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Werk für Fernsehelektronik L133C

WF L133C

Der L133C ist ein im Werk für Fernsehelektronik produzierter CCD-Sensor, der dem Fairchild CCD133 nachempfunden wurde. Es handelt sich um eine einzelne Zeile mit 1024 Pixeln. Die Zeichen R9 zeigen, dass der Baustein im September 1983 gefertigt wurde. Ein Großteil des Sensors arbeitet mit einer 14V-Versorgung. Die Schieberegister benötigen zusätzlich eine 6V-Versorgung. Der L133C gibt die gespeicherten Werte mit einem Takt von bis zu 20MHz aus.

 

L133C Gehäuse

Die beiden Teile des Gehäuses sind miteinander verklebt. Im Vergleich zum ersten Bild sind dieses und alle folgenden Bilder um 180° gedreht.

 

L133C Datenblatt

L133C Datenblatt

Das Package weist einige ungenutzte Pins auf. Pin 14 besitzt dabei eine Sonderstellung. Laut Datenblatt ist er nicht beschaltet, darf aber mit einer Spannung von bis zu 18V belegt werden. Das Datenblatt des Fairchild CCD133 gibt an, dass es sich um das Potential des lichtempfindlichen Bereichs, des sogenannten Photogates handelt. Das stimmt mit dem folgenden Blockschaltbild des L133C überein. Es ist sehr verwunderlich, dass der Pin als nicht beschaltet beschrieben wird.

 

L133C Datenblatt Blockschaltbild

Das Blockschaltbild im Datenblatt des L133C zeigt, dass es sich genau genommen um zwei CCD-Zeilen handelt. Der optisch aktive Bereich in der Mitte besteht aus einer Zeile, rechts und links davon sind allerdings zwei CCD-Transportregister platziert, die jeweils abwechselnd die Spannung eines Pixels übernehmen. Das Übertragungsgate definiert wann die Übernahme erfolgt. Vier Pixel am Anfang und vier Pixel am Ende der Zeile sind abgedunkelt und stellen Referenzwerte dar. Zum aktiven Bereich hin sind als Puffer vier Isolationspixel integriert. Die mit einem W markierten Blöcke speisen einen zweiten Referenzwert in die Zeilen ein, der den Weißwert darstellt.

Neben den zwei Transportregistern ist auf jeder Seite ein weiteres CCD-Register integriert, das EOS-Register und das Zusatzregister. Diese Register reduzieren das Rauschen des Bausteins. Das obere Register signalisiert zusätzlich das Ende eines Datensatzes.

Am Ende der CCD-Transportregister nehmen zwei Detektoren die Ladungspakete entgegen und führen sie zwei Ausgangsverstärker zu.

Versorgt wird der L133C über zwei Vdd-Eingänge (18,24) und über zwei Vcd-Eingänge (4,8). Die Trennung des Versorgungspotentials sorgt dafür, dass schnell schaltenden Schaltungsteile das Ausgangspotential nicht negativ beeinflussen.

 

L133C Die

Die Abmessungen des Dies betragen 14,5mm x 1,5mm. Es fällt auf, dass fast die ganze Oberfläche mit einer Metalllage überzogen ist. Die Metalllage sorgt dafür, dass einfallendes Licht keine Störungen verursacht. Um parallel dazu die notwendigen Verbindungen darstellen zu können, kamen insgesamt zwei Metalllagen zum Einsatz.

 

L133C Die Detail

Im linken Bereich des Dies befindet sich ein Bonddraht, der ein Bondpad mit einer daneben liegenden Fläche verbindet. Hier wird anscheinend die obere Metallschicht mit der Rahmenstruktur verbunden. Die Rahmenstruktur trägt das negative Versorgungspotential und ist höchstwahrscheinlich mit dem Substrat verbunden. Über den Bonddraht ist auch die obere Metalllage des L133C mit dem negativen Versorgungspotential verbunden. Anscheinend wollte man sich hier die Möglichkeit offen halten die obere Metalllage mit einem anderen Potential zu verbinden.

Das Bondpad ist stark beschädigt und der Ball des Bonds wurde etwas außerhalb des üblichen Bondbereichs platziert. Das lässt vermuten, dass an dieser Stelle ein erster Bondvorgang missglückt ist.

 

L133C Die Detail

L133C Die Detail

L133C Die Detail

Verteilt über das Die finden sich drei Darstellungen der Maskenrevisionen. Verwunderlich ist dabei, dass eine Auflistung von den anderen beiden abweicht.

 

L133C Die Detail

Drei Kreuzmuster erlauben es die Ausrichtung der Masken zu bewerten. Daneben ist ein Mustersatz abgebildet, über den die Abbildungsqualität geprüft werden kann. Der Mustersatz ist wie die Maskenrevisionen dreimal auf dem Die abgebildet.

 

L133C Die Schutzstrukturen

Direkt an den Bondpads befindet sich eine quadratische Schutzstruktur.

 

L133C Die Kontaktierung

Die Bondpads konzentrieren sich auf die Eingangs- und Ausgangsbereiche an den beiden Enden des Dies.

 

CCD The Solid State Imaging Technology

Der Fairchild Katalog "CCD The Solid State Imaging Technology" aus dem Jahr 1982 stellt den Aufbau des CCD133 ausführlich dar. Man kann davon ausgehen, dass der L133C sehr ähnlich aufgebaut ist. Das sogenannte Photogate ist der eigentliche Sensor, in dem das einfallende Licht Ladungsträger trennt, was letztlich zum Aufbau einer Ladung führt, die der Lichtmenge proportional. Isolationsbereiche trennen das Photogate in 13µm x 8µm große Pixel, die abwechselnd zu den beiden Seiten offen sind.

 

Final Report Solid State High Resolution Mulit-Spectral Imager CCD Test Phase

Der ebenfalls von Fairchild erstellte Bericht "Final Report Solid State High Resolution Multi-Spectral Imager CCD Test Phase" zeigt wie mit den im Photogate generierten Ladungen weiter verfahren wird. Das Photogate ist umgeben vom Transfergate (Übertragungsgate). Das Transfergate steuert die Übernahme der Ladungen in die umgebenden Transportregister. Ein horizontales Transportregister existiert im L133C allerdings nicht.

 

L133C Die Detail

Im Detail ist gut zu erkennen, dass abgesehen vom Photogate alle Strukturen von der oberen Metalllage verdeckt sind. Die einzelnen Elemente lassen sich einigermaßen identifizieren. Die Transportregister sind relativ komplex aufgebaut und lassen sich entsprechend nur schwer auflösen.

 

Final Report Solid State High Resolution Multi-Spectral Imager CCD Test Phase

Der Fairchild-Bericht "Final Report Solid State High Resolution Multi-Spectral Imager CCD Test Phase" zeigt mehrere mögliche Bauarten von CCD-Transportregistern. Der hier zu sehende Aufbau ist der, der sich vermutlich auch im L133C findet. Elektroden, die der ladungsführenden Schicht unterschiedlich nah sind, erzeugen ein treppenförmiges Potential. Schalten die zwei phasenverschobenen Takte, so bewegen sich die Potentialtreppen und damit auch die Ladungspakete vorwärts. Die überlappenden Elektroden erzeugen die sehr dicht erscheinenden Strukturen auf den CCD-Zeilen des L133C.

 

One-Phase CCD: A New Approach to Charge-Coupled Device Clocking

Im Gegensatz zum bekannteren Konzept mit zwei phasenverschobenen Transporttakten arbeitet der L133C mit nur einem Transporttakt, was die externe Beschaltung vereinfacht. Statt zwei phasenverschobenen Takten kommt hier neben dem Transporttakt das konstante Potential Vt zum Einsatz, dass zwischen dem High- und dem Lowpegel des Transporttakts liegt. Diese Art der CCD-Ansteuerung wird zum Beispiel im IEEE-Artikel "One-Phase CCD: A New Approach to Charge-Coupled Device Clocking" näher beschrieben. Dort findet sich die obige Darstellung der Potentialverläufe, die sich ähnlich vorteilhaft ergeben.

 

L133C Die Detail

Auch wenn die Strukturen relativ dicht gepackt und von einer Metallschicht verdeckt sind, kann man doch erahnen welche Bereiche welche Funktionen übernehmen. Der offene Bereich ist das Photogate (gelb). Oberhalb und unterhalb befinden sich die Übertragungsgates, die die Übernahme der Ladungen aus dem Photogate steuern (rot). Im Bereich des Übertragungsgates sind ovale Umrisse zu erkennen, die an Durchkontaktierungen erinnern. Höchstwahrscheinlich verursacht ein dünnes Gateoxid diese Einbuchtung. Die dem Lichteinfall proportionalen Ladungspakete münden in den zwei Transportregistern (grün), die von den Zusatzregistern umgeben sind (blau). Ansatzweise kann man die Begrenzungen der CCD-Zeilen erahnen. Die Transportregister sind sehr viel breiter als die Zusatzregister. Breitere Register ermöglichen es größere Ladungsmengen abzuspeichern.

Vor dem Photogate befinden sich die abgedunkelten Pixel und die Isolationsbereiche. Die vier isolierten CCD-Zellen am Anfang des Photogates (weiß) sind bei genauerer Betrachtung deutlich zu erkennen. Sie sind anscheinend miteinander verbunden. Darauf folgt nach links ein Teil der optisch dem Photogate gleicht, allerdings mit der Metalllage abgedeckt ist. An diesen Bereich sind vier CCD-Zellen angebunden (lila), die den Dunkel-Referenzwert darstellen. Links der Referenz-Zellen weisen die ansonsten sehr gleichmäßigen Strukturen der CCD-Zeilen einen kleinen Bruch auf. Darauf folgen auf jeder Seite zwei weitere CCD-Zellen (rosa), deren Funktion sich nicht eindeutig zuordnen lässt. In den Blockschaltbildern des L133C und des CCD133 werden diese Bereiche nicht erwähnt.

Die Gleichspannung Vt, mit der die CCD-Zeilen arbeiten, wird seitlich zugeführt. Der zugehörige Transporttakt Vgt kontaktiert die CCD-Zeilen am Anfang. Gut zu erkennen ist, dass das Potential Ve (Eingangsdiode) zu allen CCD-Zeilen geführt wird und dort die Transportschicht darstellt. Das Photogate müsste an das Potential nb (Pin 14) angebunden sein. Ganz eindeutig lässt sich das nicht klären, die Leitungsführung würde allerdings dazu passen. Weitere Verbindungen vom nb Potential zu den CCD-Zeilen müssen auf irgendeine Art ein mittleres Potential abgreifen, wahrscheinlich das Vt-Potential. Die Potentiale nc7 und nc10 scheinen die beiden erste Elektroden der zwei Transportregister zu beeinflussen. Vielleicht handelt es sich um die Strukturen, die den Weiß-Referenzwert an das Ende der gespeicherten Werte anhängt. Laut CCD133-Datenblatt ist die Menge der dort abgelegten Ladungen vom Potential der "Eingangsdiode" abhängig und stellt so einen realen Weiß-Referenzwert dar. Vielleicht könnte man über die Pins 7 und 10 die Weiß-Referenzwerte beeinflussen.

 

L133C Die Detail

L133C Die Detail

Die Potentiale nc7 und nc10 kontaktieren direkt und ohne weiteres zwei Gateelektroden. Damit sich dort ohne weitere Kontaktierung keine undefinierten Potentiale einstellen, besitzen die zugehörigen Bondpads Pulldown-Strukturen.

 

Final Report Solid State High Resolution Mulit-Spectral Imager CCD Test Phase

Die Blockschaltbilder des L133C und des CCD133 zeigen auf beiden Enden der CCD-Zeile zweimal zwei Dunkel-Referenzzellen und zu den Nutzwerten hin zweimal zwei Isolationszellen. Die für den CCD133 verfügbaren Signalverläufe zeigen allerdings, dass am Anfang der CCD-Zeilen auch noch vor den Dunkel-Referenzzellen zwei Isolationszellen platziert sind, bevor die Weiß-Referenzwerte folgen. Das stimmt mit den zusätzlichen Zellen am Anfang des L133C überein.

Das hier abgebildete Diagramm stammt aus dem Bericht "Final Report Solid State High Resolution Multi-Spectral Imager CCD Test Phase", bezieht sich allerdings nicht direkt auf den CCD133. Ein ähnliches Diagramm findet sich aber auch im Datenblatt des CCD133.

 

L133C Die Detail

An der unteren Kante ist eine große Struktur integriert. Die Schaltung beeinflusst abhängig von den Potentialen Vgx (Übertragungsgate) und Vgt (Transporttakt) das Potential des Photogates (nb). Wahrscheinlich handelt es sich um eine Umschaltung, die die Übertragung der durch Lichteinfall generierten Ladungspakete in die Transportregister unterstützt.

 

L133C Die Detail

Am rechten Ende des Dies befinden sich die Ausgänge der Transportregister und an der oberen Kante noch ein etwas größerer Schaltungsteil.

Interessant ist, dass die Potentiale SHoutA, VshA, SHoutB und VshB nicht weiter angebunden sind. Es handelt sich laut L333C-Datenblatt um "Ausgang des Sample & Hold Impulsgenerators" und "Gate des Sample & Hold Transistors" für die beiden Transportregister. Üblicherweise werden diese Potentiale extern verbunden. Das zeigt auch das Datenblatt des CCD133. Wahrscheinlich waren die Pins dafür gedacht die Steuerung der Ausgabe über eine externe Schaltung kontrollieren zu können oder auf die internen Steuersignale zu reagieren. Es ist sehr verwunderlich, dass die Potentiale auf dem Die des L133C nicht angebunden sind.

 

L133C Die Detail

L133C Die Detail

Wo das Photogate endet, befinden sich weitere vier Isolationszellen (weiß) und vier Dunkel-Referenzwerte (lila). Interessant ist, dass das letzte und zur Hälfte noch das vorletzte der eigentlich aktiven Pixel von der Metalllage verdeckt sind. Die Übertragungsgates sind mit roten Pfeilen markiert.

Die Transportregister, die am Ausgang zusammengeführt werden, sind hier deutlich zu erkennen (grün). Die Transportregister laufen spitz zu. Das verdichten der Ladungspakete erhöht die Spannung, die die Ladungspakete erzeugen, was die Auswertung erleichtert. Das mit RES bezeichnete Gate neutralisiert nach dem Auslesen das aktuelle Ladungspaket. Dazu schaltet ein Transistor einen Pfad zum positiven Versorgungspotential, wohin die Ladungen abfließen können. Der folgende Bereich C scheint den Speicherkondensator darzustellen. Höchstwahrscheinlich befindet sich in dem ovalen Bereich ein dünnes Gateoxid, das für eine verhältnismäßig hohe Kapazität sorgt. Zuletzt steuert das Potential den Transistor OUT, der wiederum über einen Highside- und einen Lowsidetransistor eine proportionale Spannung am Ausgang einstellt. Alle beschriebenen Schaltungsteile sind zweimal vorhanden Zwischen dem Ausgang der Transportregister und der Push-Pull-Endstufe befinden sich Transistoren, die die Ausgänge während dem Wechsel auf den nächsten Wert deaktiveren.

Das EOS-Register (blau, oben) mündet in eine Auswerteschaltung wie sie auch bei den Transportregistern integriert ist. Das Zusatzregister (blau, unten) wird dagegen direkt zum Versorgungspotential geführt.

Die Ausgabe der gespeicherten Ladungspakete steuern fünf Potentiale, die von oben zugeführt werden. Die Pins 19 und Pin 20 sind im Datenblatt mit "nicht anschließen" bezeichnet. Pin 19 stellt einen Push-Pull-Ausgang dar. Pin 20 ist an die Ansteuerung dieser Endstufe angebunden, die außerdem auf das konstante Potential der Transportregister und ein Steuersignal am Ausgang der Transportregister zugreift. Die genaue Funktion dieser Schaltung bleibt unklar.

 

L133C Die Detail

Die Schaltung an der oberen Kante des Dies erzeugt die Steuersignale für die Ausgabe der in den Transportregistern gespeicherten Ladungen. Von links erhält die Schaltung das Versorgungspotential Vcd ("Draingebiete der Takttreiber"). Außerdem ein Potential aus der CCD-Zeile als Steuersignal. Mit Sicherheit handelt es sich um den Transporttakt, der als Grundlage für die Steuersignale dient.

 

L133C Die Detail

Der Pin 5, der laut Datenblatt nicht angeschlossen werden darf, besitzt einen verhältnismäßig großen Transistor, der als Pull-Up-Struktur dient. Das Potential wird von da aus direkt in den Ausgabebereich der Transportregister geführt. Was das Potential dort bewirkt bleibt unklar.

Rechts befindet sich eine größere Schaltung, die sich im weiteren Verlauf noch dreimal findet. Bei genauer Betrachtung ist eine verhältnismäßig große Push-Pull-Endstufe zu erkennen, deren Ausgangspotential nach rechts geführt wird. Der Lowside-Transistor wird direkt vom Transporttakt angesteuert. Dem Highside-Transistor sind mindestens zwei Kondensatoren und ein als Widerstand verschalteter Transistor zur Seite gestellt. Da der Lowside-Transistor direkt vom Transporttakt angesteuert wird, kann man davon ausgehen, dass die Schaltung das Taktsignal nicht verzögert, sondern den Tastgrad ändert.

 

L133C Die Detail

Zwischen den größeren Schaltungsteilen befinden mehrere kleinere Schaltungen, die sehr ähnlich, teilweise gleich sind. Hierbei könnte es sich um Gatter handeln, die zum Transporttakt eine gewisse Durchlaufzeit addieren.

Insgesamt werden vier unterschiedliche Taktsignale generiert und zum Ende der Transportregister geführt. Um die Ladungspakete passend ausgeben zu können, benötigt der Ausgang einer CCD-Zeile üblicherweise leicht abweichende Taktsignale.

 

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