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CF
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DES
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depo
(1)
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Gene Or Protein
(5/ 9)
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Cp 3
(3)
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Etre
(2)
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Est-a
(2)
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MOS 2
(1)
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Sto
(1)
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Physical
(7/ 7)
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3 s
(1)
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de zero volt
(1)
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12 V
(1)
[19][_]
17 V
(1)
[20][_]
3 V
(1)
[21][_]
22,7 V
(1)
[22][_]
de 18 V
(1)
[23][_]
Disease
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Bruit
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2513832A1
Family ID 4597710
Probable Assignee Thomson Csf
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title DISPOSITIF DE LECTURE EN COURANT D'UNE QUANTITE DE CHARGES
ELECTRIQUES ET FILTRE A TRANSFERT DE CHARGES MUNI D'UN TEL DISPOSITIF
Abstract
_________________________________________________________________
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF DE LECTURE EN COURANT
D'UNE QUANTITE DE CHARGES ELECTRIQUES.
LE CIRCUIT DE COMMANDE DU PREMIER ET DU DEUXIEME TRANSISTORS MOS Q ET
Q RECOIT UN POTENTIEL CONSTANT V ET COMPORTE:
- UN TROISIEME TRANSISTOR Q DONT LE DRAIN ET LA GRILLE SONT RELIES AU
POTENTIEL CONSTANT V ET DONT LA SOURCE EST RELIEE AU DRAIN ET A LA
GRILLE DU DEUXIEME TRANSISTOR Q;
- UNE SECONDE CAPACITE C RELIEE PAR L'UNE DE SES BORNES AU POINT
COMMUN F DU DEUXIEME ET DU TROISIEME TRANSISTOR Q ET Q.
APPLICATION A LA LECTURE DES QUANTITES DE CHARGES ARRIVANT SOUS LES
ELECTRODES DE STOCKAGE DE FILTRES A TRANSFERT DE CHARGES.
Description
_________________________________________________________________
DISPOSITIF DE LECTURE EN COURANT D'UNE QUANTITE
DE CHARGES ELECTRIQUES ET FILTRE A TRANSFERT
DE CHARGES MUNI D'UN TEL DISPOSITIF
La presente invention concerne un dispositif de lecture en
courant d'une quantite de charges electriques Elle concerne egale-
ment les filtres a transfert de charges munis d'un tel dispositif.
De tels dispositifs sont connus, en particulier par la demande de
brevet francais, deposee le 4 Juillet 1978 sous le n' 78 19933, au nom
de THOMSON-CSF et publiee sous le N O 2 430 694 Le dispositif selon la
presente invention se distingue de celui decrit dans la demande de
brevet citee par la structure du circuit de commande
des transistors Q 2 et Q 3.
On rappelle que ce circuit de commande a pour role d'assurer la charge
de la capacite CA et le maintien du transistor Q 2 en saturation, et
par suite le maintien d'un potentiel constant au point B d'arrivee des
charges, lors de l'afflux des charges Ainsi, cet afflux des charges a
pour effet une variation de potentiel au point commun A des
transistors Q 2 et Q 3, ce qui permet d'obtenir le signal de lecture.
Alors que dans la demande de brevet precedemment citee ce circuit de
commande est constitue de trois transistors MOS Q 4, Q 5 et Q 6, et de
deux capacites CE et CF, dans le dispositif selon la presente
invention, le circuit de commande ne comporte plus qu'un
seul transistor et qu'une seule capacite.
Le dispositif selon la presente invention presente donc des
avantages de simplicite et de diminution de l'encombrement.
La presente invention concerne un dispositif de lecture en courant
d'une quantite de charges electriques qui comporte un premier et un
deuxieme transistors MOS Q 2 et Q 3 qui sont relies en serie, au point
d'arrive B de la quantite de charges Une premiere capacite CA est
reliee par l'une de ses bornes au point commun A des deux transistors
Ce dispositif comporte egalement un circuit de
commande des deux transistors Q 2 et 03 Selon la presente inven-
13832
tion, ce circuit de commande recoit un potentiel constant VDD et
comporte: un troisieme transistor MOS Q 4 dont le drain et la grille
sont relies au potentiel constant VDD et dont la source est reliee au
drain et a la grille du deuxieme transistor Q 3; une seconde capacite
CF qui est reliee par l'une de ses bornes au point commun F du
deuxieme et du troisieme transistors
Q 3 et Q 4.
D'autres objets, caracteristiques et resultats de l'invention
ressortiront de la description suivante, donnee a titre d'exemple non
limitatif et illustree par les figures annexees qui representent: les
figures 1 et 2, des schemas du dispositif selon l'invention; les
figures 3 a, b et c, une vue en coupe transversale des
transistors MOS Q 3 et Q 4 et des schemas expliquant leur fonction-
nement.
Sur les differentes figures, les memes signes de reference designent
les memes elements, mais, pour des raisons de clarte, les
cotes et proportions des divers elements ne sont pas respectes.
La figure 1 represente un schema du dispositif de lecture en
courant d'une quantite de charges electriques selon l'invention.
Cette figure 1 ne differe de la figure 1 de la demande de brevet
precedemment citee que par la structure du circuit de commande des
transistors MOS Q 2 et Q 3 Sur la figure 1, ce circuit de commande est
entoure d'un cadre en trait discontinu Sur les deux figures, on a
utilise les memes signes de reference En ce qui
concerne la description de la figure 1 de la presente demande de
brevet, on se reportera donc a la description de la figure 1 de la
demande de brevet precedemment citee, excepte en ce qui concerne
le circuit de commande qui va etre decrit.
On rappelle cependant que ce dispositif de lecture comporte deux
transistors MOS 2 et Q 3 qui sont relies en serie au point
d'arrivee B de la quantite de charges a lire.
Une capacite CA est reliee par l'une des ses bornes au point commun A
des deux transistors L'autre borne de la capacite CA est reliee a la
masse Le transistor MOS Q 2 recoit la quantite de charges a mesurer
par l'intermediaire d'une capacite Cg, qui est connectee entre le
point B et la masse Au point B, est egalement connecte un transistor
MOS Q 1 qui assure la remise a zero du dispositif Au point commun A du
premier et du deuxieme transistor est reliee une capacite CL Cette
capacite est reliee par son autre borne S, a un transistor Q 9 qui
permet a partir d'un second potentiel constant Vp, inferieur ou egal
au potentiel VDD qui alimente le circuit de commande, une pre-charge
de la capacite CL' Enfin, le dispositif comporte un circuit assurant
l'echantillonnage et maintien du signal disponible au point SI, et
fournissant le signal de sortie 52
du dispositif.
Le circuit de commande selon la presente invention des
transistors Q 2 et Q 3 est constitue par un transistor MOS a enrichis-
sement Q 4, dont le drain et la grille sont relies au potentiel
constant VDD La source de Q 4 est reliee au drain et a la grille du
transistor MOS Q 3 Une capacite CF est reliee par l'une de ses bornes
au point commun F des transistors MOS Q 3 et Q 4 Sur son autre borne
la capacite CF recoit le signal d'horloge Oc qui est represente a la
figure 2 e, de la demande de brevet precedemment citee Dans le circuit
de commande selon la presente invention, le transistor MOS Q 3 est un
transistor MOS a enrichissement; dans la demande de brevet
precedemment citee, le transistor MOS Q 3 etait un transistor a
depletion Le type des autres transistors MOS du dispositif
(depletion ou enrichissement) n'est pas modifie.
La presente description est faite dans le cas de transistors
MOS a canal N dont la plupart sont a enrichissement et dont certains Q
2, QI 1 et Q 14 sont a depletion Il est bien entendu qu'il est
possible de realiser le dispositif avec des transistors MOS a canal P
De meme, il est possible de remplacer certains transistors MOS a
depletion par des transistors MOS a enrichissement, et vice-versa.
Toutefois, les transistors Q 3 et Q 4 sont des transistors a enrichis-
sement et si l'on utilise pour QI, et Q 14 des transistors MOS a
enrichissement, on doit connecter leur grille a leur drain au lieu de
la connecter a leur source, comme c'est le cas sur la figure 1 On peut
aussi remarquer qu'en ce qui concerne le transistor MOS O 2 ' on a
interet a conserver un transistor MOS a depletion dont le bruit
propre est moins eleve que celui d'un transistor MOS a enrichis-
sement. On va maintenant examiner le fonctionnement du circuit de
commande des transistors MOS 02 et Q 3 selon la presente invention.
Pour expliquer ce fonctionnement, on va utiliser les figures 3 a, b,
et c qui montrent une vue en coupe transversale des transistors MOS Q
3 et Q 4 et des schemas qui representent l'evolution du potentiel de
surface O S dont le substrat semi-conducteur 2 Les zones hachurees
-indiquent la presence de porteurs minoritaires Sur la figure 3 a, on
trouve de gauche a droite: le transistor MOS Q 4 constitue par deux
diodes Di et D 2 et par une grille G 1 La diode Di et la grille G 1
sont reliees au potentiel constant VDD; la capacite CF qui recoit le
signal d'horloge Oc et qui est
connectee au point F Cette capacite n'est generalement pas inte-
gree sur la pastille de semi-conducteur a cause de sa valeur elevee;
le transistor MOS Q 3 qui est constitue par deux diodes D 3 et D 4 et
par une grille G 2 La diode D 3 et la grille G 2 sont reunies; la
capacite CA qui est generalement integree sur la pastille de
semi-conducteur 2, et qui est representee de facon symbolique
sur la figure 3 a, connectee entre le point A et la masse.
La figure 3 a represente l'evolution des potentiels de surface, en
regime initial, c'est-a-dire lorsque le signal d'horloge OC se
trouve encore au niveau bas et n'a jamais ete au niveau haut.
Etant donnee la facon dont les transistors Q 3 et Q 4 sont
connectes, ils se trouvent en regime de saturation.
Le potentiel sur la diode Dl est fixe a VD Sous la grille G 1, le
potentiel est fixe a V VT 4, o VT 4 represente la tension de seuil du
transistor Q 4 La diode D 2 et la diode D 3 s'alignent sur le
potentiel VDD VT 4 Sous la grille G 2 du transistor Q 3, on trouve
donc un potentiel egal a VDD VT 4 VT,, o VT 3 represente la tension de
seuil du transistor Q 3 La diode D 4 du transistor Q 3
s'aligne egalement sur ce potentiel.
La capacite CF connectee au point F se charge a travers le transistor
Q 4, sensiblement a courant constant, au potentiel: VDD VT 4 Pendant
le meme temps, la capacite CA se charge a travers le transistor MOS Q
3, sensiblement a courant constant, au
potentiel: VDD VT 4 VT 3.
La figure 3 b, represente l'evolution des potentiels de surface
lorsque le signal d'horloge OC passe au niveau haut Les signaux
d'horloge du dispositif lorsqu'ils passent du niveau bas au niveau
haut, passent d'une tension de zero volt a une tension egale a
V&#x003C;X.
Lorsque le signal de commande Oc passe au niveau haut, le potentiel
sur les diodes D 2 et D 3 passe a: VDD VT 4 + Vo Le transistor MOS Q 4
se trouve donc bloque Sous la grille G 2 et la diode D 4, le potentiel
s' etablit a: V DD VT 4 + V VT 3 La capacite CA se charge a travers le
transistor Q 3 qui est toujours en saturation a un potentiel qui
s'ecrit: CF
(VDD VT 4 + V&#x003C;"* T 3
Sur la diode D 4 connectee au point A, on retrouve ce meme potentiel.
Cette tension est la tension de pre-charge du point A qui permet de
mettre le transistor Q 2 en saturation avant que les charges
n'arrivent au point B au temps t 3 qui est represente sur la figure 2
a du document cite comme l'instant o le signal d'horloge XI, qui est
applique au filtre a transfert de charge sur lequel on veut
lire des charges, revient a zero.
La capacite CF peut recevoir le signal d'horloge Oc comme cela a ete
represente sur la figure 1 On peut aussi utiliser le signal d'horloge
ORAZ' qui est represente sur la figure 2 c de la demande de brevet
precedemment citee On peut aussi utiliser tout autre signal d'horloge
qui soit au niveau haut pendant le temps T O indique sur la
figure 2 a de la demande de brevet precedemment citee.
La figure 3 c represente l'evolution des potentiels de surface
dans le substrat lorque le signal d'horloge Oc passe au niveau bas.
Au temps t 3, une quantite de charges Q arrive au point B ce qui'se
traduit par une diminution de potentiel en B Cette quantite de charges
Qs est transmise au point A et la capacite CA se decharge d'une
quantite de charges egale a la quantite de charges Q 5 Le potentiel en
A est diminue Le potentiel sur la diode D 4 diminue puis
s'aligne sur celui existant sous la grille G 2.
La valeur de la capacite CF est choisie suffisament impor-
tante pour que cette capacite ne se decharge pratiquement pas
lorsque le signal d'horloge Oc se trouve au niveau bas.
Lorsque le signal d'horloge OC passe a nouveau au niveau haut, les
charges des capacites CA et CF sont a nouveaux fixees de facon
bien precise On retrouve les potentiels de la figure 3 b.
En pratique, la capacite CF a une valeur trente a cent fois superieure
a celle de la capacite CA' Des valeurs typiques des tensions VDD, V,
VT 3 et VT 4 sont
VDD = 12 V
V = 17 V
&#x003C;
VT 3 VT 4 = 3 V
Si on choisit CF/CA = 100, la tension de pre-charge du point A, VA,
qui est calculee egale 22,7 V En fait, la tension VA mesuree
n'est que de 18 V a cause des capacites parasites du circuit.
On constate que la tension de pre-charge du point A, VA, est de
l'ordre de vingt volts alors que le dispositif ne reclame pour
fonctionner qu'une tension continue ne depassant pas VDD, qui est
de l'ordre de douze volts.
La valeur de la capacite CF depend de la valeur de la capacite CA Si
on choisit de prendre pour valeur de CA: CA =l Op F, la capacite CF
est alors une capacite de 300 a 10 O Op F qui sera exterieure au
substrat En general, la capacite C A sera integree sur la pastille de
semi-conducteur En pratique, il est possible d'integrer
des capacites jusqu'a 3 Op F sans que cela pose de problemes, d'en-
:7
combrement notamment.
La figure 2 represente un schema du dispositif selon l'invention qui
presente quelques modifications par rapport au schema de la
figure 1.
On remarque que le transistor Q 2 recoit sur sa grille une tension
continue VO, les transistors Q 1 et Q 9 et la capacite CF recoivent le
meme signal d'horloge O De plus on a represente sur la
figure 2 les capacites parasites C Pl et Cp 3 existant sur les
transis-
tors Q 1 et Q 3.
Pour simplifier les circuits d'horloge et faciliter l'obtention des
signaux d'horloge dans le cas de fonctionnement a plus haute
frequence, le filtre a transfert de charge sur lequel le dispositif
selon l'invention permet d'effectuer des lectures de quantite de
charges peut fonctionner en monophase, c'est-a-dire avec un seul
signal d'horloge.
Les filtres a transfert de charges sont decrits dans la demande
de brevet precedemment citee.
On rappelle que les filtres a transfert de charges associes aux
dispositifs de lecture selon l'invention, comportent un substrat semi-
conducteur recouvert d'une couche isolante sur laquelle sont depo-
sees des electrodes de stockage des charges Des electrodes de
transfert des charges sont deposees entre les electrodes de stockage
dont elles sont isolees par une couche isolante supplementaire.
Chaque electrode de transfert est reliee a l'electrode de stockage
adjacente Une electrode de stockage sur deux est coupee en deux ou
plusieurs parties et la lecture ne s'effectue generalement que
sous une partie de chaque electrode de stockage coupee.
Lorsqu'il fonctionne en monophase, le filtre ne recoit pas les signaux
d'horloge 1 et 2 qui sont representes sur les figures 2 a et
2 b de la demande de brevet precedemment citee.
Ce filtre ne recoit plus alors qu'un seul signal d'horloge, O 1, par
exemple, qui est applique par exemple, aux electrodes de
stockage impaires.
Les electrodes de stockage paires recoivent alors une tension
continue proche de Vof 2 et la lecture se fait sous ces electrodes.
La grille de Q 2 recevant la tension V O proche de V 0,/2, lorsque la
quantite de charges a lire Q 5 arrive au point B, le transistor Q 2
est alors en saturation et la tension au point B egale: V O VT 2 Les
electrodes de stockage paires sous lesquelles se fait la lecture sont
generalement coupees en deux ou plusieurs parties La lecture des
charges ne s'effectue generalement que sous une partie de chacune de
ces electrodes de stockage Les parties non utiles des electrodes de
stockage sont reliees a la tension continue V,/2, il est alors
preferable d'appliquer lors de la lecture la meme tension sous les
parties utiles des electrodes de stockage qui sont reliees au point B.
On choisit donc en consequence le potentiel V O tel que: VO VT 2 =
Vo/2, soit V O = V 12 + VT 2 Dans le cas de la figure 1, la capacite
CF et le transistor 09 recoivent le signal d'horloge Xc, et le
transistor Q 1 recoit le signal d'horloge ORAZ On peut appliquer a la
capacite CF et aux transistors Q 1 et 09 le meme signal d'horloge O Ce
signal d'horloge
peut etre l'un des signaux OC ou ORAZ' ou bien un signal interme-
diaire qui soit au niveau haut pendant le temps T 2 qui est indique
sur la figure 2 de la demande de brevet precedemment citee Dans le cas
de la figure 2 o le filtre auquel le dispositif de lecture est associe
fonctionne en monophase, on peut utiliser comme signal d'horloge O le
signal d'horloge 01 Il faut alors s'assurer que le transistor Q 1
passe bien a l'etat bloque avant que la quantite de charges a lire
n'arrive au point B. On remarque en effet que sur la figure 2 le
transistor Q 1 n'est plus connecte a la masse mais a une tension
continue reglable VR' Etant donnee la tension de seuil du transistor Q
1 et la tension de polarisation VR qui est habituellement choisie, le
transistor Q 1 se trouve bloque lorsque 1 arrive a V,2, alors que les
charges n'ont pas encore ete transferees sous les electrodes de
stockage reliees au point B. Lorsque le signal d'horloge 01 est
applique a la capacite CF et aux transistors Q 1 et Q 9, deux signaux
d'horloge O X et OECH suffisent a assurer le fonctionnement en
monophase du filtre et de
son dispositif de lecture.
Les couplages parasites jouent un role important pour fixer les
potentiels aux points A et B au moment de la lecture Sur la figure 2
on a represente de facon symbolique, en pointilles, les capacites
parasites Cp 3 entre l'ensemble drain plus grille et la source de QY
et C Pl entre la grille et le drain de QI Il faut aussi tenir compte
de la capacite de recouvrement Cr entre les electrodes de transfert et
de stockage du filtre auquel le dispositif de lecture est relie A
cause de ces capacites parasites, la variation totale des potentiels
au point A lors de l'arrivee en B d'une quantite de charges QS
s'ecrit:
C C + C VO- VR (VO + VT 27 CA
A A A A
Le dernier terme montre qu'il est possible en ajustant la tension
continue reglable VR de corriger l'erreur introduite par les capacites
parasites C,Pl CP 3 et Cr' Il est bien entendu qu'il est possible
d'associer le dispositif selon l'invention a des filtres a transfert
de charges de structure legerement differente, pour lesquels en
particulier, la lecture des
charges s'effectue sous deux parties de chaque electrode de sto-
ckage coupee.
Claims
_________________________________________________________________
R E V E N D I C A T I 1 O N S
1 Dispositif de lecture en courant d'une quantite de charges
electriques comportant un premier et un deuxieme transistors MOS (Q 2
et Q 3) relies, en serie, au point d'arrivee (B) de la quantite de
charges, une premiere capacite (CA), reliee par l'une de ses bornes au
point commun (A) des deux transistors et un circuit de commande de ces
deux transistors, assurant la charge de la premiere capacite (CA) et
le maintien du premier transistor (Q 2) en saturation, lors de
l'afflux des charges, cet afflux ayant pour effet une variation de
potentiel au point commun (A), qui fournit le signal de lecture,
caracterise en ce que ce circuit de commande recoit un potentiel
constant (VDD) et comporte: un troisieme transistor MOS (Q 4) dont le
drain et la grille sont relies au potentiel constant (VDD) et dont la
source est reliee au drain et a la grille du deuxieme transistor (Q
3); une seconde capacite (CF), reliee par l'une de ses bornes au point
commun (F) du deuxieme et du troisieme transistors (Q 3 et Q 4). 2
Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce qu'au point
d'arrivee (B) est connectee une troisieme capacite (Cg) de
stockage des charges.
3 Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterise
en ce qu'il comporte un quatrieme transistor (Q 1) assurant la remise
a zero du dispositif.
4 Dispsositif selon l'une des revendications 1 a 3, caracterise
en ce qu'il comporte une quatrieme capacite (CL) reliee au point
commun (A) des premier et deuxieme transistors (Q 2, Q 3), qui est
reliee par son autre borne ( 1) a un cinquieme transistor (Q 9) qui
permet, a partir d'un second potentiel constant (Vp) inferieur ou egal
au premier (VDD), une pre-charge de la quatrieme capacite
(CL).
Dispositif selon la revendication 4, caracterise en ce qu'il comporte
un circuit assurant l'echantillonnage et maintien du signal
33832
disponible au point commun (SI) de la quatrieme capacite (CL) et du
cinquieme transistor (O 9 &#x003E;), et fournissant le signal de
sortie du dispositif.
6 Dispositif selon l'une des revendications precedentes, carac-
terise en ce que le deuxieme et le troisieme transistors (Q 3 et Q 4)
sont des transistors a enrichissement.
7 Dispositif selon l'une des revendications precedentes, carac-
terise en ce que le premier transistor ( 02) est un transistor a
depletion.
1 i O 8 Dispositif selon l'une des revendications precedentes, carac-
terise en ce que le quatrieme transistor (QI) et le cinquieme
transistor (Q 9) sont des transistors a enrichissement.
9 Dispositif selon l'une des revendications precedentes, carac-
terise en ce que les transistors MOS sont a canal N.
10 Filtre a transfert de charges, comportant un substrat semi-
conducteur recouvert d'une couche isolante, sur laquelle alternent des
electrodes de transfert et des electrodes de stockage des charges, ces
electrodes assurant, sur application de potentiels donnes, le
transfert des charges dans le substrat, caracterise en ce
qu'il comporte un dispositif selon l'une des revendications prece-
dentes qui assure la lecture de quantites de charges sous les
electrodes de stockage coupees en deux ou plusieurs parties.
I l Filtre selon la revendication 10, caracterise en ce qu'il
fonctionne en monophase, une electrode de stockage sur deux recevant
un signal d'horloge ( 01) alors que les autres electrodes de stockage
sont coupees en deux ou plusieurs parties, la lecture des charges
s'effectuant sous au moins une partie de chacune de ces electrodes de
stockage, dont les parties non utiles recoivent une tension constante
(VO/2), et en ce que le premier transistor (Q 2) recoit sur sa grille
une tension constante (VW/2 + VT 2) telle que le potentiel du point B
auquel sont reliees les parties utiles des electrodes de stockage,
egale lors de l'afflux des charges, celui
(V 0/2) applique sur les parties non utiles des electrodes de
stockage.
12 Filtre selon l'une des revendications 10 ou Il, caracterise
en ce que la second capacite (CF), et le quatrieme (QI) et le
cinquieme (Qq), transistors recoivent le meme signal d'horloge (; 1).
13 Filtre selon la revendication 12, caracterise en ce que ce signal
d'horloge (O 1) est le meme que celui qui est applique a une electrode
de stockage sur deux.
14 Filtre selon l'une des revendications 10 a 13, caracterise en
ce que l'une des bornes du quatrieme transistor (Q 1) recoit une
tension continue (VR) qui est ajustee pour compenser les charges
parasites transferees au point commun (A) du premier et du deuxieme
transistors (Q 2 et Q 3) en meme temps que la quantite de
charges a lire.
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