß T1 zugeführte Eingangsimpulse gesteuert von einem
an einem Anschluß T2 zugeführten Taktimpuls weiterleitet. Diese Art von Transistoren
sollen im folgenden kurz als MOS-Transistoren bezeichnet werden. Q6 bezeichnet einen
MOS-Ladetransistor, der an die Ausgangsseite des MOS-Ubertragungstransistors Qg
angeschlossen ist und der einen an einem Anschluß T3 zugeführten weiteren Taktimpuls
steuert. Der MOS-Ladetransistor Q6 liefert somit an einen ausgangsseitigen Anschluß
T4 Abtast-Ausgangsimpulse.
Q7 bezeichnet einen MOS-Entladetransistor, der zwischen die Ausgangsseite des MOS-Ladetransistors
06 und eine Masseleitung
geschaltet ist und der die in einer Ausgangsschaltung
gespeicherten Ladungen
entlädt.
-
Zwischen einem normalerweise auf einen "1"-Pegel gehaltenen Anschluß
T5 und der Masseleitung ist darüberhinaus ein MOS-Treibertransistor Q8 und ein MOS-Lasttransistor
Qg in Kaskade geschaltet. Das Gate des MOS-Entladetransistors Q7 ist an den Verbindungspuflkt
(Knoten ql) zwischen den beiden MOS-Transistoren Q8 und Qg angeschlossen. Der Verbindungspunkt
(Knoten N1) zwischen dem MOS-Ubertragungstransistor Q5 und dem MOS-Ladetransistor
Q6 ist an das Gate des MOS-Treibertransistors Q8 angeschlossen. CB bezeichnet einen
Bootstrap-Kondensator, der zwischen Source und Gate des MOS-Ladetransistors Q6 geschaltet
ist, während CN und CO unvermeidbare parasitäre Kapazitäten der Schaltung bezeichnen.
Im vorliegenden Fall bildet die Gate-Kapazität des MOS-Ladetransistors Q6 den Hauptbestandteil
der parasitären Kapazität CN , während die parasitären Kapazitäten der Ausgangsschaltung
desselben Transistors die Hauptkomponenten der parasitären Kapazität CO bilden.
Für den Idealfall sollen diese parasitären Kapazitäten vermieden werden. Da die
parasitären Kapazitäten jedoch unvermeidbar existieren, sollen sie bei den folgenden
Erläuterungen der Betriebsweise der Schaltung mit berücksichtigt werden.
-
Wenn die parasitäre Kapazität cN klein ist, kann die Kapazität des
Bootstrap-Kondensators CB in diesem Ausmaß klein gehalten werden. Wenn die parasitäre
Kapazität CO verkleinert wird, erhöht sich die Betriebsgeschwindigkeit der Schaltung.
-
Fig. 5 zeigt eine Vielzahl der in Fig. 4 dargestellten Einheitsschaltkreise,
die mehrstufig miteinander verbunden sind und eine erfindungsgemäße Abtastschaltung
bilden.
-
Bestandteile der Zeichnung, die die gleiche Funktion haben, sollen
im folgenden durch die gleichen Symbole bezeich-
net werden. Beispielsweise
soll der MOS-Ubertragungstransistor wiederum durch das Symbol Q5 bezeichnet sein.
Soweit erforderlich, soll die Nummer der Stufe, in der das Teil benutzt wird, durch
einen zweiten Index des Symbols bezeichnet werden. Beispielsweise bezeichnet Q73
den MOS-Entladetransistor des Einheitsschaltkreises der dritten Stufe.
-
Der besseren Ubersicht wegen sind in den Schaltungen der Fig. 5 und
8 die parasitären Kapazitäten CN und CO weggelassen.
-
In Fig. 5 bezeichnen die Zahlen lo und 11 Taktimpulsgeneratoren,
die Taktimpulse t und 2 mit zwei voneinander verschiedenen Phasen erzeugen. Im Fall
des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die Taktimpulse gegenphasig. Die Taktimpulse
1 und 2 werden über wechselweise angeschlossene Leitungen den Gate-Elektroden der
MOS-Ubertragungstransistoren Q51e Qs2 Q53 ... der Einheitsschaltkreise der jeweiligen
Stufen zugeführt. Die Taktimpulse 2 und 1 werden darüberhinaus über wechselweise
angeschlossene Leitungen den Drain-Elektroden der MOS-Ladetransistoren Q61' Q62'
Q63 . zugeführt.
-
Mit 12 ist ein Eingangsimpulsgenerator bezeichnet, der an die Drain-Elektrode
des MOS-Ubertragungstransistors Q51 der ersten Stufe angeschlossen ist. Die Ausgangsschaltungen
der einzelnen Stufen sind der Reihe nach an die Eingangsanschlüsse der MOS-Ubertragungstransistoren
052' Q53 ... der aufeinanderfolgenden Stufen angeschlossen.
-
Die Zahl 13 bezeichnet eine Energiequelle, die normalerweise auf
dem "1"-Pegel gehalten ist. Die Drain-Elektroden und Gate-Elektroden der MOS-Lasttransistoren
Q91' Q92' Q93 der einzelnen Stufen sind gemeinsam an die Energiequelle 13 angeschlossen.
-
Anhand der in Fig. 6 dargestellten Zeitdiagramme soll im folgenden
die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 5 erläutert werden. Der Einfachheit halber
zeigen die Zeitdiagramme lediglich den Betrieb der ersten Stufe.
-
Wenn dem MOS-Ubertragungstransistor Q51 zum Zeitpunkt t0 ein mit
dem Taktimpuls 1 des Taktimpulsgenerators lo synchronisierter Eingangsimpuls VIN
("1") zugeführt wird, so wird, da Q51 bei #1 ("1") leitet, der Pegel "1" des Eingangsimpulses
zum Knoten N11 übertragen, der sich aufgrund des Betriebs vor dem Zeitpunkt t0 auf
dem Pegel "O" befindet. Auf diese Weise wird VN in dem Kondensator CN1 gespeichert.
Zum Zeitpunkt t2, zu dem ein zweiter Taktimpuls #1 ("1") dem MOS-Ubertragungstransistor
Q51 zugeführt wird, wird der Pegel "O" des Eingangsimpulses zum Knoten N11 übertragen,
der daraufhin zum Pegel "O" zurückkehrt. Zum Zeitpunkt t11 zu dem der Taktimpuls
2 ("1") dem MOS-Ladetransistor Q61 zugeführt wird, leitet der Transistor Q61' da
der Knoten N11 sich bereits auf dem Pegel "1" befindet. Die auf dem Pegel "0" gehaltene
Ausgangskapazität C01 wird nach t1 auf den Pegel "1" geladen.
-
Gleichzeitig wird die Spannungszunahme auf den Pegel 1 am Ausgangsanschluß
14 über den Kondensator CB1 zum Knoten N11 übertragen, womit sich die Spannung des
Pegels "1" am Knoten N11 weiter erhöht. Wird der Spannungsschritt am Knoten N11
mit #VB bezeichnet, so wird tVB vom Kondensator CBi und der parasitären Kapazität
CNi bestimmt und kann durch folgende Formel wiedergegeben werden: #VB = CB1 . VO
(2) CB1 + CN1 hierbei ist V0 die Spannung des Pegels "1" am Ausgangsanschluß.
-
Da der MOS-Ladetransistor Q61 aufgrund dieses Spannungsschritts #VB
im Triodenbereich arbeitet, kann die Spannung des Pegels
"1" (V#)
des Taktimpulses am Ausgangsanschluß 14 erscheinen, d.h. es gilt V0 = V. Da die
Spannung des Pegels "1" am Knoten N11 andererseits auch zum MOS-Ladetransistor Q81
der die Polaritätsinverterschaltung bildet, übertragen wird, erscheint zum Zeitpunkt
t2 ein Ausgangssignal P1 des Pegels "1" mit invertierter Polarität an dessen Ausgangsanschluß
O11. Dieser Ausgangsimpuls P1 befindet sich vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t2
auf dem Pegel 0'. und nach dem Zeitpunkt t2 entsprechend dem Spannungspegel am Knoten
N11 stets auf dem Pegel "1". Er schaltet den MOS-Entladetransistor Q71 nach dem
Zeitpunkt t2 ständig in den leitenden Zustand. Der Spannungspegel am Ausgangsanschluß
14 kehrt aufgrund des leitenden MOS-Ladetransistors Q71 zum Zeitpunkt t2 auf NON
zurück. Daraus ergibt sich, daß letztlich ein Ausgangsimpuls S1 gebildet wird.
-
Der Ausgangsimpuls S1 ist durch den Eingangsimpuls VIN (1") um T/2
verzögert, wobei T#/2 durch die Periode der Taktimpulse bestimmt ist. Der Ausgangsimpuls
S1 hat die gleiche Polarität und Impulsbreite wie VIN ("1") sowie den Spannungspegel
*1" des Taktimpulses; der Ausgangsimpuls S1 tritt am Aüsgangsanschluß 14 der ersten
Stufe auf und bildet gleichzeitig den Eingangsimpuls des MOS-übertragungstransistors
452 des Einheitsschaltkreises der zweiten Stufe. Da der MOS-Ubertragungstransistor
Q52 des Einheitsschaltkreises der zweiten Stufe entsprechend dem Taktimpuls 2 leitet
bzw. nicht leitet, ergibt sich die gleiche Phasenbeziehung zwischen dem Eingangsimpuls
und dem Taktimpuls, wie sie vorstehend für die erste Stufe erläutert wurde. In gleicher
Weise wie vorstehend erläutert wird ein Ausgangsimpuls S2 erzeugt, der einem um
T/2 verzögerten Eingangsimpuls S1 entspricht und mit gleicher Impulsbreite und dem
Spannungspegel "1" an einem Ausgangsanschluß 15 erscheint.
-
Um in dem Einheitsschaltkreis der zweiten Stufe nach Erzeugung des
Ausgangs impulses 2 den Ausgangsanschluß 15
wieder auf "0" bringen
zu können, wird der Knoten 0 auf den Pegel "1" gebracht, womit der MOS-Ladetransistor
Q72 leitend wird. Da der Knoten N12 infolge des Ausgangsimpulses S1 und des Taktimpulses
2 ("1") zum Zeitpunkt t1 auf den Pegel 1 angestiegen ist, müssen die dementsprechend
gespeicherten Ladungen abgeführt bzw. entladen werden, um den Knoten N12 auf "O"
zurückzuführen. Diese im einzelnen nicht näher dargestellte Betriebsweise erfolgt
über den MOS-Ubertragungstransistor Q52' t der zu leiten beginnt, wenn der Taktimpuls
2 (1) zum Zeitpunkt t3 erneut auftritt und der MOS-Entladetransistor Q71 des Einheitsschaltkreises
der ersten Stufe nach dem Zeitpunkt t2 bereits wieder zu leiten begonnen hat.
-
Der Schaltungszusammenhang zwischen dem MOS-Ubertragungstransistor
Q53 wie auch dem MOS-Ladetransistor Q63 und dem Takt impuls des Einheitsschaltkreises
der dritten Stufe kehrt zum gleichen Zustand wie in der ersten Stufe zurück. Das
heißt es erscheint an einem Ausgangsanschluß 16 ein Ausgangsimpuls S3, der einem
um T/2 verzögerten Eingangsimpuls S2 entspricht und der die gleiche Impulsbreite
und den Spannungspegel "1" hat. Auf diese Weise erscheinen an den Ausgangsanschlüssen
aufeinanderfolgender Stufen nacheinander Ausgangsimpulse S4, S5 ... . Das Zeitdiagramm
der Fig. 7 zeigt Folgen der obenstehend erwähnten Ausgangsimpulse S1, S2, S3, und
damit die an jedem Ausgangsanschluß der Abtastschaltung nach Fig. 5 erzeugten Abtast-Ausgangsimpulse.
-
Wie die vorstehenden Erläuterungen zeigen, gibt es keine Periode,
während der sowohl der MOS-Ladetransistor Q6 als auch der MOS-Entladetransistor
Q7 leitend sind, womit durch die erfindungsgemäße Abtastschaltung lediglich der
Ladestrom 1d fließt und zwar dann, wenn die Abtast-Ausgangsimpulse über Q6 abgenommen
werden. Dementsprechend kann, wenn die Anzahl der Stufen der Abtastschaltung, d.h.
die Zahl der Einheitsschaltkreise mit N bezeichnet wird, die in der Schaltung
verbrauchte
elektrische Leistung Pd durch folgende Formel ausgedrückt werden: Pd = Id . V# .
N . N . 1/N (3) 1/N im rechten Term der Formel (3) gibt das Verhältnis der Periode,
in der aus jeder Stufe Ausgangsimpulse abgenommen werden, zur gesamten Wirkungszeit,
d.h. zur Wiederholungszeit der Eingangsimpulse, wieder. Die Formel (3) zeigt, daß
die verbrauchte elektrische Leistung dieser Abtastschaltung unabhängig von der Zahl
der Stufen ist; sie kann durch folgende Gleichung beschrieben werden: Pd = Id .
V# (4) Werden dem Entwurf der vorliegenden Schaltung die selben Sahaltkreiskonstanten
wie bei herkömmlichen entsprechenden Schaltungen zugrundegelegt, so ergibt sich
ein elektrischer Leistungsverbrauch von 4,5 mW, da Id = 3°° /uA und V = -15 V ist.
Dieser Verbrauch entspricht lediglich einigen Hundertstel des Verbrauchs herkömmlicher
vergleichbarer Schaltungen.
-
Obwohl ein Einheitsschaltkreis eins erfindungsgemäßen Abtastschaltung
5 MOS-Transistoren, d.h. Q5, Q6, Q7, Q8, Q9 sowie einen Bootstrap-Kondensator CB
enthält, ist die für das Schaltungsmuster benötigte Anordnungsfläche etwas kleiner
als die für herkömmliche Schaltungen mit Polaritätsinverterschaltungen benötigte
Fläche. Da der Leitwert des MOS-Treibertransistors etwa 15 bis 20mal größer als
der Leitwert des MOS-Lasttransistors der Polaritätsinverterschaltung ist, belegt
der MOS-Treibertransistor bei hohem Leitwert eine große Fläche, womit dementsprechend
auch die Polaritätsinverter-
schaltung eine große Fläche beansprucht.
Die Transistoren Q5' Q6 und Q7 können im Rahmen der erfindungsgemäßen Abtastschaltung
jeden Leitwert haben. Da ihr Leitwert in der gleichen Größenordnung wie derjenige
des MOS-Lasttransistors liegen kann, läßt sich die von einer aus Q5, QÓ und Q7 bestehenden
Schaltung belegte Fläche auf etwa die Hälfte der für eine Polaritätsinverterschaltung
benötigte Fläche reduzieren. Da es, wie vorstehend erläutert wurde, ausreicht, wenn
der Bootstrap-Kondensator eine Kapazität hat, die genauso groß ist wie parasitäre
Kapazitäten, erfordert er auch keine große Fläche. Obwohl die Anzahl der einen Einheitsschaltkreis
der erfindungsgemäßen Abtastschaltung bildenden MOS-Transistoren um 1 größer ist
als bei der in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Schaltung, belegt ein Einheitsschaltkreis
der erfindungsgemäßen Abtastschaltung insgesamt eine Fläche, die um etwa 20 bis
30 % kleiner als bei herkömmlichen Schaltungen ist, womit auch die Produktionsausbeute
gegenüber herkömmlichen Schaltungen erhöht werden kann. Da der Leitwert von Q6 mittels
des Bootstrap-Kondensators konstant gehalten werden kann, kann weiterhin die Schaltgeschwindigkeit
der Ausgangsimpulse auf das Zwei- bis Dreifache der Schaltgeschwindigkeit von Ausgangsimpulsen
erhöht werden, die von einer herkömmlichen Polaritätsinverterschaltung erzeugt werden.
Mit anderen Worten, die Abtastgeschwindigkeit kann also ebenfalls erhöht werden.
-
Wie im einzelnen anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wurde,
besteht eine Abtastschaltung gemäß dieser Erfindung aus einer Vielzahl der Reihe
nach aneinander angeschlossener Einheitsschaltkreise, von denen jeder Einheitsschaltkreis
eine Ausgangsschaltung zur Erzeugung von Ausgangsimpulsen ohne direkten Stromweg
aufweist. Jede Ausgangsschaltung enthält einen MOS-Ubertragungstransistor, der für
eine Verzögerungsschaltung von Bedeutung ist sowie einen mit einem Bootstrap-Kondensator
versehenen MOS-Ladetransistor und einen MOS-Entladetransistor, der mittels einer
Polaritäts-
inverterschaltung in den leitenden oder den nicht leitenden
Zustand überführt wird, wobei die Polaritätsinverterschaltung den Spannungspegel
am Ausgangsanschluß wieder auf den Pegel "09 rückführt, wenn die Abgabe eines Ausgangsimpulses
beendet ist. Mittels der Abtastschaltung kann der Verbrauch an elektrischer Leistung
auf den Bruchteil mehrerer Hundertstel verringert werden, womit ein Problem gelöst
wurde, was insbesondere für herkömmliche Pstkörper-Bildaufnahmegeräee von Bedeutung
ist. Darüberhinaus hat die erfindungsgemäße Schaltung zusätzliche Vorteile. So ist
die Abtastgeschwindigkeit hoch, das Schaltungsmuster belegt lediglich eine kleine
Fläche und die Produktionsausbeute ist hoch. Bei Verwendung der Abtastschaltung
in einem Bildaufnanmegerät ergeben sich demgemäß sehr große praktisceVorteile.
-
In der vorstehend erläuterten Ausführungsform betrug das Tastverhältnis
des Taktimpulses So %. Sofern das Tastverhältnis des Taktimpulses kleiner als 50
%, beispielsweise 25 % wie bei den in Computern benutzten Schieberegistern ist,
kann die Konstruktion der Schaltung wie in Fig. 8 dargestellt, weiter vereinfacht
werden, da die Periode, während der sich der Taktimpuls auf dem Pegel "0" befindet,
zur Entladung ausgenutzt werden kann. Die Source-Elektrode des MOS-Entladetransistors
kann hierzu an den ersten oder den zweiten Taktimpulsgenerator angeschlossen werden.
Da die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 8 vollständig derjenigen nach Fig.
6 entspricht, erübrigen sich ins Einzelne gehende Erläuterungen und es soll lediglich
das in Fig. 9 dargestellte Zeitdiagramm der Ausgangsimpulse betrachtet werden.
-
In Fig. 9 wird, wie vorstehend erläutert, unter Ausnutzung des "O"-Pegels
des Taktimpulses als Entladeperiode eine mit Td bezeichnete Periode benutzt, d.h.
eine Periode vom Ende des "l"-Ausgangspegels aes ersten Taktimpulses zur Auslösung
des "1"-Ausgangspegels des zweiten Taktimpulsgene-
rators, oder
eine Periode vom Ende des "1"-Ausgangspegels des zweiten Taktimpulses zur Auslösung
des "l"-Ausgangspegels des ersten Taktimpulsgenerators. Die Impulsbreite der mit
der vorliegenden Schaltung erzeugten Ausgangsimpulse ist dementsprechend identisch
mit der Impulsbreite der Taktimpulse.
-
Wie sich aus dem Zeitdiagramm der Fig. 9 jedoch ohne weiteres ergibt,
stellt dies kein Hindernis für die Abtastfunktion dar.
-
Obwohl vorstehend MOS-Feldeffekttransistoren erläutert wurden können
im Rahmen der Erfindung auch Feldeffekttransistoren vom Übergangstyp benutzt werden.
-
L e e r s e i t e