DE2727504A1 - Ladungsuebertragungs-transversalfilter - Google Patents
Ladungsuebertragungs-transversalfilterInfo
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Description
<ό 272750t
BöblIngen, den 16. Juni 1977 bu-bd/bb i
AnmelderIn:
International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen der
Anmelderin:
Anmelderin:
YO 975 071
Vertreter:
Patentanwalt
Dipl.-Ing. Robert Busch Böblingen
Bezeichnung:
LADUNGSÜBERTRAGÜNGS-TRANSVERSALFILTER
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.
Transversale Filter mit einstellbaren Bewertungsfaktoren, bestehend aus Eimerkettenschieberegistern sind an sich bekannt.
Ein Beispiel hierfür findet sich in der USA Patentschrift 3 809 923. Die dort gezeigte Anordnung verwendet ein
Transversalfilter unter Anwendung einer Ladungsübertragung, jwobei das Problem des Ladungsschwundes über die mit den
Stufenkapazitäten gekoppelten Widerstände durch Aufladen der Stufenkapazitäten über Bewertungsstromaufteiler überwunden
wird.
In der Veröffentlichung "An Electrically Programmable LSI
Transversal Filter for Discrete Analog Signal Procressing (DASP)", von D. R. Lampe, M. H. White, J. H. Mims und J. L.
Fagan, Report ECOM Contr. Nr. DAABO 7-73-C-O337, Westinghouse Electric Corporation, Defense and Electronic Systems
Center, Systems Development Division, Baltimore, Maryland 21203, ist eine Kombination von ladungsträgergekoppelter Anordnung
und programmierbarer MNOS-Speicherbank beschrieben, mit Hilfe derer die Operationen der übertragung, Multiplikation
und Aufsummierung durchführbar sind, um eine anpassungsfähige übertragungsfunktions-Anordnung bereitzustellen. Doch ist
hierbei die Filterübertragungsfunktion nicht von einem der
zugeführten Analogsignale gesteuert; statt dessen sind die Anzapfwerte unter Ausnutzung von MNOS-Leitwerten elektronisch
einstellbar bzw. justierbar.
Ander· Veröffentlichungen aus diesem Problemkreis sind:
"Bucket Brigade Transversal Filters", C. M. Puckette u.a. in "IEEE Transactions on Circuits and Systems", Bd. CAS-21,
Nr. 4, JuIi 1974, S. 502; "Programmable Bandpass Filter and Tone Generator Using Bucket Brigade Delay Lines";, von D. A.
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i
j Smith u.a. in "IEEE Transactions on Circuits and Systems," 'Bd. CAS-21, Nr. 4, JuIi 1974, S. 597; "Transversal Filtering Using charge-Transfer Devices" von D. D. Buss u.a. in "IEEE ;J. Solid-state Circuits", Bd. SC-8, Nr. 2, April 1973, S. 138; USA Patent Nr. 3 819 958; "Analogue Correlators Using Charge Coupled Devices", von J. G. Harp, u.a. in "Int. Conf. on the Appl. of CCDs", NELC - San Diego, 1975, Seiten 229-235.
i
j Smith u.a. in "IEEE Transactions on Circuits and Systems," 'Bd. CAS-21, Nr. 4, JuIi 1974, S. 597; "Transversal Filtering Using charge-Transfer Devices" von D. D. Buss u.a. in "IEEE ;J. Solid-state Circuits", Bd. SC-8, Nr. 2, April 1973, S. 138; USA Patent Nr. 3 819 958; "Analogue Correlators Using Charge Coupled Devices", von J. G. Harp, u.a. in "Int. Conf. on the Appl. of CCDs", NELC - San Diego, 1975, Seiten 229-235.
Unter diesen Voraussetzungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Transversalfilter zur Verarbeitung von Analogsignalen
bereitzustellen, um Faltungs- und/oder Korrelations-I
funktions-Analogsignale vorzugsweise für den Gebrauch in der !zeichenerkennung, Sprachanalyse, Seismik und dgl. in relativ
!einfacher Weise zu erhalten.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist. Demnach sind
also zwei Ladungsübertragungsstrukturen vorgesehen, die äquivalente
Übertragung und Echtzeit-Geschwindigkeitseigenschaften bei Eingangsanalogsignalen zu gewährleisten und zwar
unter Anwenden von Ubertragungsfunktionregistern. Hierbei
wird zeitweilig die nicht zerstörbare Ladungsaddition an
Feldeffekttransistorgates ausgenutzt, um eine nichtlineare Produkttermfunktion au liefern. Eine vorteilhafte Ausgestaltung
des Transversalfilters gemäß der Erfindung enthält eine Analogschaltungsfunktions- oder Korrelationsanordnung
mit Bewertungsabgriffen, die mittels eines zweiten Analogsignals gesteuert werden. In vorteilhafter Weiterbildung der
Erfindung 1st die FaItungsfunktions- und Korrelationsfunktionsanordnung
wahlweise einstellbar, indem die die quadratischen Charakteristiken von MOSFET-Bauelementen in Verbindung
mit Ladungsübertragungs-Analogsignalverarbeitung ausgenutzt wird.*
Aus dem oben aufgeführten Stand der Technik geht nicht hervor, daß Ladungen an Gateelektroden einzelner reldeffekttransisto—
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ren nachbildbar sind oder zeitweilig addiert werden können, und schon gar nicht daß Eingangssignal und Bezugssignal in
einem Schieberegistersystem zu verschieben sind. Außerdem ist nicht gezeigt, daß Ladungsträgerkopplungsanordnung und
MNOS-Speicher gleichwertige Strukturen darstellen.
1 Weitere Vorteile der Erfindung lassen sich den Unteran-
', Sprüchen entnehmen.
Anschließend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung
mit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert.
:Es zeigen:
j Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Transversalfilters,
■ gemäß der Erfindung,
i Fig. 2Au. 2B in entsprechender Zusammenfügung gemäß über-
■ sieht in Fig. 2 ein Blockdiagramm eines
i gemäß der Erfindung, unter Verwendung der
: Ladungsträgerkopplungstechnologie,
i Fig. 3 Ein anderes Ausführungsbeispiel des Trans-,
versalfilters gemäß der Erfindung unter Ver-
• wandung der Eimerketten-Technologie.
Der Betrieb eines Transversalfilters läßt sich durch eine
übertragungsfunktion h charakterisieren, wobei der Ausgang g des Filters eine Faltung der übertragungsfunktion h darstellt.
Hit der Eingangsfunktion f für einzelne Signale oder Datensignalproben gilt dann:
g (n) - σ h (m) f (n-m)
m » - «·
m » - «·
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Drei Operationen sind im Faltungsprozeß eingeschlossen, nämlich: Übertragung, Punkt-für-Punkt-Multiplikation und Summierung
bzw. Integration. Im allgemeinen lassen sich Verzögerungsleitungs-Schieberegister
zur Übertragung verwenden, wobei bewertete Abgriffe zur Multiplikation und Stromoder
Ladungssummierung zur Integration herangezogen werden.
Das in Fig. 1 gezeigte Prinzipblock-Schaltbild zeigt ein Transversalfilter, bestehend aus zwei Ladungsübertragungs-Verzögerungsleitungen
für die eigentliche übertragung, bei dem jeweils entweder eines oder beide Signale (f) und (h), in
vorliegender Abhandlung als Eingangssignale (f) und übertragungs funktionssignale (h) bezeichnet, hin- und hergeschoben werden können; oder eines stationär gehalten wird,
während das andere verschoben wird. Damit läßt sich dann eine Korrelation ebensogut wie eine Faltung durchführen.
Je nach Anwendung braucht also eine vorgesehene Schieberegisterausführung,
wie z.B. in Fig. 3, nicht für eine Ladungsübertragung in reversibler Richtung ausgelegt zu sein.
Die in Fig. 1 vorgesehenen Ladungsübertragungschieberegister-Verzögerungsleitungen 10 und 12 enthalten die Stufen
oder Einheiten 10-1, 10-2, 10-3,..., 10-K und 12-1, 12-2, 12-3, ..., 12-K. Die Eingangsanalogsignale (f) werden
in das Schieberegister 10 und die übertragungsfunktions-Analogsignale
(h) in das Schieberegister 12 eingegeben.
Die Schieberegister 10 und 12 bestehen für sich aus üblichen
Ladungsübertragungs-Anordnungen bekannter Bauart, die sich entweder in Ladungsträger-Kopplungs- oder Eimerkettenn- Baugruppen
gemäß den Fign. 2 und 3, realisieren lassen. Die diskreten Analogabtastproben der Ladung, die den (f)-Signalen
und den (h)-Signalen entsprechen, werden entweder unten oder oben in die in Fig. 1 gezeigten Schieberegister 10 und 12
eingegeben, um diese Signale dann nach oben, bzw. nach unten
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entweder in gleicher oder zueinander entgegengesetzter Richtung zu verschieben; andererseits kann auch ein Signal stationär
gehalten werden, wohingegen das andere Signal dann nach oben oder unten verschoben wird.
Ganz allgemein läßt sich sagen, wenn eine Korrelationsfunktion
verlangt wird, werden beide Signale in gleicher Richtung; und wenn eine FaItungsfunktion erwünscht ist, werden
beide Signale in zueinander entgegengesetzten Richtungen verschoben. Bei der Anordnung nach Fig. 1 versteht es sich,
daß die Verschiebung durch Anwenden von Taktgeberiinpulsen und Folgesteuermitteln durchgeführt wird, die auf die Schieberegister
einwirken, bzw. den Schieberegistern zugeordnet sind, jedoch hier nicht näher gezeigt sind, da entsprechende Maßnahmen
zum Stande der Technik gehören oder andernfalls den
Anordnungen nach den Fign. 2A und 2B bzw. Fig. 3 zu entnehmen sind.
Entsprechende Stufen oder Einheiten beider Ubertragungs- :
schieberegister sind jeweils über Signalverarbeitungsmittel 14, enthaltend Addierer, Quadrierer und Summierer miteinander
verbunden. Speziell sind hierbei Einheiten oder Stufen 10-1 j und 12-1 mit Addierer 16-1 verbunden, dessen Ausgang am Ein- j
gang des Quadrierers 18-1 liegt, der seinerseits mit dem j Summierer 20-1 verbunden ist. In gleicher Heise sind die
Stufen bzw. Einheiten 10-2 und 12-2 mit dem Addierer 16-2 verbunden, dessen Ausgang am Quadrierer 18-2 liegt, der seinerseits
wiederum mit dem Summierer 20-2 verbunden ist. Das gleiche gilt für alle folgenden Stufen, bzw. Einheiten 10-K
und 12-K, die allgemein mit dem jeweiligen Addierer 16-K verbunden
sind, dessen Ausgang am Eingang des jeweiligen Quadrierers 18-K liegt, der seinerseits dann mit dem jeweils zugeordneten
Summierer 20-K verbunden ist.
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Bel Betrieb werden die einzelnen Abtastproben der Ladung für
die Analogsignale (f) und (h) In die Schieberegister 10 und
12 eingegeben, Indem jeweils die Inhalte entsprechender
Schlebereglsterstufen oder Entsprechungen hiervon mit Hilfe der Addierer 16-1, 16-2, 16-3 ..., 16-K addiert und die jeweils
erhaltenen Ergebnisse mit Hülfe der Quadrierer 18-1, 18-2, 18-3, ..., 18-K quadriert werden. Die sich jeweils beim
Addieren und Quadrieren ergebenden Resultate werden dann aufsummiert,
um einen Term für eine Faltungs- oder Korrelationsfunktion bereitzustellen. Anschließend findet eine Verschiebeoperation
in einem oder beiden Schieberegistern 10 und 12 statt und zwar jeweils in ausgewählten Richtungen, bzw. ausgewählter
Richtung, um das Addieren, Quadrieren und Summieren für die in den entsprechenden Schieberegisterstufen erhaltenen
neue Kombinationnen zu wiederholen. Vorgenannte Operation wird fortgesetzt, bis alle gewünschten Abtastproben der (f)-
und (h)-Signale verarbeitet sind.
So enthalten bei jedem Schritt in der Operationsfolge die ,
Schieberegisterstufen 10-1, 10-2, 10-3, ..., 10-K und 12-1, 12-2, 12-3, ..., 12-K gewissermaßen Ladungspakete, die jeweils
Analogabtastproben der Signale (f) und (h) entsprechen. Die Addierer 16-1, 16-2, 16-3, ... 16-K und die Quadrierer
18-1, 18-2, 18-3, ..., 18-K werden jeweils durch Feldeffekttransistoren dargestellt. Bei jedem Operationsschritt wird
die jeweils in den Schieberegisterstufen enthaltene Ladung zeitweilig auf die Gateelektrode des zugeordneten Feldeffekttransistors
verschoben. Als Alternative hierzu läßt sich die jeweils in den Schieberegisterstufen enthaltende Ladung gewissermaßen
kopieren, wobei dann diese "Kopie" übertragen und nach Bearbeitung jeweils zerstört wird. In jedem Falle wird
die jeweils in die Schieberegisterstufen 12-1 und 10-1 enthaltende Ladung am Gate des zugeordneten Addiererfeldeffekt-Transistors
addiert, ebenso wie es für die in den Schiebere-
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gisterstufen 12-2 und 10-2 enthaltende Ladung usw. jeweils
der Fall ist. Die Addition am Gate jedes Addiererfeldeffekt-Transistors ruft eine entsprechende Spannungsänderung an der
jeweiligen Gateelektrode hervor, die ursprünglich auf Schwellenwert gelegen hat. Die Spannung läßt sich ausdrücken durch
(V - V^). Der Stromfluß über den jeweiligen Feldeffekttransistor
ist infolge seiner Charakteristik proportional dem Quadrat dieser Spannungsänderung. Der Strom ergibt sich
aus folgender Beziehung:
Ladungspakete in entsprechend zugeordneten Schieberegisterstufen der Schieberegister 10 und 12 dar. Unter dieser VorrausSetzung
läßt sich schreiben:
- 2f (n-m) V..+ 2h (m) f (n-m) (2) tn
Diese Gleichung steht für die quadratische Funktion des jeweiligen Feldeffekttransistors, bei dem der Ausgangsstrom
proportional dem Quadrat der Differenz aus Gatespannung V
und Schwellenwertspannung V^ ist. Die Ströme werden anschließend
summiert, so daß sich ein Ausgangsstrom wie folgt ergibt:
M + M
I (n) - ° E I(m,n) (3)
I (n) - ° E I(m,n) (3)
m - MÄ
ο
ο
Hierin bedeuten M einen willkürlich gewählten Bezugspunkt
zur ttbertragungs- oder Verschiebeoperation. Wenn h und f
von endlicher Länge sind, und M dem zweifachen ihrer Länge entspricht, dann lassen sich die Summierungsgrenzen nach
unendlich verschieben und die Variablen wie folgt ändern:
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I (η)
h2 | 4k - yi - |
2(m) + V2^1 | - 2h (m) | |
OB Σ |
2h | (m) + f | (n-m) | (4) |
OB Σ m ■ - |
(m) f | |||
Es ist zu beachten, daß der Ausgangsstrom aus einem konstanten Term plus dem Faltungsausdruck besteht:
OB
1 (n) m konstant + Σ 2h (m) f {n-m) (5)
m = - o»
Sowie h und f zu den Enden des endlichen Ausdrucks gelangen, flukturieren die Terme, die zur ersten Summe in Gleichung (4)
beitragen; jedoch sind diese Änderungen Kn) - I(n-1) in der Größenordnung des Ausmaßes der Korrelationsspitze dividiert
durch die Länge der Eingangsfolgen für angepaßte Funktionen
f und h, so daß ein Tiefpaßfilter in Verbindung mit einem Schwellenwert oder entsprechendes, diesen Fluktuationstyp
in einer langen, für viele Abtastproben vorgesehenen Anordnung eliminieren.
Fig. 1 zeigt lediglich ein grundlegendes Funktionsschema-Blockdiagramm
der erfindungsgemäßen Anordnung und läßt sich mit Hilfe von Ladungsübertragungsanordnungen verwirklichen,
wie z.B. ladungsträgergekoppelten Halbleiteranordnungen und Eimerketten-Halbleiteranordnungen jeweils in Verbindung mit
Feldeffekttransistoren. Fig. 2A und 2B zeigen ein spezielles Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, basierend auf Ladungsträger-Kopplungstechnik,
während Fig. 3 ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung in Eimer—Kettentechnik
zeigt.
Die Fign. 2A und 2B sind wie in Fig. 2 schematisch gezeigt, aneinander angeschlossen. Hierin enthält die Verarbeitungs-
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AS
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mittelanordnung 14 vier ladungsträgergekoppelte Bauelemente mit Elektroden, die jeweils den Stufen 10-1, 10-2, 10-3,...,
10-K und 12-1, 12-2, 12-3, ..., 12-K zugeordnet sind. Die
vier Elektroden in Schieberegisterstufe 10-1 sind mit 22-1, 22-2, 22-3 und 22-4 bezeichnet, wohingegen die vier Elektroden
in Schieberegisterstufe 12-1 mit 24-1, 24-2, 24-3 und 24-4 bezeichnet sind. Die anderen Schieberegisterstufen in
den Schieberegistern 1O und 12 sind identisch zu den Schieberegisterstufen
10-1 und 12-1 aufgebaut, mit Ausnahme der jeweiligen Ladungseingangs- und Ausgangsstrukturen an den
Schieberegisterenden.
Ladungsträgergekoppelte Schieberegister, die sich in den Schaltungsanordnungen nach Fig. 2A und 2B verwenden lassen,
sind an sich bekannt. Theorie und Betrieb von ladungsträgergekoppelten Strukturen sind ausserdem im Buch "Charge Transfer
Devices" von Carlo H. Sequin und Michael F. Tompsett, "Academic Press", Inc., 1975 Bell Telephone Laboratories, Ine,
beschrieben. Die in Fign. 2A und 2B beschriebenen ladungsträgergekoppelten Schieberegister sind wie ersichtlich vom
vier-Phasen-Takt-typ, wobei in jeder Schieberegisterstufe die I vier Elektroden jeweils mit einem der Taktgeberanschlüsse
j 30-1, 3O-2, 3O-3, 30-4 und andererseits 40-1, 40-2, 40-3,
! 40-4 verbunden sind. Im einzelnen ist eine hier angegebene ! vier-Elektroden-ladungsträgergekoppelte-Zellenstufe auf
den Seiten 23 bis 25 des oben genannten Buches beschrieben.
Das in den Fign. 2A und 2B beschriebene, spezielle Ausführungsbeispiel
ist derart ausgelegt, daß für eine Faltungsfunktion die (f)-Signale oben in das Schieberegister
10 und die (h)-Signale unten in das Schieberegister 12 eingegeben werden. Das Analogladungssignal (f) wird über eine
Diffusionszone 23 vom Schieberegister 10 übernommen und wird
abgetastet sowie in die erste Stufe 10-1 verschoben und zwar mit Hilfe der Elektrode 25 und mit Hilfe eines Abtaststeuer-
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signals über Zuleitung 26. Das gleiche Verfahren wird für
das (h)-Signal angewendet, das über eine Diffusionszone 28
und eine Elektrode 32 unter Steuerung eines Abtastsignals über Zuleitung 36 in das Schieberegister 12 eingegeben wird.
Nach einer einleitenden Periode zur Auffüllung jedes Schieberegisters, wie oben im Zusammenhang mit den Fluktuationstennen beschrieben, führt die Schaltungsanordnung gemäß den
Fign. 2A und 2B die gewünschte FaItungsfunktion gemäß der
Gleichung (5) durch.
Die Signalverarbeitung wird anhand der Schieberegisterstufen 10-1 und 12-1 beschrieben, wobei sich versteht, daß gleiche
Abläufe bei den anderen Schieberegisterstufen stattfinden. Die Ladungsprobe an der Elektrode 22-1, der Schieberegisterstufe
10-1 wird unter Steuerung eines Taktgeberimpulses auf Zuleitung 44 auf die Elektrode 42 übertragen. In gleicher
Weise wird die Ladungsprobe an der Elektrode 24-1 der Schieberegisterstufe 12-1 unter Steuerung eines Taktgeberimpulses
auf Zuleitung 50 auf die Elektrode 48 übertragen.
Die hierdurch bedingte Spannungsänderung führt zu einer Stromänderung über den Feldeffekttransistor, d.h. des Stromes
j von Zuleitung 60 über Source-Drain-Elektroden des Feldeffekttransistors
54, wobei die sich dann ergebende Stromänderung
! aufgrund der typischen Feldeffekttransistor-Charakteristiken
proportional dem Quadrat der entstandenen Spannungsänderung
2 ist. Dies entspricht dem V (m,n) - V.. -Term, wie er oben
*J bit
im Zusammenhang mit Fig. 1 behandelt ist. Die sich aus allen Feldeffekttransistoren, wie Feldeffekttransistor 54, ergebenden
Ströme, aufgrund ähnlicher Wirkungen auch der anderen Schieberegisterstufen, werden auf der Ausgangsleitung 62
summiert, so daß ein Gesamtausgangsstrom entsteht, der einem
Term der Ausdrücke (4) und (5) wie oben abgehandelt, genügt, bzw. einen solchen darstellt.
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Weitere Taktgebersignale treten auf den Zuleitungen 30-1 bis 30-4 und 40-1 bis 40-4 auf, um die Ladungspakete zur
jeweils nächsten Schieberegisterstufe zu verschieben, um jeweils so weiteres Addieren, Quadrieren und Stromsummieren
durchzuführen. Dies ftihrt jeweils zu einem anderen Term der
Ausdrücke (4) und (5). Dieser Ablauf wird in der gezeigten Weise für die gewünschten Zeitperioden der (f)- und (h)-Analogsignale
durchgeführt.
Weiterhin läßt sich die Filtercharakteristik (h) modifizieren oder nachbessern, indem ein Korrektions- oder Fehlerdifferenzterm
über Schieberegister 12 eingetaktet wird und die Korrekturwerte den Ladungspaketen unter den Elektroden
48 sowie alle anderen entsprechenden Elektroden unter entsprechender Ansteuerung des Ubertragungsgates 50 zugefügt
werden. In gleicher Weise lassen sich Inkrementänderungen bei den Eingangssignalen (f) anbringen, indem Übertragungsstruktur 44 mit zugeordneten Elektroden 42 usw. Verwendung
findet.
Ein Phasen- oder Taktgebersignal auf Zuleitung 56 sowie ein entsprechender Spannungspegel auf der Zuleitung 60 läßt
den Feldeffekttransistor 58 sowie alle anderen entsprechenden Feldeffekttransistoren das Gate 52 sowie alle anderen
entsprechenden Gates auf einen entsprechenden Schwellenwert einstellen, der jeweils auf die Feldeffekttransistoren, entsprechend
54, zur Einwirkung gelangt. Obgleich aus Gründen der Klarheit das Gate 52 in geteilter Ausführung gezeigt ist,
besteht es in Wirklichkeit nur aus einer einzigen Elektrodenstruktur. Die Bildladung an den Elektroden 42 und 48 addiert
sich zur Spannungssteuerung am Gate 52, obleich die Ladungspaket· von den beiden Schieberegistern, die sich nunmehr
unterhalb der Elektroden 42 und 48 befinden, physikalisch nicht kombiniert sind. Nach Einstellen der Gatespannung am
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Gate 52 und bei durch Feldeffekttransistor 58 isoliertem Gate werden die unterhalb der Elektroden 42 und 48 befindlichen
Ladungen zurück in ihre jeweiligen Schieberegister und 12 getaktet. Die durch diese Ladungsrückübertragung am
Gate 52 hervorgerufene Spannungsänderung ist proportional der Summe beider Ladungspakete, so daß diese Gatespannungsänderung
dem Term V (m,n) * V.. wie er im Zusammenhang mit der Fig. diskutiert ist, entspricht.
Die bisherige Abhandlung bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ladungsträgergekoppelte
Techniken angewendet werden. In Fig. 3 ist eine spezielle Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung gezeigt, die die Eimerkettentechnik
anwendet.
Die Eimerkettenschaltungsanordnung gemäß Fig. 3 enthält die
Schieberegister 10 und 12. Die Schieberegister 10 und 12 bestehen aus einer größeren Anzahl voneinander getrennter Diffusionszonen
70-1 bis 70-K und 72-1 bis 72-K, wobei die einzelnen Stufen jedes Schieberegisters jeweils durch ihnen ge- ;
meinsamejtf' Elektroden 74-1 bis 74-K definiert sind. Die An- ;
wendung jeweils einer beiden Schieberegisterstufen gemein- ' samen Elektrode in Form eines entsprechenden Überzugs, stellt
eine bekannte Eimerkettenanordnung dar, die zur erheblichen Vereinfachung der Taktgebung beiträgt. Die (f)-Signale werden
über die Diffusionszone 76 in das Schieberegister 10 und
die (h)-Signale werden über die Diffusionszone 78 in das Schieberegister 12 eingegeben. Diese Signale werden eingetaktet
ebenso wie Analogladungsproben in üblicher Heise bei Eimerkettenanordnungen eingegeben werden.
Die Feldeffekttransistoren 80-1 bis 8O-K/2 stellen Ladungskopierbauelemente
dar und die Feldeffekttransistoren 82-1 bis 82-K/2 dienen jeweils zur Einstellung e^-sr geeigneten
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Gatespannung für die Feldeffekttransistoren 84-1 bis 84K+2, die gemäß der Quadrat-Gesetzmäßigkeit betrieben werden. Die
Feldeffekttransistoren 84-1 bis 84-K/2 sind untereinander über ihre Drain-S-und Source-Elektroden wie in Fig. 3 angegeben
verbunden. Der Schaltkreis 86 stellt einen Stromintegrator dar, der die Stromaddierungsfunktion, wie noch weiter
unten beschrieben, übernimmt.
Die Betriebsweise der Anordnung nach Fig. 3 wird beispielsweise für einen Zyklus oder Verschiebevorgang beschrieben,
und zwar für Ladungsproben in den Diffusionszonen 7O-2 und
72-2, wobei es sich versteht, daß alle anderen Schieberegisterstufen in dieser Schaltungsanordnung in gleicher Heise arbeiten.
Die Betriebsweise ist entsprechend der Zeitfolge ti, t2, t3, t4, t5, t6, t7 beschrieben.
Zum Zeitpunkt ti besitzt die Phasen-1-Leitung 88 einen niedrigen
Pegel, die Phasen-2G-LeItung 90 einen hohen Pegel,
die Phasen-2RG-Leitung 92 ebenfalls einen hohen Pegel, während
die Phasen-2RS-Leitung 94 einen geringen Pegel aufweist. Die
Phasen-S-Leitung liegt dauernd auf einem Gleichspannunspegel. Hiedruch wird eine Bedingung bereitgestellt, bei der die
Feldeffekttransistoren 80-1 und 82-1 im leitenden Zustand j sind, so daß der Verbindungspunkt 98 an der Elektrode 74-1 j
unterhalb des Differenzwertes V - V^n zu liegen kommt, wobei !
V die Amplitude des Phasen-2G-Impulses und V^. der Schwellenwert
des Feldeffekttransistors 80-1 ist. Zur Zeit t2 geht der Signalpegel auf der Phase-1-Leitung 88 für einen kurzen Augenblick
hoch und fällt zurück auf einen niedrigen Wert, wobei die Ladung auf die Diffusionszonen 70-3 und 72-1 verschöbet
wird. Zum Zeitpunkt t3 befinden sich die Phase-1-Leitung 88 auf einem niedrigen Pegel, der Pegel auf Phase-2G-Leitung
sinkt nach unten, der Pegel auf Phase-2RG-LeItung 92 bleibt
hoch und der Pegel auf Phase-2RS-Leitung 94 bleibt niedrig.
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Zum Zeitpunkt t4 besteht die einzige Änderung darin, daß der Pegel auf Phase-2RS-Leitung 94 steigt, so daß damit auch am
Verbindungspunkt 110 ein entsprechend hohes Potential auftrittί
Zum Zeitpunkt t5 besteht die einzige Änderung darin, daß der Pegel auf der Phase-2RG-Leitung 92 absinkt und zum Zeitpunkt
t6 geht der Pegel auf Phase-2G-LeItung 90 in die Höhe, so
daß eine Verschiebungsstrom-Integration über Feldeffekttransistor 80-1 durchgeführt wird, die zu einer Kopierung
der Ladungsübertraung auf die Diffusionszonen 70-2 und 72-2
führt. Die kopierte Ladung tritt am Verbindungspunkt 110 als Überlagerung eines signalunabhängigen Grundpegels auf. Die j
kopierte Ladung am Verbindungspunkt 110 führt zu einer pro- :
portionalen Spannungsänderung am Gate des Feidefekttransistorsj 84-1, der, da er im quadratischen Bereich der Charakteristik j
betrieben wird, einen Strom über Source und Drain führt, der proportional dem Quadrat des Resultats der Ladungsaddition
an den Diffusionszonen 70-2 und 72-2 ist, nämlich der kopierten
Ladung. Der Strom über dem Feldeffekttransistor 84-1 sowie über Feldeffekttransistor 84-2, über Feldeffekttransistor
84-3 usw. wird jeweils zueinander addiert, indem ein Stromintegrator bekannter Bauart eingesetzt wird.
; Aus oben stehender Beschreibung läßt sich entnehmen, daß
die Analogsignal-Abtastproben (f) und (h), die durch die Schieberegister 10 und 12 übertragen worden sind, addiert
und durch dl· Feldeffekttransistoren quadriert sind; schließlich sind sie durch den Stromintegrator 86 summiert, um den
gewünschten Bedingungen, wie sie durch die Gleichungen (4) und (5) formuliert sind, zu genügen.
Es ist also ein Ladungsübertragungs-Transversalfilter beschrieben,
daß sich für Signalübertragungen zweierr Eingangssignalabtastproben-Schieberegister
bedient, wobei die Signalübertragungen unabhängig voneinander in zwei Richtungen er-
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folgen. Die Anwendung einer Ladungsaddition in Verbindung
mit Bauelementen quadratischer Charakteristik zum Addieren und Quadrieren, stellt in Verbindung mit abschließender
Summierung der verarbeiteten Signale je nach Bedarf eine Faltungs- oder Korrelationsfunktion zweier Eingangssignäle
bereit. Die Erfindung ist speziell anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die durch Ladungsträgerkopplungsoder
Eimerkettenbauelementen realisiert sind, jedoch kann die Erfindung hierauf nicht beschränkt sein. Die Erfindung wendet
außerdem das Konzept der Ladungskopierung an, um Betriebsgeschwindigkeit.
Wirkung und Betriebszuverlässigkeit in vorteilhafter Weise zu gestalten.
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Claims (1)
- YO 975 071PATENTANSPRÜCHELadungsübertragungs-Transversalfilter, bestehend aus mindestens einem Ladungsübertragungsschieberegister, das auf ein erstes periodisch abgetastetes Analog- j signal anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß ein | zweites Ladungsübertragungsschieberegister auf ein j zweites, periodisch abgetastetes Analogsignal anspricht,! indem das erste und das zweite Schieberegister jeweils aus einer Anzahl von Stufen besteht, über welche die i periodisch abgetasteten Analogsignale einzeln ver- ! schiebbar sind, so daß eine relative übertragung zwischen erstem und zweiten periodisch abgetasteten Analogsignal ' entsteht, daß weiterhin hiermit eine der Schiebere- j gisterstufenanzahl entsprechende Anzahl von Multiplikationseinheiten enthalten ist, die jeweils mit einem Schieberegisterstufenpaar, bereitgestellt aus dem ersten und dem zweiten Schieberegister, verbunden sind, so daß jeweils ein dem Quadrat des Additionsergebnisses der jeweils paarweise einwirkenden Analogsignalproben in den entsprechenden Schieberegisters tuf en für jede Verschieboperation bereitgestallt wird und daß Summierungsmittel mit den Multiplikationseinheiten verbunden sind, um die den Quadraten der Additionsergebnisse der jeweiligen einzelnen Analogsignalproben bei jeder Verschiebeoperation proportionalen Signale aufzusummieren, so daß das resultierend· Ausgangssignal proportional der Addition der Quadrate der Additionsergebnisse der übertragenen Analogsignalproben ist, wobei das resultierende Auegangseignal eine Paltungs- oder Korrelationsfunktion des ersten und des zweiten Analogsignals darstellt.2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aur Bildung einer Korrelationsfunktion das erste709881/0800Analogsignal Im ersten Ladungsübertragungsschieberegister und das zweite Analogsignal Im zweiten Ladungsübertragungsschlebereglster In zueinander gleicher Richtung verschiebbar sind.Anordnung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Analogsignal im ersten Ladungsübertragungsschieberegister und das zweite Analogsignal im zweiten Ladungsübertragungsschieberegister in jeweils zueinander entgegengesetzter Richtung zur Bildung einer FaItungsfunktion verschiebbar sind.Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß entweder das erste oder das zweite Analogsignal im jeweils zugeordneten Ladungsübertragungsschieberegister stationär gehalten wird und das jeweils andere Analogsignal in seinem jeweils zugeordneten LadungsÜbertragungsschieberegister verschiebbar ist.Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Ladungs-Übertragungsschieberegister als ladungsträgergekoppelte Anordnung aus einem Halbleitersubstrat mit darauf angebrachter Vielzahl von Elektroden mit jeweils darunter befindlichen Potentialtopfen besteht, in dem die jeweiligen Analogsignalproben speicherbar sind, bzw. zwischen denen die Analogsignalproben übertragbar sind.Anordnung nach Anspruch 1 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplikationseinheiten jeweils aus einen Feldeffekttransistor mit Gate-, Source* und Drainelektroden besteht, daß jeweils zwischen709881/0600YO 975 071Gateelektrode eines Feldeffekttransistors und dem jeweils zugeordneten Schieberegisterstufenpaar eine Verbindung besteht, um in den jeweiligen Schieberegisterstufen auftretende Analogsignalproben auf die jeweilige Gateelektrode einzukoppeln, so daß an dieser Gateelektrode ein Potential proportional des Additionsergebnisses genannter Analogsignalproben herbeiführbar ist, daß Mittel zum Hervorbringen eines Stromes über die jeweils zugeordnete Source- und Drainelektrode zum Bereitstellen eines dem Quadrat des Additionsergebnisses des Analogsignalprobenpaares proportionalen resultierenden Stromes vorgesehen sind und daß Mittel zum Summieren der aus den Feldeffekttransistoren stammenden Ströme zur Herbeiführung der Ausgangssignale vorgesehen sind.7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die jeweils zwischen Gateelektrode eines Feldeffekttransistors und einem entsprechenden Schieberegisterstufenpaar geschaltet sind, jeweils einen ersten Ladungstibertragungs-Transistor der zwischen dem genannten Gate und einer der Schieberegisterstufen geschaltet ist und einen zweiten Ladungsübertragungstransistor einschließen, der zwischen dem genannten Gate und der anderen Schieberegisterstufe des Schieberegisterstufenpaars geschaltet ist, wobei jeweils erste und zweite Ladungsübertragungstransistoren zur Ladungsentnahme aus den jeweils zugeordneten Schieberegisterstufen für die Übertragung auf daa jeweils zugeordnete Gate und zur RückÜbertragung dieser Ladungen in die Schieberegisterstufen ausgelegt sind.8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Analogladungssignale709881/0800YO 975 071auf die ersten und zweiten ladungsgekoppelten Schieberegisterstufen übertragbar sind, wenn die ursprünglich vorhandenen Ladungsmengen in diesen Schieberegisterstufe^n auf die genannten Gateelektroden zuübertragen sind, wobei die zusätzlichen Analogladungssignale zur Modifizierung und Ausrichtung der ursprünglich vorhandenen Ladungsmengen dienen.9. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Ladungs-Ubertragungsschieberegisterstufen aus Eimerkettenschieberegisters truktüren bestehen, wobei ein Halbleitersubstrat eine Anzahl von Diffusionszonen mit jeweils zugeordneten Elektroden besitzt, um die Analogsignalproben jeweils hierin zu speichern und hier-! zwischen zu übertragen.10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, j• daß jedes der Multiplikationsmittel aus einem FeId-' effekttransistor mit Gate-Source- und Drainelektrodenbesteht, daß Mittel zwischen jeweiliger Gateelektrode eines Feldeffekttransistors und jeweils zugeordnetem Schieberegisterstufenpaar geschaltet sind, um jeweils eine der Ladungsaddition entsprechende Ladungsmenge in diesen Diffusionszonen der Schieberegisterstufenpaare nachzubilden, daß Mittel zur Auskopplung der jeweils nachgebildeten Ladungsmenge auf das zugeordnete Feldeffekttransistor-Gate vorgesehen sind, daß Mittel zur Herbeiführung eines Stromes über genannte Source- und Drainelektroden des jeweiligen Feldeffekttransistors vorgesehen sind, so daß ein dem Quadrat der nachgebildeten Ladungsmenge proportionaler resultierender Strom entsteht, der infolgedessen seiner-709881/0800seits dem Quadrat der Ladungsaddition in der jeweiligen Diffusionszonen eines zugeordneten Schieberegister-Stufenpaares proportional ist und daß Mittel zum Aufsummieren der resultierenden Ströme aller
Feldeffekttransistoren zur Herbeiführung eines Ausgangssignals vorgesehen sind.709881/0800
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