NO770179L - Behandlingsm}te for analoge signaler. - Google Patents

Description

Signalbehandlingsanordning.

Oppfinnelsen angår en signalbehandlingsanordning med et antall ladningslagrede elementer som hvert har en inngangssignalelektrode og en utgangsavsøkende elektrode, hvilke inngangssignalelektroder er atskilt fra hverandre, mens de utgangsavfølende elektroder er forbundet med hverandre, og med en felles elektrode.

Oppfinnelsen gjelder særlig en analog signalbehandlingsanordning som er særlig godt egnet for anvendelse som programmerbar krysskorrelasjonsanordning eller transversalfilter som kan utformes som en integrert halvlederstruktur med sjikt av metall, oksyd og silisium, såkalt MOS-struktur.

Det generelle området for diskret anafhog signalbe-handling er bearbeidet av Dennis D. Buss og Walter H.Bailey

i en artikkel "Applications of Charge Transfer Devices to Analog Signal Processing" 197^ IEEE Inter-Con Technical Papers; Session 9, betegnet "CCDs i Analog Signal Processing", Paper 9/1. Blant andre kretser diskuteres der et typisk transversalfilter. I det tilfellet forsinkes de samplede analoge signaler f.eks. i en forsinkelseskrets av typen lad-ningskoplet anordning, såkalt CCD og de forskjellige forsinkede signaler multipliseres med forskjellige tilslutningsverdier og summeres for å oppnå filterfunksjoner. I den struktur som beskrives forflyttes de forsinkede nanaloge signaler i forhold til strukturen mens tilslutningsverdiene påtrykkes faste punkter i strukturen.

En utførelse av en slik struktur er beskrevet av Donald R. Lampe et al i "An Electrically-Reprogrammable Analog Transversal Filter^ 1974 IEEE International Solid-State Circuits Conference,Session IXIII, "Charge-Coupled Devices and Applications" Paper nr. 13.6. Ved denne struktur lagres de analoge tilslutnings faktorer ved å kombinere CCD-tek-nikken med metall-nitrid-oksyd-silisium-teknikk, såkalt MNOS-teknikk: En alternativ transvarsalfilterutførelse er beskrevet av J.J. Tiemann et al i "Intracell Charge-Transfer SUructures for Signal Processing" IEEE TSansactions of Electron Devices';' Vol. ED-21 nr. 5, for mai 1974, side 300-308. Ved denne struktur skjer det en innbyrdes forflyttning ved at tilslutnings f aktorene beveger seg forbi de lagrede analoge signaler heller enn det motsatte, slik som i Lampes struktur som nevnt ovenfor. De analoge signå&er samples periodisk og lagres som ladning i en av to overflatepotensialkilder. Ladningen skyves frem og tilbake mellom potensialkildene, slik at den overføres til den ene potensialkilde for å angi en binær tilslutningsverdi "1" og til den andre for å angi en binær tilslutningsverdi "0". Ladningene i tilslutnings verdien "1" som angir potensialkilden, avføles ved hjelp av en teknikk med flytende elektrode.

Hvis man i strukturen ifølge Tiemann avføler størrelsen av overflateladningen, vil denne være underkastet en kryssmodulasjonsvirkning mellom signalene, fordi man anvender flytende portspenningsavføling. Dessuten har den samlede kapasitet til jord fra avfølingselektroden er ulineæritet som forårsakes av utarmingskapasiteten. Med sterk kapasitiv belastning kan således kryssmodulasjon og virkningen av ulineæriteten undertrykkes ved hjelp av en ytre lineær kapasitet. Dette reduserer imidlertid amplituden i utgangssignalet og således signal/støyforholdet.

Dét har vist seg at ved anvendelse av en ny struktur som gir et flytende avfølingspunkt for overflatespenningen, snarere enn for overflateladningen, kan eliminere virkningen av kryssmodulasjon som skyldes ulineæritet og varierende forskyvning av utgangssignalet i^en analog signalbehandlingsanordning. Strukturen ifølge foreliggende oppfinnelse er med hensyn til funksjonen lik Tiemanns, fordi tilslutningsverdiene forskyves i forhold til det analoge signal, men den skiller seg fra dette ved at overflatespenningen avføles i stedet for overflateladningen hvilket resulterer i at den kan realiseres ved hjelp av forskjellig teknikk, andre enn ladningskoplede anordninger (CCD).

Oppfinnelsen erkarakterisert vedstyreorganer for til en begynnelse å kople inngangssignalelektrode til en første referansespenningskilde og de ut gangsavfølende elektroder til en andre referansespenningskilde for innstilling av elektrodene på en fast spenning i forhold til den felles elektrode, hvilke styreorganer deretter kopler bort den andre referansespenningskilde og individuelt forbinder samplede analoge signalspenningskilder med forut valgte inngangssignalelektroder for å endre spenningen på lagringselementene for oppnåelse av en utgangssignalspenning på de utgangsavfølende elektroder som er en funksjon av størrelsen av de. samplede analoge signalspenninger og de forut valgte forbindelser mellom kildene og inngangssignalelektrodene.

Ved en foretrukket utførelsesform utnyttes MOS-teknologi med ett nivå, hvor ladning amanipuleres ved hjelp, av elektroniske data og lagres på overflaten av halvledersub-strat et.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av kravene 2 og 3-

Noen utførelseseksempler på oppfinnelsen skal neden-for beskrives nærmere under henvisning til tegningene. Fig. 1 viser et koplingsskjerna for en .analog signalbehandlingsanordning ifølge oppfinnelsen med tre moduler. Fig. 2' viser et snitt gjennom en enkelt modul av en anordning ifølge fig. 1 ved anvendelse av MOS-teknologi og anvendelse av bare ett portnivå. Fig. 3 viser skjematisk 2x3 moduler ifølge fig. 2 sammen med tilhørende styrekretser som danner basis for et programmerbart transversalfilter under anvendelse av halv-lederteknologi. Fig. 4 viser kurver for tidsstyresignaler som anvendes for styring av det forenklede programmerbare transversalfilter ifølge fig. 3.

I den følgende detaljbeskrivelse av de som eksempel angitte utførelsesformer er det anvendt basisbetegnelser for de enkelte elementer. Da det er nødvendig for å. skille mellom etter hverandre følgende elementer i en rekke eller en kolonne, er det anvendt ytterligere referansebetegnelser eller siffere i tilslutning til basisbetegnelsene. I sin alminne-lighet er det referert bare til basisbetegnelsene.

Fig. 1 viser basiskretsen foreen analog signalbehandlingsanordning oppbygd av tre moduler A, B og C omfattende tre ladningslagrende elementer eller kondensatorer Ca, Cb og Cc med en separat inngangssignalelektrode Ea, Eb og Ec og en felles utgangsavfølende elektrode EO. Analoge signalspenninger fra samplede analoge signalspenningskilder Vsa, Vsb- og Vsc kan innkoples ved hjelp' av separate komkoplere Wla, Wlb og Wlc til de respektive inngangselektroder Ea, Etf og Ec i kondensatorene Ca, Cb og Cc. Alternativt kan en referansespenningskilde VR koples til hver av inngangssignalelektrodene Ea, Eb og Ec i kondensatorene Ca, Cb og Cc vis omkoplere Woa, Wob resp. Woc. En ytterligere referansespenningskilde VF kan også koples til den utgangsavsøkende elektrode EO via en omkopler WF. Kondensatoren CO representerer hver ytterligere spredningskapasitet som kan forekomme mellom den felles utgangselektrode EO og den felles jord-elektrode Eg.

I drift slutter forprogrammerende styreorganer (ikke vist) momentant omkoplerenrWF for innstilling av den felles ufegangselektrode EO på det faste potensial WF. Dette gir en tilbakestillingsfunksjon. På tidspunktet for tilbake-stillingen holdes samtlige omkoplere WO sluttet og Wl brytes for å låse de respektive signalpunkter Ea, Eb og Ec på referansespenningen VR som kan utgjøres av jordpotensial.

Deretter følger avfølings funksjonene. Begynnende med den venstre modul A vil for binær tilslutningsverdi "0" omkopleren Woa være sluttet og omkopleren Wla være brutt, slik atiingen endring opptrer i spenningen i signalpunktet Ea. Således opptrer det ingen endring av utgangsspenningen V0 i den flytende avfølingselektrode EO. For en binær tilslutnings verdi på den annen side omkopleren WOa brytes og omkopleren Wla sluttes for endring av spenningen i signalpunktet Ea fra spenningen VR til Vsa. Den flytende avfølingselektrode EO mottar således en kapasitiv spennings-funksjon som er proporsjonal med forskjellen mellom referansespenningen VR og signalspenningen Vsa. Hvis det kapasitive lagringselement Ca fåren tilslutningsverdi "1" og samtlige øvrige tilslutningsverdier er "0" blir utgangsspenningen:

På grunn av at signalpunktene Ea, Eb og Ec alltid drives av spenningskilder med liten indre motstand for begge tilslutnings verdier "1" og "0", er den samlede kapasitet til jord alltid konstant CT. Således blir signaltilskuddet som følge av hver modul uavhengig av signaltilskuddet fra de øvrige moduler. Dette eliminerer fullstendig enhver signalpåvirkning mellom modulene, slik det opptrer ved kjente anordninger hvor ladningsavføling anvendes.

Por hvert alminnelig antall moduler k av den på

fig. 1 viste type blir den samlede spenning Vo som opptrer på avfølingselektroden Eo:

hvor de forskjellige verdier av AVsn er endelige eller null avhengig av om tilslutningsverdien er "1" eller "0" styrt av omkoplerne Wl og WO. Den multiplikasjons- eller summerings funksjon som kreves for å tilveiebringe et transversalfilter med den på fig. 1 viste struktur, fremgår således av uttrykket (2). Utgangsspenningen har et lineært forhold til summeringen over samtlige kondensatorer av pro-duktet av kapasiteten og den analoge signalspenning.

Da kretsen som vist på fig. 1 avføler spenninger i stedet for ladninger, kreves det ikke noen ladningsmanipulerende struktur såsom en CCD. Kretsen kan tilveiebringes ved hjelp av enhver lineær analog teknikk f.eks. ved hjelp av atskilte komponenter eller ved komplementær MOS-teknikk, såkalt CMOS-teknikk eller MOS-teknikk ved anvendelse av bare ett portnivå.

Ved anvendelse av særskilte komponenter kan man an-vende særskilte kondensatorer som ladningslagrende elementer C, idet omkoplerne Wo, Wl og WR og de ikke viste analoge samplingsomkoplere kan utgjøres av vanlige analoge transmisjons- omkoplere. Ved anvendelse av CMOS-teknikk i integrerte kretser kan CMOS-transmisjonsporter anvendes for de enkelte omkoplings funksjoner. De lagrings lagrende elementer C kan være integrerte under anvendelse av oksydkapasitet.

Fig. 2 viser en spesiell struktur for modulen A ved oppbygning av den analoge signalbehandlingsanordning ifølge fig. 1 ved hjelp av MOS-teknikk 'under anvendelse av bare ett enkelt portnivå. På fig. 2 omfatter modulen A et ladningslagrende legeme 10 av silisium av P-typen med et isolerende silisiumdioksydsjikt 11 på dette. En avfølingselektrode 12

er anordnet på silisiumdioksydsjiktet 11 og danner den felles elektrode EO for en lineær kapasitet Ca som anvender et parti lia av det isolerende sjikt som dielektrikum og den tilgrensende avfølingsflate 10a av substratet 10 som den atskilte inngangselektrode Ea. Ved denne spesielle utførelse av strukturen må tilbakestillingsspe.nningen VF være tilstrekkelig stor for å tilveiebringe intvertering av halvlederoverflaten 10a over hele det forutsatte signalområdet.

Styringen av det analoge inngangssignal Vsa eller referansesignalene VR til overflateområdet 10a skjer ved anvendelse av særskilte signalporter Wl og Wo, som hver har kalddiffusjoner 15a, 15b, flytende overføringsdiffusjoner 16a, 16b og portelektroder 17a, 17b som er forbundet med styrespenningskilder 02 resp. 01.

Virkemåten for den på fig. 2 viste modul fremgår av fig. 3 som viser en matriks med 2x3 moduler A, B, C, D, E og F som danner basisen for et programmerbart transversalfilter. Gruppene av de tre basismoduler A, B, C og D, E, F i de to kolonner representerer de tre mest viktige deler av en analog tilslutning. Tilsvarende horisontale moduler er alle like dvs. deres vertikale utstrekning er på et felles substrat som står i binært forhold for dannelse av kapasitetene som har et binært forhold. Det skal bemerkes at disse spesielle kapasi-teter som velges,endres kontinuerlig ettersom tilslutningene i tur og orden mates frem, f.eks. fra venstre mot høyre på strukturen. Ved en typisk utførelsesform utført på en enkelt plate med mål ca. 3,8l x 3,8l mm kan det dannes en matris med 32 x 6 moduler i stedet for matrisen med 2x3 moduler som vist på fig. 3 for tilveiebringelse av transversalfilter-funksjonen.

Under drift koples et analogt inngangssignal Vi

til operasjonsforsterkeren 20 som befinner seg på siden av platen 30. Utgangssignalet fra forsterkeren 20 portstyres suksessivt til kondensatorene Cm og Cn ved hjelp av sig-

nalene Øla og.01b fra en styresignalkilde 21. Dette gir en periodisk sampling og fastholding av det innkommende analoge signal Vi. De samplede signaler koples så gjennom en kilde-elektrodefølger 22 som leverer utgangssignaler Vs som til-føres hver av modulene A-F. Transistorer 23 som holdes kontinuerlig åpne ved hjelp av forspenningen Vb representerer en motstandsbelastning av kildeelektrodefølgerne 22, mens portkretsene 24 tilveiebringer negativ tilbakekopling for operasjonsforsterkeren 20 under samplingsperioden for å korrigere for ulineæritet og varierende forskyvning i kilde-elektrodefølgerne 22. Signalene fra disse driver via en felles diffusjon samtlige binært kapasitivt virkende moduler for en analog lagringsposisjon.

Under henvisning til fig. 4 og styresignalkilden 21

så utgjøres styrespenningene 01 og 02 av tofasede ikke hverandre overlappende tidsstyresignaler. Tidsstyrespenningene Øla og 01b veksler synkront med 01, mens tidsstyrespenningene 02a til 02f styrer påtrykningen av tilslutningsverdier til de respektive moduler A-F.,

På tidspunktet t^. styres det analoge signal Vi til holdekondensatoren Cm under styring av tidsstyresignalet Øla.

På samme tidspunkt tilbakestilles avfølingselektroden Eo som

er innkoplet felles over hele platen 30 uvilkårlig til VF

ved hjelp av tidsstyresignalet 01,som påtrykkes portkretsen VF, mens referansespenningen VR også styres til avfølings-flaten uvilkårlig av tidsstyresignalet 01 som påtrykkes portene 25a til 25f som tilhører hver av modulene A til F.

De -digitale (binære) tilslutningsverdisignaler'påtrykkes så vilkårlig på tidspunktet t2 på elektrodene Wl (se fig. 2) under styring av tidsstyresignalene 02a til 02f fra styresignalkilden 21. Ved den som eksempel viste ut-førelses form påtrykkes til å begynne med en tilslutningsverdi på 110 på tidspunktet t2 på den venstre kolonne med modulene A,B og C. Deretter overføres denne verdi til den høyre

kolonne med modulene D,E og F og erstattes av en tilslutnings verdi på 101 på tidspunktet tk. På tidspunktet t2 påtrykkes også en tilslutningsverdi 101 på den høyre kolonne med modulene D, E og F. Hvis en skyveregisterstruktur anvendes i styrekilden 21 for tilslutningsverdiinformasjonen,

kan verdien 101 på tidspunktet t4 igjen forskyves til den høyre kolonne og er stattes av en tilslutningsverdi 110 i den venstre kolonne på tidspunktet t6. Det skal bemerkes at disse tilslutningsverdier bare er eksempler og valgt i samsvar med kravene til dette spesielle transversalfilter. Belastnings-transistorene 23 gir tilstrekkelig hurtig tidskonstant slik at avfølingsflåtene (se 10a på fig. 2) låses til sin spenning (oppnår stabil tilstand) under påtrykket av tidsstyresignalene 02. Det fremgår at for de moduler hvor det samplede analoge signal Vs styres til avfølingsflaten fra venstre ved hjelp av tidsstyresignalene 02a-02f kortslutter samme tidsstyresignal-elektroder Wo-jord og isolerer avfølingsflaten fra referansespenningen VR. Hvis 02a - 02f er null, fortsetter referansespenningen VR styrt via avfølingsflaten i løpet av tidsstyresignalet 02 for å bibeholde overflatespenningen låst til tilslutningsverdien "0". Under tidsstyreintervallet T2 skjer en summering av spenningene Vo på den felles avfølingselektrode Eo.

Under tidsintervallet t3 på fig. 4 styres den samplede analojge signalspenning VI til holdekondensatoren Cn og av-følingselektroden Eo tilbakestilles. Under tidsintervallet T4 påtrykkes en tilslutningsverdi 110 på modulene D, E, F, mens en tilslutningsverdi 101 påtrykkes modulene A, B resp. C slik at summering igjen oppnås på avfølingselektroden Eo. Disse tilslutningsverdier kan tilbakesirkuleres]5.å platen 30 under styring av digitale skyveregistre (ikke vist) som befinner seg i styresignalkilden 21. Hele operasjonen gjentas med.be-gynnelsen på tidspunktet t5 med det digitale tilslutningssignal som beveger seg forbi de respektive analoge lagringskondensa-torer.

Som følge av den store kapasitet for den felles ut-gangssignalavfølende elektrode Eo, kan utgangssignalet Vo oppnås direkte fra platen 30 uten noen utgangs forsterker. Dette medfører modularitet ved anvendelse av denne plate fordi flere av utgangene kan koples parallelt. For negative tilslutnings verdier kan en lignende plate anvendes med sin ut-gangsspenning VO matet til den negative side i en operasjons-forsterker som arbeider i differensialmodus for tilveiebringelse av invertering. For flere deler i digital- analog-oppløsningen av de analoge tilslutningsverdier kan en ytter- ' ligere parallell plate anvendes med sin utgangs spenning multiplisert ved siden av platen i hensiktsmessig binært forhold og deretter summeres til- utgangssignalet fra den første p 1 at e .

Alternativt kan referansesignalet VR ved en referansespenning VR=inngangslikeforspenningen oppnås fra samme like-spenning som forspenner de analoge inngangssignaler. I denne modus kan hver av inngangs forspenningene utelukkes hvilket også gjelder hver inngangsstøy opp til frekvenser noe under den analoge samplings frekvens. For denne modus kreves en tilbakestillingsfunksjon av og på (tidsstyresignalet 01) for å bibeholde avfølingselektroden flytende. Dette beror på at avfølingsflaten må forskyves begge veier fra refernase-potensialet. Noe tilbakestillingsspøy (Nykvist) kan derved forutsettes på utgangen.

For VR=jordpotensial er samtlige spenningsvaria-

sjoner på avfølingselektroden Eo positiv fra tilbakestillings-verdien. Således er en ny utgangskrets mulig. Med referanse til felteTfektomkopleren WF på fig. 3 kan en funksjon i lik-

het med kildeelektrodefølgning oppnås med avfølingselektroden EQ som en kapasitetsbelastning på kildeelektrodefølgeren}

det skal bemerkes at kildeelektrodefølgeren ikke er utnyttet som en forsterker. Avfølingselektroden EO skal være belastet med en motstand (ikke vist) ved siden av platen, f.eks. av inngangsmotstanden for signalforsterkeren ved siden av platen.

Et fiksert likespenningsnivå påiinngangen av kildeelektrode-følgeren i stedet for 01 som vist kan gi et fast referanse-

nivå for avfølingselektroden Eo fra hvilken positive spennings-variasjoner kan starte. Hver positiv variasjon fra det faste referansenivå skjer i samsvar med langsomt opptreden av dynamisk•

kildeelektrodefølging, slik at den kapasitive u-t gangs vari as jon ikke ødelegges. Deretter bringer 01 alle avfølingsflater til jordpotensial og tilbakefører så/ledes avfølingselektroden 12 til tilbakestillingsnivå. Utgangssignalet bibeholdes således på nødvendig referansenivå mellom signalene uten krav på. tilbakestillingstidsstyresignal. Dette eliminerer således ut-gangsstøy i forbindelse med tilbakestillingstidsstyresignal.

Claims (3)

1. Signalbehandlingsanordning med et antall ladningslagrede elementer (Ca,Cb,Cc) som hvert har en inngangssignalelektrode (Ea, Eb,Ec) og en utgangsavsøkende elektrode (Eo), hvilke inngangssignalelektroder er atskilt fra hverandre, mens de utgangsavfølende elektroder er forbundet med hverandre og med en felles elektrode (Eg), karakt ee-r. i s e r t ved styreorganer for til en begynnelse å kople inngangssignalelektrodene til en første refernasespennirigskilde (VR) og de utgangsavfølende elektroder til en andre referansespenningskilde (VP) for innstilling av elektrodene på en fast spenning i forhold til den feiles elektrode, hvilke styreorganer deretter kopler bort den andre referansespenningskilde og individuelt forbinder samplede analoge signalspenningskilder (Vsa, Vsb-^Vsc) med forut valgte inngangssignalelektroder foråå endre spenningen på lagringselementene for' oppnåelse av en utgangssignalspenning på de utgangsavfølende elektroder som er en funksjon av størrelsen av de samplede analoge signalspenninger og de forut valgte forbindelser mellom kildene og inngangssignalelektrodene.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at hvert lagringselement er tilordnet en første omkopler (Woa,Wob,Woc) og en andre omkopler (Wla,Elb,Wlc) for å forbinde enten den første referansespenningskilde (VR) eller en samplet analog signalspenningskilde (Vsa,Vsb,Vsc) med inngangssignalelektrodene, en tredje omkopler (WP) for å forbinde den andre referansespenningskilde (VP) med de utgangsavfølende elektroder, og styreorganer (fig. 4) for til å begynne med slutter den første og andre omkopler for innstilling av spenningen på lagringselementene i forhold til den felles elektrode hvilke styreorganer deretter bryter den tredje omkopler og selektivt slutter og bryter tilhørende første og andre omkopler for å endre spenningen på utvalgte lagringselementer for å oppnå en utgangssignalspenning på de utgangsavfølende elektroder som er en funksjon av de samplede analoge signalspenninger og slutningen av noen av de første og andre omkoplere.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, omfattende et halv-ledersubstrat (10) av en første ledningsevnetype, et isolerende sjikt (11) anordnet på overflaten av substratet og et antall lagringselektroder (12) som er anordnet på det isolerende sjikt og som er forbundet med hverandre, k a r a k r terisert ved at hver lagringselektrode er tilordnet et første (15a) og et andre (15b) kildeområde og et første (l6a) og et andre (16b) flytende område i substrat-overflaten med motsatt ledningsevnetype i forhold til denne hvilke flytende områder er beliggende inntil sine tilhørende lagringselektroder for overføring av ladning, at en første styreelektrode (17a) er anordnet på det isolerende sjikt inntil det første område og en andre styreelektrode (17b) er anordnet på dét isolerende sjikt inntil det andre område, idet hver styreelektrode er innrettet for styring av overføringen av ladning fra det tilhørende kildeområde til det tilhørende flytende område langs en kanal som er dannet i substratet i avhengighet, av em på dette påtrykt styrespenwing, at hver av de første kildeområder er forbundet med samplede analoge signalkilder (Vsa) og hvert andre kildeområde er forbundet med den første referansespenningskilde (VR), og at styreorganer er anordnet for til å begynne med å kople den andre referansespenningskilde til de felles lagringselektroder (VP) og for tilførsel av styrespenning (01) til hver av de andre styreelektroder for innstilling av overflatespenningen på substratet under lagringselektrodene til den første referansespenning, hvilke styreorganer deretter kopler bort den andre referansespenningskilde og kopler styrespenningene- (02-01) fra utvalgte av de andre styreelektroder til sine tilgrensende første styreelektroder for å endre overflatespenningen på substratet under lagringselektrodene til den samplede analoge signalspenning for å oppnå en utgangssignalspenning på de felles lagringselektroder som er en funksjon av de samplede analoge signalspenninger og tilførsel av styrespenningene på enten de første eller andre styreelektroder.. 9^