DE2706790C3 - Verfahren zum Eingeben eines elektrischen Eingangssignals in ein Ladungsverschieberegister und Ladungsverschieberegister zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zum Eingeben eines elektrischen Eingangssignals in ein Ladungsverschieberegister.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Ladungsverschieberegister zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ladungsverschiebeanordnungen der hier in Frage kommenden Art sind ladungsgekoppelte Anordnungen (eng!.: »charge coupled devices« oder »CCDs«), Sie sind beispielsweise aus einem Aufsatz von M.F. Tompsett, »Charge transfer devices«, bekannt der in der Zeitschrift »Journal of Vacuum and Science Technology«, Juli/August 1972, Band 9, Nr. 4, S. 1166 bis 1181, erschienen ist

Es ist bekannt in diese Ladungsverschiebeanordnun-

gen die Informationen, die sie speichern sollen, entweder durch eine optische Paralleleingabe an allen Zellen der Anordnung einzugeben, die dann als Bildabtaster dient oder durch eine elektrische Eingabe an einem Ende der Anordnung, die dann als Ladungsverschieberegister bezeichnet wird. Die elektrischen Informationen werden seriell einem Ende des Registers zugeführt und längs dieses Registers verschoben, in welchem sie gespeichert werden. Diese Informationen können digitale oder analoge Informationensein.

Ein großes Problem, das sich durch die bekannten Verfahren ergibt, besteht in der linearen Eingabe von elektrischen Informationen in das Register. Es handelt sich dabei um ein Problem, das besonders groß ist wenn es sich um analoge Informationen handelt

Ein herkömmliches Verfahren zum Eingeben von Informationen in de» Eingang eines Ladungsverschieberegisters besteht darin, diesen Eingang mit einer Diode zu versehen, die zum Eingeben der Minoritätsträger in das Register dient wobei die Menge an eingegebenen Minoritätsträgern durch eine Steuerelektrode beeinflußt wird, die zwischen der Diode und der ersten Zelle des Registers angeordnet ist Die Steuerelektrode, an die ein elektrisches Signal angelegt wird, dessen Amplitude zu der einzugebenden Information proportional ist moduliert im Takt der Änderung dieser Information den Strom von in das Register eingegebenen Minoritätsträgern.
Dieses Verfahren ist zwar einfaö durchführbar, es hat aber den Nachteil, daß die Umwandlung des an die Steuerelektrode angelegten Eingangssignals in einen die Information kennzeichnenden Strom von Minoritätsträgern nicht linear, sondern quadratisch ist Es ist somit nicht möglich, bei Anwendung dieses Verfahrens die maximale Dynamik des Registers zu erreichen, ohne gleichzeitig eine nichtvernachlässigbare Verzerrung hervorzurufen. Eine solche Verzerrung würde sich nämlich nicht mit der Verwendung der Register zum Speichern von analogen Informationen vertragen.

Es sind bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, um diesen Nachteil zu beseitigen und um eine lineare Eingabe der Informationen in das Register zu ermöglichen. Sie komplizieren aber die Herstellung und den Betrieb der Ladungsverschiebeanordnungen beträchtlich, denn sie verlangen, daß den Anordnungen Elemente hinzugefügt werden, wie beispielsweise eine zusätzliche Steuerelektrode am Eingang oder HilfsMOS-Transistoren, um den Linearitätsfehler zu korrigieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Eingeben eines elektrischen Eingangssignals in ein Ladungsverschieberegister sowie ein Ladungsverschieberegister zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, welche eine lineare Eingabe und damit eine

^M verzerrungsfreie Verarbeitung von analogen Signalen ermöglichen, ohne deswegen das betreffende Register zu komplizieren.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des

Anspruchs 1 bzw. im Kennzeichen des Anspruchs 5 angegebenen Merkmale gelöst

Die Ladungsmenge, die auf diese Weise in das Ladungsverschieberegister bei jedem Impuls, d.h. in jedem Zeitpunkt der Abtastung des einzugebenden Eingangssignals eingegeben wird, ist zu der Amplitude dieses Eingangssignals proportional, solange man in dem Bereich guter Betriebsbedingungen des Ladungsverschieberegisters bleibt Die Qualität der Linearität der Ladungseingabe gestattet, Verzerrungen der analogen Signale zu vermeiden, und zwar innerhalb der maximalen Dynamik des Ladungsverschieberegisters. Sie wird erzielt, ohne das Register zu komplizieren, denn dessen Eingang bleibt gegenüber solchen, die den Fehler der Nichtlinearität aufweisen, strukturell unverändert Durch das Verfahren nach der Erfindung wird nämlich nicht ein Fehler durch Hinzufügen von Korrekturhilfsmitteln korrigiert sondern es wird verhindert, daß er auftritt indem immer unter Bedingungen gearbeitet wird, unter denen er nicht auftreten kann.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Ladungsverschieberegisters, an dessen elektrischem Eingang des Verfahren nach der Erfindung angewandt wird,

F i g. 2 ein Ersatzschaltbild des elektrischen Eingangs des Registers von F i g. 1,

Fig.3 Kurven, weiche den Verlauf des Eingangsstroms in Abhängigkeit von angelegten Signalen angeben,

Fig.4 Kurven, welche die verschiedenen Steuersignale zeigen (Verschiebungssteuersignale und Eingangssignal), die an einem Register nach der Erfindung anliegen,

F i g. 5 ein Funktionsschaltbild einer Schaltung, die die Spannungs-Zeit-Umwandlung ermöglicht, weiche für die Register .;ach der Erfindung erforderlich ist und

F i g. 6 Kurven, welche den Verlauf der Signale in den verschiedenen Punkten der Schaltung von Fig.5 angeben.

F i g. 1 zeigt schematisch eine Schnittansicht eines Ladungsverschieberegisters in einer Ausführungsform mit zwei Phasen Φι und Φϊ. Die Betriebsweise eines solchen Registers ist bekannt und zwar sowohl hinsichtlich seiner Verschiebefunktion als auch hinsichtlich seiner Speicherfunktion, und wird deshalb hier nicht beschrieben. Es sei abe>' angemerkt, daß sich die Beschreibung zwar auf ein Zwei-Phasen-Register bezieht, in welchem die Asymmetrie der Verschiebung durch unterschiedliche Oxiddicken erzielt wird, daß jedoch ebensogut andere Arten von mit Ladungskopplung arbeitenden Schieberegistern verwendbar sind, zum Beispiel andere Arten von 2-Phasen-Registern oder von 3-Phasen-Registern.

Das Halbleitersubstrat 1, das beispielsweise N-leitend ist, ist von einer Oxidschicht 2 bedeckt auf der Speicherungs- Und Verschiebungssteuerelektroden 3, 4 und S angeordnet sind. Die Steuerung erfolgt durch die beiden komplementären Phasen Φ\ und Φ2. die die Elektrodenpaare adressieren, wie beispielsweise das Elektrodenpaar 4, 5, von welchem die Elektrode 4 auf einer dünnen Oxidschicht ruht, während die Elektrode 5 auf einer dicken Oxidschicht ruht. Die Verschiebung erfolgt so einseitig in der Richtung des Pfeils F.

Das das Substrat 1 hier ein N-Ieitendes Substrat ist.

sind die gespeicherten und verschobenen Ladungen Q positive Ladungen, d.h. Minoritätsträger bei diesem Typ von Substrat
Die Anordnung zum Eingeben dieser Ladungen in das Register enthält in an sich bekannter Weise eine Eingangsdiode De, die aus einer P+-Ieitenden Zone 6 besteht die in das N-Ieitende Substrat diffundiert ist und positive Ladungen zu der ersten Elektrode 3 schickt Eine Steuerelektrode G_c empfängt eine Steuerspannung, durch die die Stärke des Stroms von unter die Elektrode 3 geleiteten Ladungen Q eingestellt wird. Die so eingegebenen Ladungen Q werden in den Inversionsschichten gespeichert die die Potentiale (die hier gegenüber Masse negativ sind), welche durch die Phasen Φι und Φ2 an die Elektroden angelegt werden, an den Halbleiter-Oxid-Grenzflächen erzeugen, die unter diesen Elektroden liegen. Diese Iriversionsschichten werden in herkömmlicher Weise erzeugt indem eine Verarmung an Majoritätsträgern in Raumladungszonen hervorgerufen wird, deren Grenze di- ιΛι die gestrichelte Linie 8 dargestellt ist Die Ladungen Q, die unter die erste Elektrode 3 geleitet werden, wenn das an die Phase Φ\ angelegte Potential dort eine Potentialmulde in bezug auf die benachbarten Zonen erzeugt werden dann entlang der Zellen des Registers mit der Taktfrequenz der Potentiale der Phasen Φι und Φ2 verschoben.

Wie bereits erwähnt ist die hier beschriebene Eingangsstruktur, die aus der Diode D_e und der Steuerelektrode G_e besteht, bekannt und wird zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens benutzt

Fig.2 zeigt, wie diese Eingangsstruktur als das Äquivalent eines MOS-Transistors betrachtet werden kann, dessen Sourceelektrode die Diode D_a dessen Gateelektrode die Steuerelektrode G_c und dessen Drainelektrode die Halbleiter-Oxid-Grenzfläche /unter der ersten Elektrode 3 des Registers ist

Das Potential der Sourceelektrode ist somit die

Masse, mit der die Diode D_e verbunden ist; das Potential der Gateelektrode ist Ve* d. h. das an die Steuerelektrode Gc angelegte Potential; das Potential der Drainelektrode ist das Potential y>_s der Grenzfläche / unter der Elektrode 3 des Registers. Dieses Grenzflächenpoten-

•»5 tial ψ» das die Tiefe der Potentialmulden kennzeichnet hängt von dem Potential φι, das über die Phase Φι an der Elektrode 3 anliegt und von der Ladungsmenge Q ab, welche in der Inversionsschicht angehäuft ist, die der Elektrode 3 entspricht. Es kann somit ψ! (φι, Q)

™ geschrieben werden.

In herkömmlicher Weise und wie durch die Kurven von F i g. 3 gezeigt nimmt in einem MOS-Transistor der Strom !so zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode für eine konstante Gatespannung VOe

« mit dem Wert der Potentialdifferenz zwischen der Drainelektrode und der Sourceelektrode, hier

- V'source | = |ψί| .

= 0 und V

da V ψ

^wl gilt, bis zur Sättigung des Transistors zu. Wenn der Transistor in Sättigung ist, bleibt der Source-Drain-Strom ho konstant, und zwar unabhängig von dem Wert von ψ» Diese Sättigung wird erreicht sobald

,,-■, I V_Dr,m- Vsour 11 = |%| gleich I Vc,- Kr|

wird, und bleibt erhalten, solange

bleibt, wobei Vr die Schwellenwertspannung unter der Steuerelektrode G_e ist, d. h. der Wert, ab welchem die Halbleiter-Oxid-Grenzfläche unter dieser Steuerelektrode in Inversion ist.

Unter dieser Sättigungsbedingung ist der Strom Iso durch folgende Gleichung gegeben:

und hängt nicht von ψ, ab. Er ändert sich quadratisch mit Vc_n was beweist, daß in Systemen, die nicht nach dem im folgenden beschriebenen Verfahren arbeiten, die Menge an Ladungen Q, die in das Register eingegeben wird, nicht zu dem elektrischen Signal proportional ist, welches V_Cc moduliert. Diese Ladungsmenge ist nämlich proportional zu dem Strom /so und somit proportional zu dem Quadrat von Vac-

Das hier beschriebene Verfahren besteht darin, die Ladungen Counter die erste Elektrode 3 des Registers zu leiten, indem an die Steuereiektrode Ü_c eine konstante Spannung Vo angelegt wird, die durch das Eingangssignal Vc nicht mehr in der Amplitude, sondern zeitlich moduliert wird.

Bleibt man immer im Sättigungsbereich, d. h. auf dem horizontalen Teil der Kurven von F i g. 3, so gilt nämlich für die Menge an während einer Zeit t eingegebenen Ladungen:

= l_SD. t =

t.

Diese Ladungsmenge ist proportional zu der Zeit t, während der die Spannung Vc₀ an der Steuerelektrode Ge anliegt Da diese Zeit t gemäß dem hier beschriebenen Verfahren proportional zu der Amplitude des Eingangssignals ist, ist die eingegebene Ladung ihrerseits proportional zu diesem Signal und es erfolgt keine Verzerrung, was besonders vorteilhaft ist, wenn es sich um analoge Signale handelt.

Das hier beschriebene Verfahren besteht somit darin, eine Spannungs-Zeit-Umwandlung des Eingangssignal v_e vorzunehmen, welche zu synchronen Abtastproben der Phase Φ\, zu der die erste Elektrode 3 des Registers gehört, führt, mit konstanter Amplitude Vg₀ und mit vpränH*»rlirh*»r Oatipr I umkpi HiA Piano·· t in Hpr dargestellt ist.

Die Umwandlung der Spannung v> in die Zeit t erfolgt in herkömmlichen Schaltungen, die in Fig. 1 durch den Block 7 symbolisch dargestellt sind und von denen weiter unten ein Beispiel angegeben ist.

Es ist klar, daß dank dieses Verfahrens und solange man den Punkt B nicht überschreitet, die Menge Q an Ladungen, die bei jeder Periode der Phase Φι unter die Elektrode 3 geleitet werden, und somit bei jeder Periode ίο des Taktgebers, der sowohl die Phasen als auch die Schaltungen 7 synchronisiert, zu v, proportional sein wird, da (?= Isdo ■ t gilt und da Isdo konstant ist.

Um in diesem Linearitätsbereich zu bleiben, in

welchem der Strom ho konstant ist, genügt es, die

is Amplitude Vc₀ in Abhängigkeit von der Amplitude des

Eingangssignals v_t derart zu wählen, daß für seine

maximale Augenblicksamplitude gilt:

Iw. I > IVVr-- Vt-I .

ι τ - ι ι *'" · f

Es sei außerdem angemerkt, daß das Eingeben der Ladungen um so schneller erfolgt, je stärker der Strom Iso ist und somit je größer die Spannung Vc₀ gewählt wird. Ihre Amplitude wird somit in Abhängigkeit von der Periode Γ des Taktgebers derart gewählt, daß die

> > einzugebende maximale Ladung während der Takthalbperiode 7/2 maximal sein kann.

Damit das Verfahren zweckmäßig durchgeführt wird, ist es erforderlich, daß der MOS-Eingangstransistor, der in Sättigung arbeitet, ein echter Stromgenerator mit

in unendlich großem Innenwiderstand ist. Bekanntlich genügt es zu diesem Zweck, wenn die Drainelektrode (hier die Grenzfläche I) ausreichend weit von der Sourceelektrode (Diode D_r) entfernt ist, um einen Rückwirkungseinfluß der einen auf die andere zu vermeiden, der die Ausgangsimpedanz verringern würde. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, eine ausreichend große Länge der Steuerelektrode G_e zu haben.

Dieser Rückwirkungseffekt wird außerdem eliminiert,

wenn ein stark dotiertes Substrat (beispielsweise 10^l6/cm³) benutzt wird. Im allgemeinen werden die

I aHiinacuArcfhipHpanrtrrtniinffpn auf ^iihetratpn mit Amplitude des abgetasteten Signals v_c proportional ist.

Die Spannung V_Go wird beispielsweise die Spannung Vc*3 von Fig.3 sein. Während der Dauer jeder Abtastprobe erfolgt auf dem horizontalen Teil dieser Kurve eine Verschiebung von A nach B.

F i g. 4 zeigt den Verlauf der Kurven der verschiedenen Potentiale in Abhängigkeit von der Zeit.

Die ersten beiden Kurven zeigen die Potentialänderungen φι und φ₂ der beiden komplementären Phasen Φ\ und Φι an. Diese beiden Phasen sind synchron und komplementär; das Potential der einen ist Null, während das der anderen negativ ist, und umgekehrt Das negative Potential entspricht den tiefsten Potentialmulden, in weiche die Verschiebungen erfolgen.

Die Kurve (c) zeigt den Verlauf der an die F.ingangssteuerelektrode G_c angelegten Spannung Vgc Sie ist entweder Null und dann durchquert keine Ladung den MOS-Transistor, den sie steuert, oder negativ und gleich dem konstanten Wert Vc₀, der den Durchgang des Stroms Isdo steuert Die Abtastproben sind mit der Spannung φι synchron, Kurve (a), so daß die Ladungen, die die Steuerelektrode G_c durchläßt von den Potentialmulden, die die Phase Φι unter der Elektrode 3 erzeugt »angenommen« werden. Ihre Dauer t_u t₂ und r₃ ist hier proportional zu der Amplitude v\, vz und v_} des Eingangssignals v_ft das symbolisch als Kurve (d) schwacher Dotierung (5 · lO'Vcm³) hergestellt Unter diesen Bedingungen kann es sich empfehlen, unter der

3 Steuerelektrode G_c diskret eine Überdotierung zu implantieren.

Die Linearität der Eingangsstufe eines Registers, bei welcher das hier beschriebene Verfahren angewandt wird, wird nur noch durch die der Schaltungen begrenzt

so die die Spannungs-Zeit-Umwandlung vornehmen. Da ihre Linearität sehr gut sein kann, ist der durch das Verfahren erreichte Vorteil sehr deutlich.

Fig.5 zeigt ein Beispiel einer Schaltung, mittels welcher ein analoges Eingangssignal v_ein Abtastproben umgewandelt werden kann, die mit dem Phasentaktgeber 50 synchron sind und deren Dauer zu der Amplitude des Signals v_e proportional ist Es handelt sich nur um ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 7 für die Spannungs-Zeit-Umwandlung von Fig. 1, denn andere herkömmliche Schaltungen können auch benutzt werden.

F i g. 6 zeigt die Form der Signale in den verschiedenen Punkten der Schaltung von F i g. 5.
Der Taktgeber 50 liefert das Signal a mit der Periode

T. Dieses Signal wird während der Abtastdauer, d.h. während T/l (vergleiche F i g. 4) in einer Kapazität 51 integriert die sich dank eines Stromgenerators 52 mit einem konstanten Strom auflädt Während der nächsten

Halbperiode 7/2 (d. h. während der Verschiebungszeit der Phase Φ\) entlädt sich diese Kapazität dank einer NullriickstellschrJtung 53. In dem Punkt b ergibt sich das Sägezahnsignal b von Fig.6. Dieses Signal b wird in einer Addierschaltung 54 mit dem analogen Eingangssignal v_e addiert, um das Signal Jzu erhalten. Das Signal d wiv dann in eine 2-Werte-Amplitudenbegrenzungsschaltu.ig 55 eingegeben, die das Signal e liefert. Das

Signal e besteht aus einer Folge von trapezförmigen Impulsen, deren Basisbreite zu der Amplitude des analogen Eingangssignals v_c proportional ist. Eine Formgebungsschaltung 56 liefert ein Signal f, dessen Rechteckimpulse dieselbe Breite wie die Basis der Impulse des Signals e haben. Zwischen dieser Breite und der Amplitude des Eingangssignals v_e besteht Proportionalität.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche;

1. Verfahren zum Eingeben eines elektrischen Eingangssignals in ein Ladungsverschieberegister mit ladungsgekoppelten Zellen und mit einer Eingangsanordnung, weiche eine Diode und eine Steuerelektrode für den von dieser Diode gelieferten Strom enthält, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuerelektrode (G_e) ein Steuersignal (VOe) mit konstanter Amplitude (Vo₀) angelegt wird, das das Abgeben eines konstanten Stroms (Jsdo) durch die Diode (D_e) steuert und ein Impulssignal ist, welches mit den Verschiebungssteuersignalen des Registers synchron ist, wobei die Dauer jedes seiner Rechteckimpulse zu der Amplitude des Eingangssignals (v_e) proportional ist, das in dem Zeitpunkt der so vorgenommenen Abtastung einzugeben ist

2. Verfahnen nach Anspruch 1, dadurch gek». .-zeichnet, daß die Umwandlung des Eingangssignais (v_e) in einen Impuls, dessen Dauer zu seiner Amplitude in dem Zeitpunkt dieser Umwandlung proportional ist, synchron mit dem Verschiebungssteuersignal, das an der ersten Elektrode (3) des Registers anliegt, die sich hinter der Steuerelektrode (G_e) befindet, und während des Anliegens desjenigen Teils des Verschiebungssteuersignals an dieser Elektrode vorgenommen wird, der tatsächlich einem Verschiebungszustand entspricht

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Amplitude (Vb₀) der Impulse des Steuersignals (VOe), das an die Steuerelektrode (G_e) angelegt wird, in Abhängigkeit von der maximalen Amplitude ues Eingangssignals (v„) derart gewählt wird, daß der von der Diode (D_e) abgegebene Strom (Isdo) während der Dauer des der maximalen Amplitude des Eingangssignals (v_e) entsprechenden Impulses konstant bleibt

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die konstante Amplitude (Vco) der Impulse des Steuersignals (VOe) außerdem in Abhängigkeit von der Periode (T) der Verschiebungssteuersignale des Registers derart gewählt wird, daß der konstante Strom (Isdo), der daraus resultiert ausreichend stark ist, damit die Dauer der Impulse des Steuersignals (Vbe) kleiner als die Halbperiode (T/2) der Verschiebungssignale des Registers ist ungeachtet der Dauer der Impulse.

5. Ladungsverschieberegister zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in das Register einzugebende Eingangssignal (v_e) an einer Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung (7) anliegt, die das Steuersignal (VGe) der Steuerelektrode (C_e) liefert und durch einen Taktgeber gesteuert ist, der das Abgeben der Verschiebungssteuersignale steuert.