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Werk für Fernsehelektronik L211C

L211C

Das Werk für Fernsehelektronik Berlin hat mit dem L211C einen 190x244 CCD-Bildsensor entwickelt. Der Baustein ähnelt dem CCD211 von Fairchild.

Die Zeichen M1 scheinen ein Datecode zu sein. M1 würde aber für den Januar 1980 stehen. Das ist allerdings nicht plausibel, da der erste CCD des WF, der L110C, erst im Jahr 1981 angeboten wurde.

 

L211C Kurzdatenblatt

Das Kurzdatenblatt des Bausteins zeigt die Pinbelegung. 11 der 24 Pins sind Testpunkte.

 

L211C Gehäuse

L211C Gehäuse

L211C Gehäuse

Wie der L133C befindet sich auch der L211C in einem zweiteiligen Kunststoffgehäuse.

 

L211C Gehäuse

Der CCD-Sensor befindet sich in einer Ausbuchtung des unteren Gehäuseteils. Es fällt auf, dass das Massepotential lediglich die Beschichtung in der Ausbuchtung kontaktiert. Erst zwei seitliche Bonddrähte führen das Potential auf die Oberseite des Dies. In diesem speziellen Fall ist es sinnvoll das Substrat mit einer niedrigeren Impedanz anzubinden. Das einfallende Licht erzeugt freie Ladungsträger im Silizium. Die negativen Ladungen werden weiterverarbeitet, die positiven Ladungen fließen durch das Substrat ab. Das Ableiten der positiven Ladungen muss möglichst homogen erfolgen, da sich ansonsten lokale Potentialverschiebungen ergeben. Unregelmäßigkeiten im Potentialverlauf könnten die Bildwandlung stören.

 

L211C Gehäuse

Auf der Beschichtung unter dem Die wurden Markierungen eingeritzt, die wahrscheinlich der Ausrichtung des Sensors dienten.

 

L211C Die

L211C Die

Mit einer Kantenlänge von 6,3mm ist das Die verhältnismäßig groß.

 

L211C Die Detail

An der oberen Kante des Dies befinden sich Strukturen, die es ermöglichen die Ausrichtung der Masken zu überprüfen. Auffällig ist, dass die Flächen nicht ganz sauber gefertigt wurden.

 

L211C Die Fehler

Auch innerhalb der CCD-Matrix findet sich ein Fehler. Dort fehlt ein nicht unerheblicher Teil der Metalllage. Man kann davon ausgehen, dass die beiden betroffenen Pixelspalten nur noch gestörte Signale liefern.

 

Fairchild CCD The Solid State Imaging Technology

Das Kurzdatenblatt des L211C führt lediglich die Bezeichnung L211C. Der Fairchild Katalog "CCD The Solid State Imaging Technology" aus dem Jahr 1981 beschreibt den ähnlich aufgebauten CCD211 sehr viel ausführlicher. Dort steht der Buchstabe am Ende der Typbezeichnung für die Qualität des Bausteins. Sie sinkt von A nach C. In der C-Variante dürften bereits drei benachbarte Spalten gestört sein. Vielleicht stellt der L211C ebenfalls die niedrigste Qualitätsstufe dar, bei der derartige Fehler akzeptiert wurden.

 

L211C Die Detail

An der oberen Kante des Dies finden sich noch einige interessante Strukturen (hier gedreht). Die quadratischen Symbole zeigen ein weiteres Mal die Ausrichtung der Masken, können aber wahrscheinlich auch als Ätzmarker und zur Bewertung der Fertigungsqualität verwendet werden. Die Bezeichnung des Designs lautete anscheinend 1L211. Rechts sind acht Masken abgebildet. Wie bei DDR-Schaltkreisen üblich, sind die Masken mit Buchstaben bezeichnet und die Zahlen stellen die jeweilige Revision dar. Über den Maskenbezeichnungen ist eine interessante Struktur integriert. Es scheint sich nicht um eine funktionale Teststruktur zu handeln. Man hat den Eindruck, dass darüber lediglich die Leistungsfähigkeit des Prozesses dargestellt werden sollte.

 

L211C Die Detail

An der unteren Kante sind noch einmal die gleichen quadratischen Strukturen wie an der oberen Kante abgebildet.

Die Bondpads sind verhältnismäßig breit und wurden alle einmal mit einer Testnadel kontaktiert.

 

Fairchild CCD The Solid State Imaging Technology

Fairchild CCD The Solid State Imaging Technology

Der Fairchild Katalog "CCD The Solid State Imaging Technology" zeigt ein ausführliches Blockschaltbild des CCD211. Der L211C ist sehr ähnlich aufgebaut, wobei es durchaus funktionale Unterschiede gibt, wie sich noch zeigen wird. Allein die Pinbelegung ist bereits unterschiedlich. Die Grundfunktion ist allerdings die gleiche. Während in der CCD-Zeile L133C die Ladungen der lichtempfindlichen Bereiche zu beiden Seiten der Zeile abgeführt wurden, ist hier jeder lichtempfindlichen Spalte nur eine Transportspalte zugeordnet. Die Funktionsweise ist ansonsten die Gleiche. Fällt Licht auf ein Pixel so entstehen dort freie Ladungsträger. Mit einem Wechsel des Fotogatepotentials wandern die Ladungen aller Pixel in die zugehörigen CCD-Spalten und das vollständige Bild ist gespeichert. Derart aufgebaute Bildsensoren werden Frame Interline Transfer CCD (FIT-CCD) genannt.

Um die gespeicherten Ladungen auslesen zu können, bewegen die vertikalen CCD-Zeilen die Ladungen um einen Platz nach oben. Die obersten Ladungen landen in der horizontalen CCD-Zeile, die sie nach rechts transportiert. Die maximale horizontale Taktfrequenz gibt das Datenblatt des L211C mit 7,2MHz an. Die vertikale Taktfrequenz muss verständlicherweise kleiner 29,5kHz sein, damit die horizontale CCD-Zeile alle Ladungen abtransportiert hat bevor die nächsten Ladungen aus den vertikalen Zeilen nachrücken.

Am Übergang von den vertikalen CCD-Zeilen in die horizontale CCD-Zeile befindet sich ein Anti-Blooming-Gate, worüber überschüssige Ladungen abfließen können. Wird ein Pixel überbelichtet, so entstehen mehr freie Ladungsträger als die isolierten Zellen aufnehmen können. Die Ladungen fließen dann in die benachbarten Zellen und erzeugen einen mehr oder weniger langen hellen vertikalen Streifen. Im horizontalen Schieberegister wächst dieser Streifen dann in die Breite. Das Anti-Blooming-Gate leitet solche überschüssigen Ladungen ab. Da nur das horizontale Schieberegister ein Anti-Blooming-Gate besitzt, bleibt vertikales Blooming beim CCD211 und beim L211C ein Problem. Man kann auch in den vertikalen Schieberegistern Anti-Blooming-Gates integrieren, das reduziert allerdings die lichtempfindliche Fläche und damit die Empfindlichkeit des Arrays.

Am Ausgang der horizontalen CCD-Zeile werden die gespeicherten Ladungen über ein Floating Gate ausgelesen und einem Ausgangsverstärker zugeführt. Eine sogenannte Sink Diode neutralisiert letztlich die Ladungspakete.

 

L211C Die Detail

An der unteren Kante des L211C ist auf den ersten Blick nichts Spezielles zu erkennen.

 

L211C Die CCD-Zeile

Bei einem genaueren Blick zeigt sich, dass unterhalb des Sensorarrays eine zusätzliche CCD-Zeile integriert ist. Die Testpunkte 3 und 4 liefern die Transporttakte, die an die Elektroden der CCD-Zeile angebunden sind. Auf der linken Seite werden die Ladungspakete über den Testpunkt 2 und das Massepotential aus dem Ladungskanal zum Testpunkt 1 geschleust.

In der Bildsensorfläche wechseln sich Pixelspalten und Vertikalschieberegister ab. In den Pixelspalten erzeugt einfallendes Licht freie Ladungsträger, die dann, gesteuert über das Potential Op (Fotogate), in die Vertikalschieberegister verschoben und nach oben hin abtransportiert werden.

Seitlich treffen die beiden Taktsignale Ov1 und Ov2 ein. Die Ov1-Zuleitung kontaktiert auf der linken Seite nur die unteren drei Zeilen, das Pontential wird aber über eine weiter innen liegende Leitung der Metalllage in den oberen Teil der Matrix geleitet.

 

L211C Die CCD-Zeile

Auf der rechten Seite der zusätzlichen CCD-Zeile ist kein spezielles Eingangspotential zu erkennen. Wahrscheinlich kontaktiert das Potential Op den Eingang der CCD-Zeile.

Das Potential Op hat in der Sensormatrix zwei Aufgaben. Es schaltet die Verbindung zwischen den lichtempfindlichen Pixeln und den vertikalen Transportregistern frei und dient gleichzeitig als Initialwert für die vertikalen Transportregister.

Die rechte Seite der Sensormatrix wird über die ganze Länge von den beiden Taktsignale Ov1 und Ov2 kontaktiert. Der Baustein besitzt auf beiden Seite Pins für diese Taktsignale.

 

Fairchild CCD The Solid State Imaging Technology

Fairchild erläutert den Aufbau der Sensormatrix recht ausführlich. Die aktiven Bereiche sind dort 12µm x 15µm groß und über 3µm breite Barrieren voneinander isoliert. Die vertikalen Schieberegister, die die Ladungen abtransportieren, schützten 18µm breite Aluminiumstreifen vor dem einfallenden Licht. Obwohl in diesem Baustein noch kein vertikales Anti-Blooming-Gate integriert ist, dient nur ein Drittel der Fläche der Umwandlung von Licht in Ladungen.

 

L211C Die Pixel

Die Pixelgröße des L211C lässt sich nur schwer abschätzen, da sich darin mehrere Strukturen überlagern. Man würde erwarten, dass der dunkle Bereich die lichtempfindliche Fläche darstellt (ungefähr 15µm x 15µm), die Bedeutung des kurzen rötlichen Streifens in der Mitte dieser Fläche bleibt unklar.

 

L211C Die Detail

In der oberen rechten Ecke des Dies befindet sich eine auffällig große Struktur. In der symbolischen Darstellung des Fairchild CCD211 ist neben der Sensormatrix ein relativ großer Bereich dargestellt, der als Output Amplifier bezeichnet wird.

 

L211C Die Detail

Am oberen Ende der Sensormatrix befindet sich das Horizontalschieberegister. Die Taktsignale für diese CCD-Zeile werden von oben zugeführt. Es scheint, dass der Eingang der CCD-Zeile mit dem nicht kontaktierte Testpad TPa verbunden ist. Darauf folgen zwei Elektroden, eine mit Massebezug und eine, die das offene Testpad TPb kontaktiert. Wie beim L133C befinden sich auch hier am Beginn des Horizontalschieberegisters einige abgedunkelte Zellen, die einen Dunkel-Referenzwert liefern.

Bevor die Ladungspakete aus den Vertikalschieberegistern im Horizontalschieberegister eintreffen, passieren sie das Anti-Blooming-Gate. Überflüssige Ladungen können darüber abfließen und beeinflussen so nicht die Signale der anderen Spalten. Oberhalb des Anti-Blooming-Gates befindet sich noch eine weitere Ov1-Elektrode zur Steuerung des Ladungstransports.

 

L211C Die Detail

Unterhalb der großen Struktur in der oberen rechten Ecke des Dies wird der Bereich um das Horizontalschieberegister deutlich breiter.

 

L211C Die Detail

Im Detail kann man erkennen, dass das Horizontalschieberegister ganz rechts eine Kurve beschreibt und dann wieder ein Stück weit nach links führt. Die Taktelektroden wurden so angeordnet, dass sie die Ladungen in die richtige Richtung leiten.

Kurz hinter der Wendung des Horizontalschieberegisters ist das Floating Gate des Ausgangsverstärkers integriert. Es handelt sich um eine Gatelektrode, die abhängig von der Größe des Ladungspakets in der CCD-Zeile den Ausgangsverstärker aussteuert. Nach links folgen noch einige weitere Floating Gates.

 

L211C Die Detail

Das Floating Gate steuert einen Transistor, mit dem exklusiven Bezugspotential Usf. Der zweite grüne Streifen stellt gleichzeitig einen Pull-Up-Widerstand und das Gate des Ausgangstransistors dar.

 

L211C Die Detail

In der Versorgungsleitung des Ausgangsverstärkers befindet sich ein Transistor, der anscheinend über das Potential des Testpunkts 7 gesteuert wird. Beim CCD211 wird der Ausgangsverstärker über einen Sample&Hold-Pin gesteuert. Im L211C ist nicht eindeutig erkennbar welches Potential der Testpunkt 7 führt. Es könnte sich um eines der Taktsignale des Horizontalschieberegisters handeln.

Der große, bisher nicht zugeordnete Schaltungsteil ist an viele Testpunkte aber keinen offiziell beschriebenen Pin angebunden.

 

L211C Die Detail

Die große Struktur scheint wie eine breite CCD-Zeile aufgebaut zu sein. Ungewöhnlich sind die zwölf floating Gates, die in regelmäßigen Abständen die CCD-Zeile beeinflussen. Am linken Ende teilt sich der Block in zwei unterschiedlich lange Streifen. Bevor die Ladungspakete im Versorgungspotential neutralisiert werden, steuern sie über zwei kurze Metallkontakte und zwei Floating Gates die zwei Transistoren ganz links im Bild. Das erinnert an die Ausgänge der Bucket Brigade Speicher, wie zum Beispiel dem Shanghai Belling BL3205, wo zwei Ausgänge kombiniert werden müssen, weil nur jede zweite Speicherzelle Informationen enthält.

Im linken Bereich ist deutlich erkennbar, dass die breite CCD-Zeile auf die Taktsignale des Horizontalschieberegisters zurückgreift. Über die Querverbindungen am oberen Ende scheint auch der rechte Teil diese Taktsignale zu nutzen.

 

IEEE Electron Multiplying Charge-Coupled Devices

IEEE Electron Multiplying Charge-Coupled Devices

Das zusätzliche breite Schieberegister stellt vermutlich einen Verstärker dar. Das würde auch zu der Bezeichnung im Datenblatt des CCD211 passen. Will man einen auf CCD-Zeilen basierenden Verstärker aufbauen, so kann man die generierten Ladungen über den Avalanche Effekt vervielfachen. Der IEEE-Artikel "The Noise Performance of Electron Multiplying Charge-Coupled Devices" (Transactions on Eletron Devices, Vol.50, No.5 Mai 2003) zeigt die Arbeitsweise eines solchen Verstärkers. An das horizontale Schieberegister ist ein weiteres Schieberegister angebunden, das mit höheren Spannungen arbeitet. In dem stärkeren elektrischen Feld werden die bereits vorhandenen Ladungen so stark beschleunigt, dass sie zusätzliche Ladungen erzeugen und so das Nutzsignal verstärkt wird.

 

Charge coupled amplifier

Wahrscheinlicher ist allerdings, dass es sich um einen sogenannten Charge Coupled Amplifier handelt, wie er zum Beispiel im Patent US3806772A beschrieben wird. Dabei laufen zwei CCD-Zeilen parallel und werden auf der Strecke mit mehreren Verstärkern verbunden. Der Aufbau ähnelt dem was man als verteilten Verstärker, einem "distributed amplifier" kennt. Auf dem vorliegenden Die sind die Verstärker zwischen den CCD-Zeile gut zu erkennen.

Interessant ist, dass dieser zusätzliche Verstärker beim Werk für Fernsehelektronik und bei Fairchild mit keinem Wort erwähnt wird. Die Anschlüsse tauchen in den Datenblättern lediglich als Testpunkte auf. Der Verstärker scheint zu komplex und zu groß, als dass man ihn nur als Teststruktur integrieren würde. Wahrscheinlich sollte der Schaltungsteil wirklich dazu dienen bei wenig Licht noch brauchbare Bildsignale zu erzeugen. Man kann nur vermuten, dass der Verstärker nicht für die breite Masse der Anwender gedacht war. Dazu passt natürlich nicht, dass der Verstärker im Fairchild Datenblatt eingezeichnet und als Verstärker bezeichnet ist. Vielleicht ging man davon aus, dass ein Anwender ohne Details der notwendigen Beschaltung den zusätzlichen Verstärker nicht nutzen kann.

 

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