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Vorrichtung zum Durchführen von Integrations- und Ballungsoperationen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Durchführen von Integraticns-
und Ballungs- oder Paketbildungsoperationen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
und betrifft die Verwendung der Ladungsverschiebungstechnik für diese Operationen.
Bekanntlich bestehen solche Operationen darin, daß ein elektrisches Signal während
einer gegebenen Zeitspanne integriert wird, das Ergebnis vom Integrator nach außen
abgegeben wird und die Schaltung schnell den Anfangszustand wieder einnimmt, worauf
sie die Operation zu einem von außen bestimmten Zeitpunkt erneut durchführen kann.
Dieses Vorgehen wird häufig auf dem Gebiet der Fernmeldetechnik und der Steuerung
durchgeführt, um Vorgänge wie die Signalfeststellung, die Unterdrückung von Rauschbestandteilen
usw. durchzuführen.
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Es sind verschiedene Arten von Integratoren bekannt, die RC-Netzwerke
verwenden. Am üblichsten sind derartige Schaltungen, bei denen das RC-Netzwerk die
Rückkopplungsschaltung eines Operationsverstärkers ist, oder auch solche, bei denen
das RC-Netzwerk mit einer als Abtasttor wirkenden Diodenbrückeverbunden ist. Diese
beiden Arten weisen jedoch eine Vielzahl von Nachteilen auf.
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So liefert der einen Operationsverstärker verwendende Integrator ausgangsseitig
das Integral des Eingangssignals nur unter der Idealbedingung einer unendlichen
Verstärkung des Verstärkers.
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Außerdem sind die sogenannte Verstärkerverschiebung (Offset) und die
Effekte der Polarisationsströme zu berücksichtigen, da sie das Integrationsintervall
zeitlich begrenzen, trotz ihrer zyklischen Eliminierung durch die Wiederherstellung
des Anfangszustands. Die Integratoren mit dem Abtast~tor liefern ein Ausgangssignal,
das selbst in den günstigsten Fällen das Integral des Eingangssignals nur annähert.
Diese günstigen Fälle erfordern eine hohe Zeitkonstante für das RC-Netzwerk, was
die Funktionsgüte der Vorrichtung begrenzt. Es ist leicht zu zeigen, daß die Wiederherstellung
des Anfangs zustands schwierig ist und daß das Durchführen sehr langer Integrationszyklen
unmöglich ist. Außerdem ist die Zeitkonstante festliegend.
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Diese Nachteile werden durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete
Erfindung vermieden, gemäß der es durch Verwendung eines Ladungsverschiebungselements
möglich ist, ein Signal zu liefern, das stets das Integral eines eingangsseitig
anliegenden elektrischen Stromsignals wiedergibt, ohne daß eine nennenswerte Ausgangsverschiebung
auftritt, das außerdem die automatische Wiederherstellung des Anfangszustands ermöglicht
und schließlich die Durchführung wiederholter Integrationen selbst in unregelmäßigen
Zeitabständen erlaubt.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus
den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine integrierende
und ballende Vorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 2 eine mögliche
Folge von Zeitsignalen in der Vorrichtung.
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nach Fig. 1; Fig. 3 und 4 zwei aus einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen
Vorrichtungen bestehende Schaltungen.
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Die Erfindung wird im einzelnen nach einer kurzen Darstellung der
zugrundeliegenden theoretischen Prinzipien beschrieben.
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Eine Ladungsverschiebungsschaltung kann ein stetiges Signal durch
eine von der Schaltung durchgeführte Abtastoperation in dem Signalverlauf entsprechende
elektrische Ladungspakete umwandeln, die innerhalb eines Halbleiterbauteils gespeichert
und verschoben werden können, und zwar entsprechend einer von außen bestimmten Rate.
Aus der Schaltung kann dann ein der gespeicherten Ladung proportionales Signal abgenommen
werden.
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Aufgrund dieser Charakteristiken werden die Ladungsverschiebungsschaltungen
gewöhnlich als Halbleiterspeicher, als Verzögerungsstrecken für transversale oder
rekursive Filter, als Korrelatoren usw. oder auch als optische Sensoren, bei denen
innerhalb des Halbleiteraufbaus elektrische Ladungspakete durch Lichtstrahlung erzeugt
werden und die Ladungsverschiebungsschaltung der Träger zum Verschieben der Information
über die Lichtstrahlung nach außen ist, verwendet.
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Untersuchungen, die zur Erfindung geführt haben, haben gezeigt, daß
eine Ladungsverschiebungsschaltung, die eingangsseitig einen Strom i(t) empfängt
und ihn in eine Ladungsmenge qi(t) umwandelt, im Prinzip ein integrierendes Element
ist. Tatsächlich besteht zwischen der Ladungsmenge qi(t), die in der Schaltung gespeichert
ist, und dem Strom i(t) die bekannte Beziehung
Die Ladungsverschiebungsschaltung eignet sich also für Integrations-
und Ballungsvorgänge der eingangs beschriebenen Art. Die Erfindung bezieht sich
auf diese neue Anwendung von Ladungsverschiebungsschaltungen.
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Es sei nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine als Integrator ID bezeichnete
erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben. Der Integrator ID umfaßt im wesentlichen
einen Generator GC für den Eingangsstrom i(t), eine Ladungsverschiebungsschaltung
CTD in Form eines Elements, das gemäß der Zeichnung aus einer Verzögerungsstrecke
mit einer Einleitstufe EO und drei Elektroden El, E2 und E3 besteht, einen Zeit-
oder Taktgeber CK und eine Ausgangsschaltung CU, die das Abnehmen einer Ausgangsspannung
V0 von den gespeicherten Ladungspaketen ermöglicht.
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Der Generator GC ist so aufgebaut, daß er aus einem kontinuierlichen
Eingangssignal s(t) einen Strom i(t) macht, der mit den dynamischen und den Eingangscharakteristiken
der Einleitstufe EO der Ladungsverschiebungsschaltung CTD kompatibel ist. Beispielsweise
kann GC ein Stromverstärker sein, falls das Signal s(t) ein Stromsignal ist, oder
ein Transkonduktanzverstärker, falls das Signal s(t) eine Spannung'ist.
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Der Zeitgeber CK hat die Aufgabe, das Betätigungssignal für die Einleitstufe
EO zu erzeugen und den Elektroden E1, E2, E3 der Verschiebungsstrecke die Speicher-
und Verschiebungsrate der Ladungspakete zuzuteilen, nachdem einmal der Anfangszeitpunkt
to der Integrationsoperation und die Dauer r des Integrationsintervalls bestimmt
worden sind.
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Fig. 2 zeigt qualitativ eine mögliche Form der vom Zeitgeber CK erzeugten
Signale. Zur Hervorhebung der Zuordnung zwischen den Signalen und den von diesen
Signalen gesteuerten Teilen von CTD sind die Signale mit eO, e1, e2 bzw. e3 bezeichnet.
Die praktische
Ausführungsform von Zeitgeberschaltungen dieser
Art gehört zur üblichen Fachtechnik und wird hier nicht im einzelnen beschrieben.
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Die als Verzögerungsstrecke geschaltete Ladungsverschiebungsschaltung
CTD gemäß Fig. 1 umfaßt, wie angegeben, die Einleitstufe EO und die drei Elektroden
El, E2 und E3, von denen die letzte mit der Ausgangsschaltung CU verbunden ist.
Die Einleitstufe EO wirkt als "Tor", das während der Zeitspanne von to bis tO+r
geöffnet ist, um so zu ermöglichen,daß der Strom i(t) in die Schaltung CTD injiziert
wird. Sie kann jedes beliebige schaltbare Element sein, das alternierend eine hohe
und eine niedrige Impedanzstufe aufweist.
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Beim dargestellten Beispiel ist die Einleitstufe EO beispielsweise
eine Diode, die leitet, wenn das Signal eO eine niedrige Spannung hat, also im Intervall
to bis tO+r in Fig. 2. Entsprechend gilt, daß, wenn e1 , e2 und e3 auf niedriger
Spannung ste.-hen, die Ladungspakete, nämlich beim beschriebenen Beispie-l Minoritätsträger,
die dem bei EO eingeleiteten Strom entsprechen, unter den entsprechenden Elektroden
El, E2 bzw. E3 gespeichert werden.
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Der genaue Aufbau einer Vorrichtung wie der Schaltung CTD ist in der
technischen Literatur beschrieben worden (z. B. ELEKTP-NIK 1974, Beft 1, Band 23,
Seiten 3 bis 8), so daß sich eine ins einzelne gehende Beschreibung hier erübrigt.
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Die Ausgangsschaltung CU ist so aufgebaut, daß sie- das Abnehmen der
Ladungspakete von der Elektrode E3 der Ladungsverschiebungsschaltung CTD ermöglicht
und ausgangsseitig eine Spannung abgibt, die linear von der Ladung an der Elektrode
E3 abhängt. Auch derartige Ausgangsschaltüngen sind an sich bekannt. Die Wahl einer
speziellen
Schaltung hängt von der Art der verwendeten Ladungsverschiebungsschaltung CTD und
von der Zahl und Gestaltung ihrer Elektroden ab. Die gesamte beschriebene Vorrichtung
kann als ein einziger integrierter Schaltkreis verwirktlicht sein. Sie arbeitet
folgendermaßen: Zum Zeitpunkt to, der als der Zeitpunkt angenommen wird, zu dem
die Integrationsoperation starten soll, schaltet das vom Zeitgeber CK kommende Signal
eO die Einleitstufe EO durch, so daß der Strom i(t) in den Bereich unter der Elektrode
El fließt.
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Gleichzeitig wird diese Elektrode El durch e1 so polarisiert, daß
sie unter sich die vom Strom i(t) eingeleitete Ladung in Form eines Pakets von Minoritätsträgern
speichern kann.
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Zum Zeitpunkt to+r schließt das Tor der Einleitstufe EO, der Einleitvorgang
ist vorüber und das immer noch unterhalb El befindliche Ladungspaket wird von der
Eingangsdiode isoliert und verbleibt dort gespeichert. Zum Zeitpunkt t1 erreicht
das Signal e1 wieder den hohen Pegel und das Signal e2 verringert sich auf den niedrigen
Pegel und bleibt in diesem Zustand bis zu einem Zeitpunkt t2. Die Ladung wird dadurch
unter die Elektrode E2 verschoben und verbleibt dort bis zum Zeitpunkt t2, zu dem
e2 wieder einen hohen Pegel einnimmt. Gleichzeitig geht das Signal e3 bis zu einem
Zeitpunkt t3 auf niedrigen Pegel. Während dieser Zeitspanne ist die Ladung unterhalb
E3 gespeichert und kann dann von der Ausgangsschaltung CU abgenommen und ausgangsseitig
als Spannungshöhe abgegeben werden. Sodann kann ein neuer Integrationszyklus unter
El begonnen werden. Da die Ausgangsspannung von CU linear von der Ladungsmenge abhängt,
ergibt es sich, daß ihr Ausgangssignal proportional dem Integral des Eingangssignals
ist. Aufgrund der Natur der Schaltung CTD wird diese Bedingung auch im Fall aufrechterhalten,
daß der Generator GC nicht optimal funktioniert.
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Die Ladungsverschiebung von El nach E2 hat die Funktion einer nichtzerstörenden
Wiederherstellung des Anfangszustands, da die zunächst unter El gespeicherte Ladung
unter E3 bis zum gewünschten Zeitpunkt für den Beginn einer neuen Integrationsoperation
aufrechterhalten werden kann.
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Die Dauer Y eines Integrationszyklus und der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden
Zyklen kann leicht von außen durch Beeinflussung des Zeitgebers CK verändert werden.
Fig. 2 zeigt, daß die Dauer ir des Integrationsintervalls seine obere Grenze bei
der Dauer t1-to, also der Speicherphase der unterhalb der Elektrode El (Fig. 1)
eingeleiteten Ladungen hat. In gleicher Weise hat der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Integrations-und Ballungszyklen seine untere Grenze in einer Periode T, die notwendig
ist, um in Übereinstimmung mit der Lesestellung (E3 in der Ausführungsform nach
Fig. 1) das Ladungspaket zu verschieben, das als Ergebnis der unterhalb El bewirkten
Integration erhalten wurde.
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Zur Überwindung dieser Beschränkungen und zur noch größeren Flexibilität
des Gegenstands der Erfindung können Netzwerke, die aus einer Mehrzahl von Integratoren
bestehen, verwendet werden, beispielsweise gemäß den Fig. 3 und 4.
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Fig. 3 zeigt eine Mehrzahl identischer Integratoren ID1, ID2, ...
IDn, beispielsweise der in Fig. 1 dargestellten Art, die mit den Ausgangsklemmen
eines Demultiplexers DMX verbunden sind, der das Signal s(t) sequentiell zu den
Integratoren ID1, ID2, IDn überträgt. Ein Multiplexer MX ermöglicht es, die von
den Integratoren ID1, ID2, ... IDn ausgehenden Signale in sequentieller Form anzuordnen.
Wenn der Betrieb von DMX so abgestimmt ist, daß die Einleitstufe jedes der Integratoren
ID betätigt wird, sobald der vorhergehende Integrator die Integration des unter
seiner Elektrode El eingeleiteten Stromes beendet hat, ergibt
sich
ersichtlich nicht mehr die Beschränkung des Abstands zwischen aufeinanderfolgenden
Integrationszyklen, die im Fall eines einzigen Integrators besteht; jedoch bleibt
die Möglichkeit, die Dauer der einzelnen Integrationszyklen nach Wunsch zu bestimmen.
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Bei der Anordnung nach Fig. 3, bei der die individuellen Integrationsintervalle
unmittelbar aufeinanderfolgen können, kann auch eine unterbrechungslose Integration
und Paketierung des Signals s(t) über der Zeit erfolgen.
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Fig. 4 zeigt eine Schaltung, die aus einer Mehrzahl von parallel geschalteten
Integratoren IDa, IDb, ... IDm bestehen. Jeder der Integratoren ist in Reihe mit
einem Schalter Sa, Sb, ... bzw.
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Sm geschaltet, der dann geschlossen ist, wenn die Einleitstufe des
betreffenden Integrators angesteuert ist. Durch diese Anordnung werden der Anfang
und die Dauer der Integrationsintervalle der einzelnen Integratoren unabhängig voneinander.
Im einzelnen kann, falls erwünscht, das Integrationsintervall eines der Integratoren
teilweise oder insgesamt das Integrationsintervall eines oder mehrerer anderer Integratoren
überlappen, es kann daran angrenzen oder es kann hiervon vollständig getrennt sein.
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Durch geeignete Wahl der Elektrodenzahl und der Verschiebungsrate,
die von der bei der Herstellung der Schaltung CTD angewandten Technologie abhängt,
für die einzelnen Integratoren kann das Ergebis der Operation innerhalb jedes Integrators
bis zu einem Zeitpunkt gespeichert werden, zu dem es mit den Ergebnissen der von
anderen Elementen der Schaltung zu unterschiedlichen Zeitspannen durchgeführten
Operationen gebraucht wird. Auf diese Weise können diese Ergebnisse für weitere
Verarbeitungsstufen des Eingangssignals s(t) verwendet werden, beispielsweise für
Vergleichsoperationen.
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Sofern die Zahl der Elektroden eines Integrators ausreichend ist,
hindert ersichtlich das Speichern des Ergebnisses einer Operation nicht die Eingangsstufe
des Integrators bei der vorübergehenden
Durchführung eines weiteren
Integrationszyklus.
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Es wird darauf hingewiesen, daß die Schaltungen nach den Fig. 3 und
4 leicht als einzelne integrierte Schaltkreise hergestellt werden können.
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Die beschriebenen Beispiele können in verschiedener Weise abgewandelt
werden. Beispielsweise betrifft die Beschreibung eine Verzögerungsstrecke mit drei
Elektroden, wobei der Auslesezeitpunkt mit dem Zeitpunkt der Wiederherstellung des
Anfangszustands übereinstimmt, jedoch kann durch geeignete Wahl der geometrischen
Konfiguration der Elektroden deren Anzahl verändert und/oder eine Konstruktion erhalten
werden, bei der, wie erwähnt wurde, eine neue Integrationsoperation durchgeführt
werden kann, bevor das Ergebnis der vorhergehenden Operation nach außen abgegeben
wird. Änderungen der Zahl und der Konfiguration der Elektroden beeinflussen die
Wahl der Art der Ausgangsschaltung CU.
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Die Beschreibung befaßt sich mit einem Verfahren des Injizierens des
Stroms i(t) mit Hilfe der Diode der Einleitstufe EO und der Elektrode El der Verzögerungsstrecke,
da ein derartiges Einleitverfahren am einfachsten ist. Es sind jedoch auch andere
aus der technischen Literatur bekannte Verfahren des Einleitens möglich.
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Fig. 1 zeigt als Ladungsverschiebungsschaltung CTD eine ladungsgekoppelte
Schaltung (CDD). Es können jedoch auch andere Arten derartiger Verschiebungsschaltungen
verwendet werden, beispielsweise ladungsgekoppelte Schaltungen mit versenktem Kanal
(BCCD), Eimerkettenschaltungen (BBD), peristaltische ladungsgekoppelte Schaltungen
(PCCD) usw.
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