Brevet FR2525836A1 — publié le 19831028

FILTRE TRANSVERSAL A TRANSFERT DE CHARGE La présente invention concerne un filtre transversal à trans- fert de charge. On entend par filtre transversal élémentaire à transfert de charge un ensemble d'étages de retard, à l'entrée duquel est appliqué le signal à filtrer, le signal filtré étant obtenu en effectuant la somme de l'ensemble des signaux de sortie des différents étages de retard, multipliés par des coefficients de pondération. On entend par filtre transversal complexe à transfert de charge un ensemble de filtres transversaux élémentaires à transfert de charge à l'entrée desquels sont appliqués différents signaux à filtrer, le signal filtré étant obtenu en effectuant la somme des signaux de sortie de tous les étages de retard des différents filtres élémentaires. Par la suite, le terme filtre désigne indifféremment un filtre élémentaire ou un filtre complexe. Chaque étage de retard est réalisé au moyen d'un ensemble de capacités MOS disposées de manière adjacente sur un même substrat semi-conducteur, l'une de ces capacités étant munie d'une électrode affectée à la lecture de charge, les autres capacités étant munies d'électrodes affectées à la commande du transfert de charge Le nombre de capacités MOS affectées à la commande du transfert de charge varie essentiellement avec la technologie du filtre et avec le nombre de phases de commande utilisé. Pour éviter toute discontinuité dans le transfert de charge entre les différents étages, et, à l'intérieur de chaque étage, entre les différentes capacités MOS de cet étage, des discontinuités dans la disposition des électrodes successives doivent être évitées. Pour cela il est connu de faire se recouvrir les extrémités d'électrodes adjacentes, un isolant étant alors prévu pour éviter tout contact entre électrodes dans la zone de recouvrement. Le recouvrement d'une électrode de lecture par deux élec- trodes de commande adjacentes perturbe la lecture de la quantité de charge qui se trouve sous cette électrode de lecture. En effet, quelle que soit la méthode de lecture utilisée, (lecture en courant avec électrode de lecture à tension fixe ou lecture en tension avec électrode de lecture flottante) et quel que soit le nombre d'électrodes de commande par étage de retard, une variation de potentiel doit se produire au cours de l'opération de lecture, sur l'une au moins des deux électrodes de commande entourant l'électrode de lecture considérée, de manière à assurer le transfert de charge sous cette électrode de lecture Et cette variation de potentiel est transmise à l'électrode de lecture par l'intermédiaire du condensateur constitué par les extrémités de l'électrode de lecture et de l'électrode de commande se recouvrant, et par la couche d'isolant intercalée entre ces extrémités. Cette perturbation de la lecture se traduit par l'adjonction d'une composante continue à la composante alternative provenant de la lecture proprement dite de la charge située sous l'électrode de lecture considérée La valeur de cette composante continue dépend des largeurs de recouvrement (prises dans le sens longitudinal du filtre) de l'électrode de lecture considérée par les électrodes de commande adjacentes sur lesquelles interviennent des variations de potentiel au cours de la lecture Les différentes électrodes de lecture du filtre étant reliées entre elles, les perturbations corres- pondant à ces différentes électrodes de lecture s'ajoutent. Lors de la fabrication d'un filtre, les largeurs de recouvrement entre électrodes sont fixées pour toutes les électrodes du filtre, par le positionnement, par rapport aux électrodes dont les extrémités sont destinées à être recouvertes, d'un masque dont les parties non évidées ont pour rôle de préserver les parties non destinées à être recouvertes. Un problème se pose alors du fait que le positionnement de ce masque peut varier d'un filtre à un autre présentant par ailleurs des caractéristiques de construction identiques En effet, si le position- nement du masque varie, la composante continue de lecture varie aussi Or, pour faciliter l'acquisition du signal de lecture, on a intérêt à avoir la même composante continue de lecture d'un filtre à un autre Ceci est d'autant plus vrai qu'en pratique un très faible écart dans le positionnement du masque se traduit par une variation de composante continue relativement importante. La présente invention vise à résoudre ce problème. Selon l'invention, le filtre transversal à transfert de charge, comportant N capacités du type MOS disposées sur un même substrat semi- conducteur, et réparties en étages de retard, les capacités MOS de chaque étage de retard étant munies l'une d'une électrode de lecture et les autres d'électrodes de commande, et une électrode sur deux ayant ses extrémités recouvertes par les extrémités des deux électrodes adjacentes, ce filtre est tel que les N capacités MOS sont disposées en N rangées (avec N pair) numérotées de 1 à n, à raison de 1 N capacités MOS par rangée, les sens de transfert de charge dans deux rangées adjacentes étant Xpp 33 z, È transfert de charge. Les objets et caractéristiques de la présente invention appa- raitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue de dessus schématique d'un filtre transversal à transfert de charge selon l'art antérieur; la figure 2 est une coupe longitudinale du filtre représenté sur la figure 1; la figure 3 est un schéma électrique équivalent du filtre représenté sur les figures 1 et 2; la figure 4 est une vue de dessus schématique d'un filtre transversal à transfert de charge selon l'invention; la figure 5 est un ensemble de coupes longitudinales de différentes rangées constituant le filtre représenté sur la figure 4. A titre d'exemple la description est faite pour une technologie dite à dissymétrie d'implantation, (ces dissymétries n'étant pas représentées sur les dessins), pour un nombre de phases de commande égal à deux et pour des électrodes de lecture à simple coupure, mais il faut souligner que le principe de l'invention est également applicable à la technologie dite à surépaisseur d'oxyde, à un nombre de phases de commande quelconque, et à des électrodes de lecture à double coupure. Sur les figures 1 et 2 on a représenté un filtre transversal à transfert de charge selon l'art antérieur Il s'agit à titre d'exemple d'un filtre élémentaire Ce filtre comporte N capacités MOS disposées de manière adjacente sur un même substrat semi- conducteur 1 recouvert d'une couche d'oxyde 2. Ces N capacités MOS sont réparties en étages de retard, chaque étage de retard comportant par exemple, comme illustré sur les figures 1 et 2, une capacité MOS munie d'une électrode de lecture et trois capacités MOS munies d'une électrode de commande Si l'on désigne par M le nombre de capacités MOS par étage de retard, le filtre comporte N/M étages de retard Dans ce cas le filtre comporte Nô étages de retard identiques dont seul le premier est représenté en entier sur les figures 1 et 2, et décrit dans ce qui suit. Ce premier étage comporte,en suivant le sens de transfert de charge représenté par une flèche orientée de gauche à droite sur les figures 1 et 2, une première capacité MOS munie d'une électrode de commande 3, dite électrode de transfert, une deuxième capacité MOS munie d'une électrode de commande 4, dite électrode de stockage, une troisième capacité MOS munie d'une électrode de commande 5, dite également électrode de transfert, et une quatrième capacité MOS munie d'une électrode de lecture 6 En dehors des périodes réservées à la lecture, l'électrode de lecture remplit également grâce à un montage approprié (non représenté), la fonction d'électrode de stockage. Sur les électrodes de transfert 3 et de stockage 4 est appliqué un potentiel périodique 01 Sur l'électrode de transfert 5 est appliqué un potentiel périodique 02- Comme cela est représenté sur la figure 1, une coupure est pratiquée dans chaque électrode de lecture, à des niveaux propres à chacune de ces électrodes de lecture, les portions d'électrodes de lecture supérieures et inférieures étant respectivement reliées entre elles Ceci permet de faire une sommation des charges présentes au même instant dans les différents étages de retard, multipliées respectivement par des coefficients de pondération déterminés par la position des différentes coupures. 1 o Une électrode sur deux a ses extrémités recouvertes par les extrémités des électrodes adjacentes Ainsi, dans l'exemple montré sur les figures 1 et 2, l'électrode de stockage 4 a ses extrémités recouvertes par l'extrémité droite de l'électrode de transfert 3 et par l'extrémité gauche de l'électrode de transfert 5 De même l'électrode de lecture 6 a ses extrémités recouvertes par l'extrémité droite de l'électrode de transfert S et par l'extrémité gauche de la première électrode de transfert du deuxième étage de retard. Une couche d'oxyde isolant 7 est prévue entre l'électrode de stockage 4 et les extrémités recourbées des électrodes qui lui sont adjacentes De même une couche d'oxyde isolant 8 est prévue entre l'électrode de lecture 6 et les extrémités recourbées des électrodes qui lui sont adjacentes. Au cours de la fabrication d'un tel filtre, lorsqu'on procède au dépôt de la couche métallique finale, correspondant aux électrodes telles que les électrodes 3 et 5 pour le premier étage de retard, on a recours à un masque pour préserver les parties des couches d'oxyde isolant, telles que les couches 7 et 8 pour le premier étage de retard, non destinées à être recouvertes par cette couche métallique finale Le positionnement de ce masque détermine les largeurs de recouvrement (prises dans le sens longitudinal) d'une électrode par les électrodes qui lui sont adjacentes. Ainsi le positionnement du masque ayant servi à la fabrication du filtre représenté sur les figures I et 2 a déterminé une largeur de recouvrement r 2 pour les extrémités gauche de toutes les électrodes recouvertes (telles que les électrodes 4 et 6 pour le premier étage de retard) et une largeur de recouvrement r 1 pour les extrémités droite de ces électrodes L'influence de ce recouvrement sur la lecture est maintenant expliqué en relation avec la figure 3 qui représente le schéma électrique équivalent du filtre. Sur ce schéma on a représenté un point P qui est le point commun à l'ensemble des portions supérieures ou inférieures des électrodes de lecture du filtre, l'influence du recouvrement sur la lecture étant la même dans les deux cas Ce point P est réuni à une première borne de quatre condensateurs 9, 10, 11, 12. Le condensateur 9 est muni d'une seconde borne qui reçoit la sommez Q des charges présentes sous les différentes électrodes de lecture du filtre Le condensateur 9 a une capacité Cox égale à la capacité d'oxyde d'isolement des électrodes de lecture par rapport au canal de transfert de charge. Le condensateur 10 est muni d'une seconde borne qui reçoit le potentiel 01, et a une capacité Z Cr égale à la somme des capacités de recouvrement Cr des électrodes de commande adja- r 1 centes sur lesquelles est appliqué le potentiel 01. Le condensateur Il est muni d'une seconde borne qui reçoit le potentiel 02, et a une capacitél C égale à la somme des capacités de recouvrement C r des électrodes de lecture par les électrodes de commande adjacentes sur lesquelles est appliqué le potentiel c 2. Le condensateur 12 est muni d'une seconde borne reliée à la masse, et a une capacité Cp égale à la somme des capacités parasites constantes dues à des phénomènes autres que les recou- vrements. Lors de la lecture de l'ensemble des charges il se produit au point P, en cas de lecture en tension, une variation de potentiel qui s'exprime de la façon suivante: ÄYr V _Q + AM P C+ É Cr 1 + 2 Crp Cr 2 O r ' r + + r 2 02 + + zz C +o -02 2 En cas de lecture en courant, il se produit une variation de charge qui s'exprime de la façon suivante: QP:ú Q+ C + rA 1 + 02 Dans ces deux expressions, A ( 1 et A 02 représentent les variations de potentiel de (} et 2 lors de la lecture des charges. Par exemple, dans le cas de deux phases de commande, t X 1 eth 2 sont de signes opposés, et dans le cas d'une phase de commande ó 02 est nul. Les capacités de recouvrement C et C sont fonction du nombre d'étages de retard N du filtre r 2 Pour un filtre à simple coupure d'électrode de lecture, on a: c W h 1 N V = ir 2 t ' hl= 2M+ 2 M r 2 = 2 2 t M + E i hil r 2 M V 2 i:l - Dans ces deux expressions, /est un terme constant étal à o ú est la constante diélectrique des couches d'oxyde isolant telles que 7 et 8 pour le premier étage de retard et e l'épaisseur de ces couches. W est la largeur (prise dans le sens transversal) du canal de transfert de charge, telle que représentée sur la figure 1. S est également un terme constant égal à, o g est la garde des coupures au bord du canal pour des coefficients égaux à + 1 ou à -1. V représente la largeur (prise dans le sens transversal) de débordement des électrodes par rapport aux canal. N/M 2 _ hi représente la somme des coefficients de pondération i= 1 correspondant aux différentes électrodes de lecture, i étant un indice variant de I à N, o N est le nombre d'étages de retard du filtre Le terme: E Ir Lr (_ _r _ _ _ _ _ _ + _ _ _ _ _ __ 2 2 CP i 7 O + 2 Ier 9 C Pk Cr C-r 2 P 5 l (r 1 22 dans l'expression de la variation de tension Vp au point P, ou Cr 1 t O + Cr 2 a 02 dans l'expression de la variation de charge Qp au point P, correspond à une composante continue qui vient s'ajouter à la composante alternative _ _ _ _ __Q ou Q Cp +E Cr + r 1 2 Cette composante continue est donc fonction des largeurs de recouvrement r 1 et r 2 qui sont elles-mêmes déterminées par le positionnement du masque Or le positionnement du masque peut varier d'un filtre à un autre présentant par ailleurs des carac- téristiques de construction identiques. Avec un filtre conforme à l'art antérieur la composante continue est donc susceptible de varier dans des proportions relati- vement importantes d'un filtre à un autre, ce qui est gênant pour l'acquisition des signaux de lecture. Le filtre conforme à la présente invention permet d'avoir une composante continue pratiquement constante d'un filtre à un autre. Sur les figures 4 et 5 on a représenté un exemple de réalisation d'un filtre conforme à la présente invention Les N capacités MOS du filtre conforme à l'invention sont disposées suivant N rangées de Nn capacités chacune. Pour plus de clarté on a représenté seulement deux rangées sur les figures 4 et 5 Ces rangées représentent indifféremment deux filtres élémentaires consécutifs, non disposés en rangées, d'un même filtre complexe, ou deux rangées adjacentes d'un même filtre élémentaire, ou encore la dernière et la première rangée de deux filtres élémentaires consécutifs faisant partie d'un même filtre complexe. Les N capacités MOS de chaque rangée sont numérotées de I à en suivant le sens de transfert de charge choisi pour la première rangée (par exemple de gauche à droite comme représenté à l'aide d'une flèche sous la première rangée). Dans le cas de deux rangées adjacentes d'un même filtre élémentaire, la continuité entre la Nième capacité MOS de la 11 N Nième première rangée, qui est munie d'une électrode 14, et la - capacité MOS de la deuxième rangée, qui est munie d'une électrode , est assurée par une première et une deuxième diodes 16 et 17 localisées respectivement dans le substrat semi-conducteur de la première et de la deuxième rangées et reliées entre elles La nature des électrodes 14 et 15 est telle que ce ne sont pas des électrodes de lecture et que sur le trajet emprunté par les charges entre la dernière électrode de lecture rencontrée sur une rangée et la première électrode de lecture rencontrée sur la rangée suivante se trouvent trois électrodes telles que les électrodes 3, 4 et 5 des figures I et 2, c'est-à-dire une électrode de transfert, une électrode de stockage, puis une électrode de transfert De plus, par une commande adéquate des électrodes de commande, le sens de trans- fert de charge dans la deuxième rangée est inversé par rapport à la première rangée (comme montré à l'aide de flèches sur les figures 4 et 5). Plus généralement, pour N rangées adjacentes d'un même filtre élémentaire, avec N pair, la Nnème capacité MOS de chaque rangée de numéro impair est reliée, par l'intermédiaire de diodes, à la Nième capacité MOS de la rangée suivante, et la première capacité MOS de chaque rangée de numéro pair est reliée à la première capacité MOS de la rangée suivante De plus, par une commande adéquate des électrodes de commande, les sens de transfert de charge dans deux rangées adjacentes sont opposés. Dans le cas d'un filtre complexe, les signaux à filtrer sont introduits, et les électrodes de commande commandées, de manière que les sens de transfert de charge dans deux rangées adjacentes soient opposés Dans le cas o les filtres élémentaires d'un même filtre complexe ne sont pas eux mêmes disposés en rangées, le fait que les signaux à filtrer soient introduits de manière telle que les sens de transfert de charge dans deux rangées adjacentes soient opposés se traduit par le fait que les étages d'entrée de deux rangées adjacentes sont situées à des extrémités opposées de ces deux rangées On rappelle que les étages d'entrée ont pour rôle d'effec- tuer la transformation des signaux d'entrée en charges. De plus, dans le cas o les filtres élémentaires d'un même filtre complexe ne sont pas disposés en rangées, il n'y a pas de liaison entre les différentes rangées qui représentent alors les différents filtres élémentaires C'est pour cette raison que les diodes 16 et 17 et les liaisons entre ces deux diodes n'ont été représentées qu'en pointillés sur la figure 4. Dans le cas o les filtres élémentaires d'un même filtre complexe sont à leur tour disposés en rangées, la dernière rangée de chaque filtre élémentaire n'est pas reliée à la première rangée du filtre élémentaire suivant. Les portions supérieures des électrodes de lecture des diffé- rentes rangées constituant le filtre sont reliées entre elles et il en est de même pour les portions inférieures de ces électrodes. Les extrémités d'électrodes appartenant à des capacités MOS de même numéro sur différentes rangées peuvent ou non être alignées. Toutes les électrodes de lecture de toutes les rangées du filtre ont une même largeur de recouvrement r 1 de leur extrémité droite et une même largeur de recouvrement r 2 de leur extrémité gauche. Cependant, à l'inverse du filtre représenté sur les figures 1 et 2, le potentiel appliqué sur les électrodes de commande dont l'extrémité recouvre l'extrémité gauche des électrodes de lecture, n'est pas toujours égal à 02 mais du fait de l'inversion du sens de transfert de charge d'une rangée à une autre, est alternativement égal à 22 et à 01 De même, à l'inverse du filtre représenté sur les figures 1 et 2, le potentiel appliqué sur les électrodes de commande dont l'extrémité recouvre l'extrémité droite des électrodes de lecture, n'est pas toujours égal à I, mais du fait de l'inversion du sens de transfert de charge d'une rangée à une autre, est alternativement égal à 01 et à 02 ' Ceci est montré sur la -figure 5 pour deux électrodes de lecture 18 et 19 appartenant a deux rangées adjacentes. Si l'on se réfère aux équations écrites lors de l'étude d'un filtre selon l'art antérieur, dans les expression SF-Cr AI etl C- 2 A 2,1 es i termes > Cr et -Cr peuvent alors se mettre sous la forme: Ic =c C +î:C r 1 ri 1 r 12 '$ = Cr 2 =Cr 21 + Cr 22 o > C représente la somme des capacités dues au recouvrement d'extrémetés droite d'électrodes de lecture par des électrodes de commande sur lesquelles est appliqué le potentiel O l, Cr la 1 somme des capacités dues au recouvrement d'extrémités galuche d'électrodes de lecture par des électrodes de commande sur les- quelles est appliqué le potentiel ( 1, 'Cr la somme des capacités dues au recouvrement d'extrémités droi 1 d'électrodes de lecture par' des électrodes de commande sur lesquelles est applqué le potentiel 02, et Cr la somme des capacités dues au recou- vrement d'extrémités gauche d'électrodes de lecture par des élec- trodes de commande sur lesquelles est appliqué le potentiel 2. Si l'on remarque maintenant que les largeurs de recouvrement r 1 et r 2 peuvent s'écrire respectivement r + d et r d, o d désigne le dépositionnement du recouvrement des deux extrémités d'une électrode de lecture par les deux électrodes de commande adja- centes, et r la largeur commune de recouvrement des deux extrémités de cette électrode de lecture, on peut écrire avec les mêmes notations que précédemment, et pour le cas o N est égal à 2 = rq W 2 Iz 2 M 2 2 (N 21 N/2}, il',/ -IM' i= 11/21 Nl /l /+, + C+ l fr-d 1 Iljrd hi) j N Vl lr+dl 1 j JL _ 2 + S 2 N/2 M 1 i= 1 hi) + >YN Vj lr d l IT/I/II hi et 2 hi i= N/2 M + 1 représentent respectivement la somme des coefficients de pondé- ration rencontrés sur la première et sur la deuxième rangées On peut dire avec une bonne approximation que la somme des coef- ficients rencontrés sur la première rangée est égale à la somme des coefficients rencontrés sur la deuxième rangée, et ceci est d'autant plus vrai que le nombre NM de coefficients est grand. M La différence entre h et 1 = 1: 1-s/V 1 i i = N/21 M + 1 est donc négligeable devant N, et l'on peut écrire: j _r r 2 = r L 4 t 2 +) = constante Les termes et v sont ds constantes invariables d'un Les termes N 2 et v sont d'es constantes invariables d'un C r =Lj V (N Cr 2 r 2 ç 21 C hi) + y 1, 2 K, h \ +X r + 1 9 2 _ M n /21 fi 1 - filtre à un autre Le terme r est également invariable d'un filtre à un autre, car au cours de la fabrication de ces filtres, le déposi- tionnement du masque d'un filtre à un autre se traduit non pas par un variation du paramètre r, mais par une variation du paramètre d. Les termes 5 Cr et 5 C sont donc pratiquement constants. Ceci implique que la composante continue de lecture est prati- quement invariable d'un filtre à un autre, ce qui constitue bien l'effet recherché On arriverait à la même conclusion pour un nombre de rangées multiple de 2. Pour améliorer les performances du filtre conforme à l'invention le nombre de rangées d'un filtre élémentaire ne doit pas être choisi de manière quelconque, mais, comme cela été vu précé- demment de manière a avoir une compensation de la somme des coefficients de pondération des rangées de numéro pair par la somme des coefficients de pondération des rangées de numéro impair. 25258 D 6 REVENDICATIONS 1 Filtre transversal à transfert de charge, comportant N capacités du type MOS disposées sur un même substrat semi- conducteur ( 1) et réparties en étages de retard, les capacités MOS de chaque étage de retard étant munies l'une d'une électrode de lecture ( 6), les autres d'électrodes de commande ( 3, 4, 5), et une électrode sur deux ayant ses extrémités recouvertes par les extrémités des deux électrodes adjacentes, caractérisé en ce que les N capacités MOS sont disposées en N rangées (avec N pair) numérotées de 1 à n, à raison de 1 N capacités MOS par rangée, les n capacités MOS de chaque rangée étant numérotées de 1 à la en suivant le sens de transfert de charge dans la rangée numéro 1,et les sens de transfert dans deux rangées adjacentes étant opposés,ce qui permet de compenser les effets dus aux calages des masques utilisés pour la fabrication des filtres transversaux à transfert de charge. 2 Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la Nième capacité MOS de chaque rangée de numéro impair est reliée à la Nième capacité MOS de la rangée suivante, et en ce que la première capacité MOS de chaque rangée de numéro pair est reliée à la première capacité MOS de la rangée suivante. 3 Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les Nn capacités MOS de chaque rangée sont disposées à leur tour en m sous rangées, numérotées de 1 à m, les capacités MOS de chaque sous rangée étant numérotées de 1 à N en suivant le sens de lm N N im transfert de charge dans la sous rangée numéro 1, la N -ime m n capacité MOS de chaque sousrangée de numéro impair étant reliée à la N lème capacité MOS de la sous rangée suivante, la première m n capacité MOS de chaque sous-rangée de numéro pair étant reliée à la première capacité MOS de la sous-rangée suivante, et les sens de transfert de charge dans deux sous-rangées adjacentes étant opposés. 4 Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les liaisons entre capacités MOS situées aux extrémités de rangées adjacentes se font par l'intermédiaire de diodes reliées entre elles. Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce que les liaisons entre capacités MOS situées aux extrémités de sous-rangées adjacentes se font par l'intermédiaire de diodes reliées entre elles. 6 Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étages d'entrée de deux rangées adjacentes sont situés à des extrémités opposées de ces deux rangées. 7 Filtre selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les extrémités d'électrodes appartenant à des capacités MOS de même numéro sur différentes rangées sont alignées.