DE2705429A1 - Festkoerper-abtastschaltung - Google Patents

Festkoerper-abtastschaltung

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DE2705429A1
DE2705429A1 DE19772705429 DE2705429A DE2705429A1 DE 2705429 A1 DE2705429 A1 DE 2705429A1 DE 19772705429 DE19772705429 DE 19772705429 DE 2705429 A DE2705429 A DE 2705429A DE 2705429 A1 DE2705429 A1 DE 2705429A1
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Germany
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effect transistor
circuit
output
fet
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DE19772705429
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Norio Koike
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/15Arrangements in which pulses are delivered at different times at several outputs, i.e. pulse distributors
    • H03K5/15013Arrangements in which pulses are delivered at different times at several outputs, i.e. pulse distributors with more than two outputs
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    • H03K5/15093Arrangements in which pulses are delivered at different times at several outputs, i.e. pulse distributors with more than two outputs with parallel driven output stages; with synchronously driven series connected output stages using devices arranged in a shift register
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06VIMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
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    • G06V10/10Image acquisition
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    • HELECTRICITY
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    • HELECTRICITY
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

  • 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.
    (n°n~ n1n)
    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
    ( It 1 n k xo )
    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

Claims (7)

  1. Festkörper-Abtastschaltung Patentansprüche 1 Festkörper-Abtastimpulsgeneratorschaltung mit mehrstufig in Kaskade geschalteten, unter Verwendung von Feldeffekttransistoren aufgebauten Einheitsschaltkreisen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß jeder Einheitsschaltkreis folgende Merkmale aufweist: einen ersten Feldeffekttransistor (mg), der einen an einem Eingangsanschluß zugeführten Eingangssignalpegel von einem ersten Taktimpuls gesteuert überträgt, einen an die Ausgangsseite des ersten Feldeffekttransistors (Q5) angeschlossenen zweiten Feldeffekttransistor (Q6), der in Abhängigkeit vom übertragenen Signalpegel arbeitet und einen gegenüber dem ersten Taktimpuls phasenverschobenen, zweiten Taktimpuls zu einem Ausgangsanschluß (14, 15, 16) überträgt, ein Bootstrap-Kondensatorelement (CB1)l das zwischen den Ausgangsanschluß (14, 15, 16) und einen Verbindungspunkt (N1) zwischen diesen beiden Feldeffekttransistoren geschaltet ist, einen an den Ausgangsanschluß (14, 15, 16) angeschlossenen dritten Feldeffekttransistor (Q7) zum Entladen einer dort auftretenden Ausgangsspannung sowie eine in Abhängigkeit vom übertragenen Signalpegel arbeitende Schaltung (Q8' Qg) die den dritten Feldeffekttransistor (Q7) periodisch schaltet und daß der erste (Q5) und der zweite (Q6) Feldeffekttransistor jeder Stufe in der Weise mit Taktimpulsgeneratoren (lo, 11) verbunden sind, daß die den Feldeffekttransistoren (Q5, Q6) zugeführten Taktimpulse verglichen mit den Taktimpulsen des ersten (05) und des zweiten (Q6) Feldeffekttransistors der vorhergehenden Stufe vertauscht sind.
  2. 2. Abtastschaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die den dritten Feldeffekttransistor (Q7) beim Entladen periodisch schaltende Schaltung (Q8' Qg) als Polaritätsinverterschaltung ausgebildet ist, die einen als Treiber dienenden vierten Feldeffekttransistor (Q8) sowie einen als Last dienenden fünften Feldeffekttransistor (Qg) aufweist und die einen am vierten Feldeffekttransistor (Q8) anliegenden Signalpegel invertiert und den invertierten Signalpegel einem Verbindungspunkt (01) zwischen dem vierten (Q8) und dem fünften (Qg) Feldeffekttransistor zuführt.
  3. 3. Abtastschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Feldeffekttransistoren (Q5 Q6' Q7' Q8' Qg) als MOS-Feldeffekttransistoren ausgebildet sind.
  4. 4. Abtastschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Entladezwecken dienende dritte Feldeffekttransistor (Q7) mit seinem Drain-Anschluß an den Ausgangsanschluß (14, 15, 161 und mit seinem Source-Anschluß an eine Masseleitung angeschlossen ist.
  5. 5. Abtastschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Entladezwecken dienende dritte Feldeffekttransistor (Q7) mit seinem Source-Anschluß an den zweiten oder den ersten Taktimpulsgenerator (1o bzw 11) angeschlossen ist.
  6. 6. Abtastschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sich die Phasen der dem ersten (Q5) und dem zweiten (Q6) Feldeffekttransistor jeder Stufe zugeführten Taktimpulse um eine halbe Periode voneinander unterscheiden.
  7. 7. Abtastschaltung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der vierte Feldeffekttransistor (Q8) mit seinem Gate-Anschluß an den Verbindungspunkt (N1) zwischen dem ersten (Q5) und dem zweiten (Q6) Feldeffekttransistor angeschlossen ist, und daß die Polaritätsinverterschaltung (Q8' Qg) den zu.diesem Verbindungspunkt (N1) übertragenen Signalpegel invertiert und so angeschlossen ist, daß das invertierte Ausgangssignal einem Gate-Anschluß des Entladezwecken dienenden dritten Feldeffekttransistors (Q7) zuführbar ist.
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