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Die
Erfindung betrifft eine Ladungspumpenschaltung mit mehreren Anhebestufen.
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Allgemein
führen
nichtflüchtige,
lösch-
und programmierbare Speicherbauelemente Lösch- und/oder Programmiervorgänge für Speicherzellen unter
Verwendung von Fowler-Nordheim-Tunneln oder Kanalinjektion heißer Elektronen
aus. Dafür
ist eine hohe Spannung erforderlich, welche höher als eine von außen zugeführte Versorgungsspannung ist.
Die hohe Spannung kann durch einen externen Anschluss bereitgestellt
werden oder in einem Chip erzeugt und benutzt werden. Um eine so
hohe Spannung innerhalb eines Chips zu erzeugen, ist eine Generatorschaltung
für die
hohe Spannung erforderlich und ein solcher Generator wird auch als
Ladungspumpenschaltung bezeichnet.
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Durch
Reduzierungen der für
Chips zur Verfügung
gestellten Versorgungsspannung, wie sie in jüngerer Zeit erfolgen, wird
es schwierig, die hohe Spannung innerhalb der Chips zu erzeugen.
Es sind daher Ladungspumpenschaltungen erforderlich, welche effizient
arbeiten.
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1 zeigt
ein Schaltbild einer herkömmlichen
Ladungspumpenschaltung. Wie aus 1 ersichtlich
ist, umfasst die herkömmliche
Ladungspumpenschaltung eine Ladungsversorgungseinheit 10 und
eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Anhebe- bzw. Verstärkungsstufen 20, 30, 40 und 50.
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Die
Verstärkungsstufen 20, 30, 40 und 50 umfassen
jeweils Ladungstransfertransistoren P21, P31, P41 und P51, erste
Schalttransistoren P22, P32, P42 und P52, zweite Schalttransistoren
P23, P33, P43 und P53, dritte Schalttransistoren P24, P34, P44 und
P54, erste Kondensatoren C21, C31, C41 und C51, zweite Kondensatoren
C22, C32, C42 und C52, dritte Kondensatoren C23, C33, C43 und C53,
erste Dioden D21, D31, D41 und D51 und zweite Dioden D22, D32, D42
und D52.
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Die
Ladungstransfertransistoren P21, P31, P41 und P51 übertragen
Ladungen von Eingabeknoten I2, I3, I4 und I5, d.h. Ladungen, welche
von einer vorherigen Verstärkungsstufe
verstärkt
werden, zu Verstärkungsknoten
O2, O3, O4 und O5. Die ersten Schalttransistoren P22, P32, P42 und
P52 und die zweiten Schalttransistoren P23, P33, P43 und P53 sind
vorgesehen, um Spannungen an Volumenpunkten B2, B3, B4 und B5 der
Ladungstransfertransistoren P21, P31, P41 und P51 auf der höheren der Spannungen
an den Eingabeknoten I2, I3, I4 und I5 und der Spannungen an den
Verstärkungsknoten O2,
O3, O4 und O5 zu halten.
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Die
dritten Schalttransistoren P24, P34, P44 und P54, die ersten Kondensatoren
C21, C31, C41 und C51, die zweiten Kondensatoren C22, C32, C42 und
C52, die dritten Kondensatoren C23, C33, C43 und C53, die ersten
Dioden D21, D31, D41 und D51 und die zweiten Dioden D22, D32, D42
und D52 führen
eine Ladungsverstärkung
bzw. -anhebung durch. Ein Signal PUMPEN gibt eine Ladungszufuhreinheit 10 frei,
während
Signale PS1 und PS2 den Verstärkungsvorgang
steuern. Die endgültige
verstärkte Spannung
ist mit VPP bezeichnet.
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Werden
die an den Eingabeknoten I2, I3, I4 und I5 eingegebenen Ladungen
bzw. die von einer vorherigen Verstärkungsstufe verstärkten Ladungen über die
Ladungstransfertransistoren P21, P31, P41 und P51 zu einer jeweils
nächsten
Verstärkungsstufe übertragen,
dann sollten die Ladungstransfertransistoren P21, P31, P41 und P51
den Ladungstransfer nicht begrenzen. In anderen Worten ausgedrückt, die Ladungsübertragungseffizienz
der Ladungstransfertransistoren P21, P31, P41 und P51 sollte hoch
sein.
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In
herkömmlichen
Ladungspumpenschaltungen nehmen die Spannungspegel an den Verstärkungsknoten
O2, O3, O4 und O5, die mit Gates der ersten Transistoren P22, P32,
P42 und P52 verbunden sind, jedoch zu, während Ladungen über die
Ladungstransfertransistoren P21, P31, P41 und P51 übertragen
werden. Daraus resultiert, dass die ersten Schalttransistoren P22,
P32, P42 und P52 sperrend geschaltet werden, die Spannungen an den
Volumenpunkten B2, B3, B4 und B5 der Ladungstransfertransistoren
P21, P31, P41 und P51 nicht mehr entladen werden und die höchsten Spannungen
an den Eingabeknoten I2, I3, I4 und I5 gehalten werden.
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Daher
werden die Ladungstransfertransistoren P21, P31, P41 und P51 durch
einen Volumen- bzw. Substratvorspannungseffekt beeinflusst. Infolge dessen
nehmen die Schwellwertspannungen der Ladungstransfertransistoren
P21, P31, P41 und P51 zu und die Ladungsübertragungseffizienz der Ladungstransfertransistoren
P21, P31, P41 und P51 nimmt ab. Ein solches Phänomen verschlechtert die Pumpeffizienz
der Ladungspumpenschaltung.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Ladungspumpenschaltung der eingangs
genannten Art mit vergleichsweise hoher Ladungstransfereffizienz
zur Verfügung
zu stellen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch eine Ladungspumpenschaltung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 oder 3. Bei der erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung
wird der Substratvorspannungseffekt der Ladungstransfertransistoren vergleichsweise
gering gehalten bzw. vermieden, was eine entsprechend hohe Ladungstransfereffizienz
ermöglicht.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Vorteilhafte,
nachfolgend beschriebene Ausführungsformen
der Erfindung sowie das zu deren besserem Verständnis oben erläuterte,
herkömmliche
Ausführungsbeispiel
sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer herkömmlichen Ladungspumpenschaltung,
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2 ein
Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung,
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3A ein
Diagramm eines Simulationsergebnisses der herkömmlichen Ladungspumpenschaltung
aus 1 und
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3B ein
Diagramm eines Simulationsergebnisses der erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung
aus 2.
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2 zeigt
ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung,
die eine Ladungszufuhreinheit 100 und eine Mehrzahl von
in Reihe geschalteten Anhebe- bzw. Verstärkungsstufen 60, 70, 80 und 90 umfasst.
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Die
Ladungszufuhreinheit 100 führt in Reaktion auf ein Freigabesignal
PUMPEN Ladungen einem Eingabeknoten I6 der ersten Verstärkungsstufe 60 unter
der Mehrzahl von Verstärkungsstufen 60, 70, 80, 90 zu.
Die Ladungszufuhreinheit 100 umfasst einen PMOS-Transistor
P101. Eine Versorgungsspannung VDD wird an eine Source des PMOS-Transistors P101
angelegt, ein Freigabesignal PUMPEN wird an ein Gate des PMOS-Transistors
P101 angelegt und eine Drain des PMOS-Transistors P101 ist mit dem Eingabeknoten
I6 der ersten Verstärkungsstufe 60 verbunden.
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Die
Verstärkungsstufen 60, 70, 80 und 90 umfassen
jeweils Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und P91, erste
Schalttransistoren P62, P72, P82 und P92, zweite Schalttransistoren
P63, P73, P83 und P93, dritte Schalttransistoren P64, P74, P84 und
P94, erste Kondensatoren C61, C71, C81 und C91, zweite Kondensatoren
C62, C72, C82 und C92, dritte Kondensatoren C63, C73, C83 und C93,
erste Dioden D61, D71, D81 und D91 und zweite Dioden D62, D72, D82
und D92.
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Die
Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und P91 übertragen
Ladungen von Eingabeknoten I6, I7, I8 und I9, d.h. Ladungen, welche
von einer vorherigen Verstärkungsstufe
verstärkt
bzw. von der Ladungszufuhreinheit 100 zugeführt werden,
zu Verstärkungsknoten
O6, O7, O8 und O9 und sind als PMOS-Transistoren ausgeführt. In
jedem PMOS-Transistor
ist ein Anschluss, d.h. der Source- oder Drainanschluss, mit einem
der Eingabeknoten I6, I7, I8 und I9 verbunden und der andere Anschluss, d.h.
der Drain- oder Sourceanschluss, ist mit einem der Verstärkungsknoten
O5, O7, O8 und O9 verbunden. Die Ladungstransfertransistoren P61,
P71, P81 und P91 sind in floatenden, d.h. potentialfreien Mulden
vom n-Typ gebildet, die in einem Halbleitersubstrat ausgebildet
sind.
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Die
ersten Schalttransistoren P62, P72, P82 und P92 machen die Spannungspegel
an Volumenpunkten B6, B7, B8 und B9 der Ladungstransfertransistoren
P61, P71, P81 und P91 gleich den Spannungspegeln an den Eingabeknoten
I6, I7, I8 und I9, während
Ladungen durch die Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und
P91 übertragen
werden. Die zweiten Schalttransistoren P63, P73, P83 und P93 machen
die Spannungspegel an den Volumenpunkten B6, B7, B8 und B9 der Ladungstransfertransistoren
P61, P71, P81 und P91 gleich den Spannungspegeln an den Verstärkungsknoten
O6, O7, O8 und O9.
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Die
einen, ersten Anschlüsse
der ersten Schalttransistoren P62, P72, P82 und P92 sind mit Anschlüssen der
Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und P91 verbunden, d.h.
jeweils mit den Eingabeknoten I6, I7, I8 und I9. Die anderen, zweiten Anschlüsse der
ersten Schalttransistoren P62, P72, P82 und P92 sind jeweils mit
einem der Volumenpunkte B6, B7, B8 und B9 der Ladungstransfertransistoren
P61, P71, P81 und P91 verbunden. Außerdem sind die Gates der ersten
Schalttransistoren P62, P72, P82 und P92 jeweils mit einem der Gates der
Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und P91 verbunden. Die
einen, ersten Anschlüsse
der zweiten Schalttransistoren P63, P73, P83 und P93 sind mit den
zweiten Anschlüssen
der Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und P91 verbunden, d.h.
jeweils mit einem der Verstärkungsknoten
O6, O7, O8 und O9. Die anderen, zweiten Anschlüsse der zweiten Schalttransistoren
P63, P73, P83 und P93 sind jeweils mit einem der Volumenpunkte B6, B7,
B8 und B9 der Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und P91
verbunden. Die Gates der zweiten Schalttransistoren P63, P73, P83
und P93 sind jeweils mit einem der Anschlüsse der Ladungstransfertransistoren
P61, P71, P81 und P91 verbunden, d.h. mit je einem der Eingabeknoten
I6, I7, I8 und I9.
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Die
dritten Schalttransistoren P64, P74, P84 und P94, die ersten Kondensatoren
C61, C71, C81 und C91, die zweiten Kondensatoren C62, C72, C82 und
C92, die dritten Kondensatoren C63, C73, C83 und C93, die ersten
Dioden D61, D71, D81 und D91 und die zweiten Dioden D62, D72, D82
und D92 führen
eine Ladungsverstärkung
durch. Steuersignale PS1 und PS2 steuern den Verstärkungsvorgang
und sind zueinander 180° phasenverschoben.
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Die
einen, ersten Anschlüsse
der dritten Schalttransistoren P64, P74, P84 und P94 sind jeweils
mit einem der negativen Anschlüsse
der zweiten Dioden D62, D72, D82 und D92 verbunden. Die anderen,
zweiten Anschlüsse
der dritten Schalttransistoren P64, P74, P84 und P94 sind jeweils
einem der Verstärkungsknoten
O6, O7, O8 und O9 verbunden. Die Gates der dritten Schalttransistoren
P64, P74, P84 und P94 sind mit je einem Gate der Ladungstransfertransistoren
P61, P71, P81 und P91 verbunden.
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Die
einen, ersten Anschlüsse
der ersten Kondensatoren C61, C71, C81 und C91 sind mit den Steuersignalen
PS1, PS2, PS1 bzw. PS2 verbunden. Die anderen, zweiten Anschlüsse der
ersten Kondensatoren C61, C71, C81 und C91 sind jeweils mit einem
der Gates der Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und P91
verbunden. Die einen, ersten Anschlüsse der zweiten Kondensatoren
C62, C72, C82 und C92 sind mit den Steuersignalen PS2, PS1, PS2 bzw.
PS1 verbunden. Die anderen, zweiten Anschlüsse der zweiten Kondensatoren
C62, C72, C82 und C92 sind jeweils mit einem der negativen Anschlüsse der
zweiten Dioden D62, D72, D82 und D92 verbunden. Die einen, ersten
Anschlüsse
der dritten Kondensatoren C63, C73, C83 und C93 sind jeweils mit
einem der Verstärkungsknoten
O6, O7, O8 und O9 verbunden. Die anderen, zweiten Anschlüsse der dritten
Kondensatoren C63, C73, C83 und C93 sind mit den Steuersignalen
PS1, PS2, PS1 bzw. PS2 verbunden.
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Die
positiven Anschlüsse
der ersten Dioden D61, D71, D81 und D91 sind jeweils mit einem der Verstärkungsknoten
O6, O7, O8 und O9 ver bunden. Die negativen Anschlüsse der
ersten Dioden D61, D71, D81 und D91 sind jeweils mit einem der Gates der
Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und P91 verbunden. Die
positiven Anschlüsse
der zweiten Dioden D62, D72, D82 und D92 sind ebenfalls jeweils
mit einem der Gates der Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81
und P91 verbunden. Hierbei sind die ersten Schalttransistoren P62,
P72, P82 und P92, die zweiten Schalttransistoren P63, P73, P83 und
P93 und die dritten Schalttransistoren P64, P74, P84 und P94 als
PMOS-Transistoren ausgeführt.
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Wie
oben erwähnt,
sind in der erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung
die Gates der ersten Schalttransistoren P62, P72, P82 und P92 mit den
Gates der Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und P91 verbunden
und die Gates der Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und
P91 sind über
die ersten Kondensatoren C61, C71, C81 und C91 mit den Steuersignalen
PS1, PS2, PS1 bzw. PS2 verbunden.
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Während die
Ladungen über
die Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und P91 übertragen
werden, d.h. die Steuersignale PS1, PS2, PS1 und PS2 sind auf einem
niedrigen Pegel, bleiben die ersten Schalttransistoren P62, P72,
P82 und P92 in einem leitenden Zustand. Daraus resultiert, dass
die Spannungspegel der Volumenpunkte bzw. -bereiche B6, B7, B8 und
B9 der Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und P91 praktisch
gleich denen der Eingabeknoten I6, I7, I8 und I9 sind. In anderen
Worten ausgedrückt,
die Spannungspegel der Volumenbereiche B6, B7, B8 und B9, welche
in einer frühen Stufe
der Ladungsübertragung
einen hohen Pegel haben, nehmen mit geringer werdenden Spannungspegeln
an den Eingabeknoten I6, I7, I8 und I9 durch die Ladungsübertragung
ab.
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Als
Konsequenz wird der Substratvorspannungseffekt der Ladungstransfertransistoren
P61, P71, P81 und P91 vermindert und die Schwellwert spannungen der
Ladungstransfertransistoren P61, P71, P81 und P91 nehmen nicht zu.
Daraus resultiert, dass die Ladungstransfereffizienz der Ladungstransfertransistoren
P61, P71, P81 und P91 und folglich auch die Pumpeffizienz der Ladungspumpenschaltung
verbessert wird.
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3A zeigt
ein Simulationsergebnis der herkömmlichen
Ladungspumpenschaltung aus 1, und 3B zeigt
ein Simulationsergebnis der erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung
aus 2.
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In 3A repräsentieren
Ii, Oi und Bi den Verlauf von Spannungen am Eingabeknoten, am Verstärkungsknoten
bzw. am Volumenbereich eines der Ladungstransfertransistoren P21,
P31, P41 und P51 in der herkömmlichen
Ladungspumpenschaltung aus 1. In 3B repräsentieren
Ij, Oj und Bj den Verlauf von Spannungen am Eingabeknoten, am Verstärkungsknoten
bzw. am Volumenbereich eines der Ladungstransfertransistoren P61,
P71, P81 und P91 in der Ladungspumpenschaltung aus 2.
PS1 und PS2 repräsentieren
die Steuersignale, die an die Ladungstransfertransistoren P21, P31,
P41 und P51 sowie P61, P71, P81 und P91 angelegt werden.
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Wie
aus 3A ersichtlich ist, wird in der herkömmlichen
Ladungspumpenschaltung, während Ladungen
durch die Ladungstransfertransistoren P21, P31, P41 und P51 übertragen
werden, d.h. wenn das Steuersignal PS1 für die Transistoren P21 und
P41 auf einem niedrigen Pegel ist und das Signal PS2 für die Transistoren
P31 und P51 auf einem niedrigen Pegel ist, die Spannung Bi an den
Volumenbereichen der Ladungstransfertransistoren P21, P31, P41 und
P51 nicht entladen und bleibt auf der höchsten Spannung Ii am Eingabeknoten.
Im Gegensatz dazu nimmt, wie aus 3B ersichtlich
ist, bei der erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung, während das
Steuersignal PS1 auf einem niedrigen Pegel ist, die Spannung Bj
an den Volumenbereichen der Ladungstransfertransistoren P61, P71,
P81 und P91 von einem hohen Spannungspegel in einer frühen Stufe
des Ladungsübertragungsvorgangs
annähernd
auf die Spannung Ij am Eingabeknoten ab.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung
detaillierter beschrieben. Wechselt das Freigabesignal PUMPEN auf
einen niedrigen Pegel und beginnen die Steuersignale PS1 und PS2
mit sich gegenseitig ausschließenden
Pulsvorgängen,
dann wird der Eingabeknoten I6 der ersten Verstärkerstufe 60 mit der Versorgungsspannung
VDD verbunden und die Verstärkungsstufen 60, 70, 80 und 90 beginnen
einen Ladungspumpvorgang. Hierbei sinkt, wenn das Steuersignal PS1
auf einem niedrigen Pegel ist und das Steuersignal PS2 auf einem
hohen Pegel ist, die Spannung am Gate des Ladungstransfertransistors P61
unter die Spannung an der Source des Ladungstransfertransistors
P61, d.h. am Eingabeknoten I6, um einen Betrag ab, der gleich oder
größer als
die Schwellwertspannung des Ladungstransfertransistors P61 ist.
Daher wird der Ladungstransfertransistor P61 leitend geschaltet
und Ladungen, welche von der Versorgungsspannung VDD fließen, werden
zum Verstärkungsknoten
O6 übertragen.
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Danach
sinkt, wenn das Steuersignal PS1 einen hohen Pegel annimmt und das
Steuersignal PS2 einen niedrigen Pegel annimmt, die Spannung am Gate
des Ladungstransfertransistors P71 unter die Spannung am Eingabeknoten
I7 um einen Betrag ab, der gleich oder größer als die Schwellwertspannung des
Ladungstransfertransistors P71 ist, und der Ladungstransfertransistor
P71 wird leitend geschaltet. Daraus resultiert, dass Ladungen am
Verstärkungsknoten
O6, d.h. am Eingabeknoten I7, zum Verstärkungsknoten O7 übertragen
werden. Hierbei nimmt die Spannung am Gate des Ladungstransfertransistors
P61 durch den Ladungstransfer vom Verstärkungsknoten O6 über die
Diode D61 zum Gate des Ladungstransfertransistors P61 zu. Als Konsequenz fließen die Ladungen
am Verstärkungsknoten
O6 nicht zum Eingabeknoten I6 zurück.
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Die
oben beschriebenen Vorgänge
laufen nacheinander in den in Reihe geschalteten Verstärkerstufen
ab und Ladungen werden so von der Versorgungsspannung VDD zur letzten
Verstärkerstufe 90 übertragen.
Einige der Ladungen werden zum Erhöhen der Spannungen an den Verstärkungsknoten O6,
O7, O8 und O9 benutzt. Die zur letzten Verstärkerstufe 90 übertragenen
Ladungen werden zu einem Anschluss für die Spannung VPP übertragen, wenn
das Steuersignal PS1 einen niedrigen Pegel annimmt. Durch dieses
Verfahren nehmen die Spannungen an den Verstärkungsknoten O6, O7, O8 und O9
und die Spannung VPP graduell zu.
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Wie
oben ausgeführt,
vermindert die erfindungsgemäße Ladungspumpenschaltung
den Substratvorspannungseffekt der Ladungstransfertransistoren,
wodurch deren Ladungstransfereffizienz und Ladungspumpeffizienz
verbessert wird.