Фильтр на приборе с зарядовой связью для аналоговых устройств Советский патент 1983 года по МПК G11C27/00 

Изобретение относится к полупроводникам ИС и мбжет быть использовано при создании аналоговых и фотоприемных устройств на ПЗС.

Известно устройство на ПЗС для фильтрации сигналов, представляющее собой элемент задержки, подключенный к МДО-транзисторным ключам, причем весовая функция задается путем выбора определённой крутизны МДП-транзиртора 1.

Недостатком этой схемы является большое количество транзисторрв и необходимость дополнительной cxeNbi . суммирования выходных сигналов для получения выходной характеристики фильтра.. . .

Наиболее близким к предлагаемому является устройств%на ПЗС, содер-жащее. регистр сдви ЛЗС-типа, в.каждом разряде которого третий элемент разряда выполнен в виде двух затворов основного и вспомогательного с требуемым (для данного разряда) весовым коэффициентом, причем вспомогате.пьные затворы подключены к одной сигнальной шине, а основные затворы к другой сигнальной шинеС23.

Если для m -го разряда требуется весовой коэффициент ti , то третий

элемент данного разряда должен быть выполнен в виде двух затворов так, чтобы отношение площадей вспомогательного Sg и основного Sjo затворов было равно

1--h

в

tn

И)

1 + 1lr

10

Для получения фильтра обе сигнальные ашны подключены к дополнительной схеме - дифференциальному .измерителю тока, осуществляющему вычитание, их сигналов. При поступлении в третий элемент разряда, выполненный в

15 виде двух затворов, зарядовый пакет делится в соответствии с соотношениesM CD и вызывает пропорциональное перетекание зарядов на вспомогательный и основной затворы. Сигнал на

20 выходе дифференциальной схемы описывается выражением

п

-l-ll

-Не.

ВЫХ

25

п

лЕ1а.

(2;

S - постоянный коэффициент;

где - зарядовый пакет в m-м

го

30 элементе. Недостатком этого устройства является необходимость использования на выходе дополнительной схемы дифференциального измерителя тока, осуществляющего вычитание токов. Как правило, эта схема является сложной ,и не может быть реализована на одном кристалле с ПЗС. Это приводит к усложнению внешнего обрамления ПЗС и к удорожанию системы. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей фильтра за счёт реализации операции вычитания в каждом разряде двух анал говых значений, которое позволит получить непосредственно на выходной ш не сигнал, определяемый соотношением i2), без использования дополнительного дифференциального измерителя то ка, . Поставленная цель достигается тем что фильтр на приборе с зарядовой связью для аналоговых устройств, содержащий регистр сдвига, каждый разряд которого состоит из первого МДПэлемента, затвор которого соединен с первой тактовой шиной, и второго МДП-элемента с основным и вспомогательным затворами, дополнительно содержит третий и четвертый МДП-элементы с основным , и вспомогательным затворами и МДП-транзистор, причем вспомогательный затвор четвертого МДП-элемента соединен с основным затвором второго МДП-элемента и подключен к выходной шине, с которой соединен исток МДП-транзистора, а основной и вспомогательный затворы третьего МДП-элемента, вспомогательный затвор второго МДП-&лемента и основной затвор четвертого МДП-элемента подключен ко второй, третьей и четвертой тактовым шинам соответственно,а сток МДП-транзистора соеди нен с шиной питания. На фиг. схематически изображен первый вариант схемы фильтра.на ПЗС; на фиг.2 - диаграмма тактовых импульсов; на фиг.З - второй вариант фильтра на ПЗС.. Фильтр на ПЗС содержит регистр сдвига ПЗС-типа на МДП-элементах с затворами 1-14, причем первый элемент, выполнен на первом МДП-транзисторе с затвором 1 в каждом разряде, второй, третий и четвертый МДП-элементы выполнены в виде двух затворов С2иЗ, 4и5, би7-в первом пока занном на фиг.1 разряде; 9 и 10, (11 и 12, 13 и 14 - во втором разряде отношение площадей которых выбрано в соответствии с уребуемым весовым коэффициентом. Вспомогательные затво ры четвертых МДП-элементов разряда б, 13 электрически соединены с основ ными затворами третьих ВДП-элементов разряда 5,12 и подключены к общей вы ходной шине, к которой подключен исток МДП-транзистора 15. Сток -транзис тора 15 подключен к постоянному напряжению Е, а затвор - к тактовой шине Фз . Затворы первых МДП-элементов разрядов 1, 3 подключены к тактовой шине Ф, оба затвора вторых ВДП-элементов 2,3, 9, 10 подключены к тактовой шине Фз вспомогательные затворы третьих МДП-элементов 4, 9 - к тактовой шине Ф, а основные затворы четвертых МДП-элементов 7,14 - к тактовой шине Фильтр (фиг.1) работает следующим образом. При действии Ф-,(например, в момент t на фиг.2) зарядовые пакеты, соответствующие выборкам входных сигналов, находятся в МДП-элементах 1, 8. При поступлении Ф2 и окончании Ф заряды переходят в МДП-элементы фа,зы Ф, делятся на две части в соответствии с выражением (l) и хранятся там (2 ДО начала Фз. При поступлении импульса Ф, МДП-транзистор 15 открывается, на вспомогательных затворах четвертых МДП элементов 4,13 и основных затворах третьих (адп - элементов 5, 12 устанавливается напряжение Е, величина которо го меньше амплитудного значения тактовых импульсов иф(.). На спаде Ф2разделенные на две части за-, рядовые пакеты передаются из МДПэлементов фазы Ф 2, 3, 9, 10 в третьи МДПг-элементы разрядов, выполнен|Ные в виде двух затворов 4, 5, 11, 12 и хранятся там (. Для того, чтобы при действии Ф заряды оставались в потенциальных ямах вспомогательных затворов третьих МДП-зле-. ментов 4, 9 и не переходили под затворы б, 11, на которых установлено напряжение Е, необходимо выполнение следующих условий: (иф-Е) А5«макс. (3) где Сд - удельная емкость диэлектрика затвора/ S - площадь затвора макс максимальное значение заряда, передаваемого в ПЗС. Для того, чтобы заряды под затворами 3, 10 уменьшались под затворами 5,12, должно выполняться следуюцее условие: Е-ис„)Сд5,а,акс Н) Где напряжение смещения (нижнее значение) тактовых импульсов. На спае Ф транзистор 15 закрывается и ыходная шина становится -плавающей. ри нарастании Ф напряжение на заторах 7, 14 становится равным Уф заряды потенциальных ям основных затворов третьих МДП-элементов 5, 12 оступают в потенциальные ями осовных затворов четвертых МДП-элеентов 7, 14. При экстракции зарядов

из МДП-элементов Ь,12 потенциал на плавающих затворах повышается.На спаде Wj заряды из потенциальных ям вспомогательных затворов третьих МДПэлементов 4, 11 переходят в потенциальные ямы вспомогательных затворов четвертых МДП-элементов 6, 13, вызывая уменьшение потенциала на плавающих затворах. Таким образом, реализуется операция вычитания сигналов непосредственно на плавающих затворах без использования схемы. Можно показать, что для Г) -разрядной цеп&чки ПЗС выходной сигнал будет равен

1 + f)

-1 Г--

m

Q. 2 f

(П)С, )С„ где - полная емкость диэлектри ка плавающих затворов одного разряда; t -. коэффициент влияния -под.ложки; Сц- нагрузочная емкость ход ной шины. В большинс:тве практических случае суммарная выходная емкость шины значительно больше емкости любого из плавающих затворов отдельного разряда, т.е..(-1ч-11;с„+с(пц+у), ti -jSc в знаменателе и величиной выражения 5 ) можно пренебречь. Тог да . п вых (1+т)С„+С() ®m1n,- Зарядовая емкостьй пписанной (вмы Ъпределяется из следующих уссхемы определяется ловий: «MaKo lV) «o.кc-ЧE-U JCд5; (15) Видно, что зарядовая, емкость в та кой схеме меньше, чем в обычной четырехтактной, равной 0„акс()л2 Следовательно, ее динамический диапа зон также будет ниже. Другим недос.татком является то, что требуемая . функция свертки 6) получается только при выполнении условия ( (ft Т m/2- В фильтрах с небольшим чис лом paJpядoв это условие может нарушится. С целью расширения динамического диапазона и увеличения точности опе рации фильтрации схему можно модефи

цировать (фиг. 3) так ,чтобы основные затворы третьих МДП-элементов 5, 12 и вспомогательные затворы четвертых МДП-элементов б, 14 нмели одинаковую площадь БП (.фиг.З) равную

с .VU

(8)

a суммарная площадь обоих затворов вторых МДП-элементов разрядов Sg , а также суммарная площадь вспомогательного затвора третьего и основного затвора четвертого адпэлементов в каждом разряде и .+5.-были равны SP , определяемой ппптнппшнием

соотношением

о. s VJ:iH

( р иф-Е 5 - площадь затворов первых элементов 1 и 8. Максимальная зарядовая емкость в том случае равна ам«кс А51иф-иом). 10 . соотношение (5), определяющее выодной сигнал, имеет следующий вид: .«х-Т.()Сн 2п Оп-Ц1)С„ 2п с„+{1п)с„ ;;;;Г1 Интервал для считывания сигнала 5 ц, в течение которого /Igy определяется соотношением (б) , показан на фиг.2. Предлагаемое устройство может Зыть реализовано непосредственно на одном кристалле. Устройство может найти широкое применение в устройствах фильтрации аналоговых и видеосигналов Схема фильтра позволяет расширить динамический диапазон и увеличить точность операции фильтрации. изобретения Фильтр на приборе с зарядовой связью для аналоговых устройств, содержащий регистр сдвига, каждый разряд которого состоит из первого МДП-элемента, затвор которого соединен с первой тактовой шиной, и второго МДП-элемента с основным и вспомо-. гательным затворами, отличающ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей фильтра за счет реализации операции вычитания, он содержит в каждом раз-, ряде регистра третий и четвертый МДП-элементы с основным и вспомогательным затворами и МДП-транзистор причем вспомогательный затвор четвертого МДП-элемента соединен с основным затвором второго МДП-элемента и подключен к выходной шине, с которой соединен исток МДП-транзйстора, а основной и вспомогательный затворы третьего МДП-элемента, вспомогательный з.атвор второго МДП-элемента и основной затвор четвертого МДП-элемента подключены ко вторай, третьей и четвертой тактовым шинам соответственно, а /сток МДП-транзистора соединен с шиной питания..

Источники, информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Секён К.,Томпсет М. Приборы с. переносом заряда. М. , Мир, 1978, , 236.

2.Там же, с. 65 (прототип).

Т

/5jbo ;

й.«

f...

f . AH

Г

ftfX

Ы

1