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Die
Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer
Spannungspumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben einer integrierten
Halbleiterschaltung mit einer Spannungspumpe.
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Integrierte
Halbleiterschaltungen werden mit vorgegebenen Betriebsspannungen,
für die
sie ausgelegt sind, betrieben. Da in Teilbereichen einer integrierten
Halbleiterschaltung Spannungen benötigt werden, die größer sind
als die bereitgestellte Betriebsspannung, enthalten Halbleiterschaltungen
herkömmlich
so genannte Spannungspumpen, die aus der vorgegebenen Betriebsspannung
eine noch höhere
Spannung erzeugen. Solche Spannungspumpen werden teilweise auch
als Ladungspumpen bezeichnet. Spannungspumpen enthalten meist mehrere,
in der Regel zwei oder höchstens
drei Kondensatoren, die zeitlich periodisch aufgeladen werden, wobei
ein erster Kondensator (erste Stufe der Spannungspumpe genannt)
dazu verwendet wird, jeweils einen Teil der Ladung einer seiner
beiden Elektroden auf eine Elektrode des nachgeordneten Kondensators
(der zweiten Stufe der Spannungspumpe) zu übertragen. Zu diesem Zweck
werden Elektroden des ersten und des zweiten Kondensators, die mit Ladungsmengen
gleichen Vorzeichens, aber unterschiedlicher Größe aufgeladen sind, kurzfristig
miteinander kurzgeschlossen. Ein erneutes Anlegen von Spannungen
an die Kondensatoren erfolgt erst, nachdem die miteinander kurzgeschlossenen
Kondensatorelektroden wieder elektrisch getrennt wurden.
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Insbesondere
sind Spannungspumpen bekannt, die nach dem Dickson-Schaltungsprinzip
arbeiten. Durch geeignete Wahl der jeweils an die Kondensatorelektroden
angelegten Vorspannungen lässt sich
als Potential der zweiten Elektrode der zweiten (bzw. der letzten)
Stufe der Spannungspumpe ein Potential einstellen, das zu dem an
der ersten Elektrode der ersten Stufe anliegenden Potential eine
Potentialdifferenz besitzt, die nach wiederholten Pumpzyklen im
asymptotisch verlaufenden Endzustand größer ist als die ursprüngliche
Versorgungs- oder Betriebsspannung. Eine Spannungspumpe, die nach dem
Dickson-Prinzip
arbeitet, besitzt zwar theoretisch einen Wirkungsgrad von 100 %,
erfordert jedoch eine Vielzahl von Pumpzyklen, während derer jeweils einzelne
Ladungsmengen auf die nächsthöhere Stufe übertragen
werden, bis die theoretisch erzielbare maximale Endspannung annähernd erreicht ist.
Da integrierte Halbleiterschaltungen in der Regel taktweise betrieben
werden, spricht man auch von einzelnen Pumpzyklen, in denen jeweils
eine gewisse Ladungsmenge von der ersten Pumpstufe bis zur letzten
Pumpstufe der Spannungspumpe übertragen ist.
Durch wiederholtes Übertragen
von Ladungsmengen von dem ersten Kondensator bis zum letzten Kondensator
der Spannungspumpe in äquidistanten Zeitabschnitten
steht am Ausgang der letzten Pumpstufe (d.h. des letzten Kondensators
der Spannungspumpe) praktisch kontinuierlich eine Spannung zur Verfügung, deren
Betrag deutlich größer ist
als der Betrag der Betriebsspannung, gegenüber dem theoretisch erzielbaren
Wert jedoch geringfügig
geringer ist, je nach vergangenem Zeitraum seit dem erstmaligen
Pumpen und nach der Stärke
der Leistungsabgabe am Ausgang der Spannungspumpe.
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Die
bekannten Spannungspumpen funktionieren stets nach dem Prinzip,
dass zum Übertragen von
Ladungsmengen von einem Kon densator auf einen anderen Kondensator
stets jeweils nur zwei Kondensatoren miteinander kurzgeschlossen
werden, wobei beispielsweise eine zweite Kondensatorelektrode des
einen Kondensators mit einer ersten Kondensatorelektrode eines weiteren
Kondensators kurzzeitig verbunden wird. Dabei werden Kondensatorelektroden
höchstens
paarweise miteinander kurzgeschlossen. Ferner werden Kondensatoren
stets nur paarweise miteinander kurzgeschlossen. Somit ist zu allen
Zeitpunkten, zu denen vordefinierte elektrische Potentiale an die
Kondensatorelektroden angelegt werden, jeweils nur ein Ladungsaustausch zwischen
Paaren von Kondensatoren der Spannungspumpe vorgesehen. Zwar gibt
es verschiedene Betriebsweisen, bei denen unterschiedlich hohe elektrische
Potentiale an die jeweiligen Kondensatorelektroden angeschlossen
werden. Diese Methoden unterscheiden sich unter anderem dadurch,
dass ein Teil der bereits gepumpten Ladung verworfen wird, wenn
die vordefinierten Potentiale angeschlossen werden. Dadurch lässt sich
ein schnellerer Anstieg der abgreifbaren Pumpspannung erzielen,
jedoch auf Kosten des Wirkungsgrades der Spannungspumpe. Sämtlichen
herkömmlichen
Spannungspumpen und deren Betriebsweisen ist jedoch gemeinsam, dass
zu jedem Zeitpunkt nur zwei, in der Regel benachbarte Kondensatoren
(d.h. Pumpstufen) miteinander kurzgeschlossen werden und Ladung
austauschen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterschaltung
mit einer Spannungspumpe bereitzustellen, die während des Pumpvorgangs schneller
die gewünschte
Pumpspannung liefert und die einen zumindest gleich großen Wirkungsgrad
gegenüber
herkömmlichen
Spannungspumpen besitzt. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Halbleiterschaltung mit einer Spannungspumpe bereitzustellen,
die weniger Substratfläche benötigt als
eine herkömmliche
Spannungspumpe.
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Es
ist ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Betreiben von Spannungspumpen bereitzustellen, mit dem sich
eine gewünschte
Pumpspannung mit einer kürzeren
Anlaufzeit zum Hochfahren der Ausgangsspannung bereitstellen lässt, möglichst
noch bei hohem Wirkungsgrad der Spannungspumpe.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer Spannungspumpe, wobei
die Spannungspumpe eine Reihenschaltung von Kondensatoren aufweist,
wobei die Spannungspumpe erste Schaltelemente aufweist, die zwischen
jeweils zwei Kondensatoren der Reihenschaltung geschaltet sind und
eine elektrische Trennung der Kondensatoren voneinander bewirken, wenn
sie sperrend geschaltet sind, wobei die Kondensatoren jeweils zwei
Kondensatorelektroden aufweisen, wobei die ersten Schaltelemente
durch Verbindungsleitungen mit den Kondensatorelektroden der Kondensatoren
verbunden sind, wobei ferner Anschlussleitungen vorgesehen sind,
die an jeweils eine Verbindungsleitung zwischen einem ersten Schaltelement
und einer Kondensatorelektrode angeschlossen sind und die jeweils
ein zweites Schaltelement aufweisen, das eine Unterbrechung der
jeweiligen Anschlussleitung bewirkt, wenn es sperrend geschaltet
ist, wobei die zweiten Schaltelemente dann, wenn alle ersten Schaltelemente
sperrend geschaltet sind, gemeinsam leitend schaltbar sind, wodurch
jeder Kondensator einzeln durch jeweils zwei Anschlussleitungen
elektrisch aufgeladen wird, und wobei die ersten Schaltelemente
dann, wenn alle zweiten Schaltelemente sperrend geschaltet sind, gemeinsam
leitend schaltbar sind, wodurch alle elektrisch aufgeladenen Kondensatoren
elektrisch miteinander verbunden werden.
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Erfindungsgemäß wird eine
integrierte Spannungspumpe bereitgestellt, die eine Reihenschaltung von
Kondensatoren aufweist, die alle zur gleichen Zeit miteinander kurzschließbar sind.
Dadurch wird erstmals eine durchgehende Potentialverschiebung von
der ersten bis hin zur letzten Pumpstufe, d.h. vom ersten bis zum
letzten Kondensator der Reihenschaltung erreicht, bei der die am
letzten Kondensator abgreifbare Spannung ein Vielfaches der eingespeisten
Betriebsspannung betragen kann. Die erfindungsgemäß vorgesehene
Spannungspumpe zeichnet sich somit dadurch aus, dass sie so beschaffen und
angesteuert ist, dass beim Kurzschließen zweier Kondensatoren der
Reihenschaltung miteinander stets auch zugleich alle anderen Kondensatoren
der Reihenschaltung miteinander kurzgeschlossen sind. Dazu lassen
sich die ersten Schaltelemente, die jeweils zwischen zwei Kondensatoren
vorgesehen sind, gleichzeitig leitend schalten.
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Die
erfindungsgemäße Spannungspumpe enthält ferner
Anschlussleitungen, die durch Schaltungsknoten mit Verbindungsleitungen
verbunden sind, welche jeweils ein erstes Schaltelement mit einer
jeweiligen Kondensatorelektrode verbinden. Außerdem sind zweite Schaltelemente
vorgesehen, die einen Stromfluss entlang der Anschlussleitungen
unterbrechen, sofern sie sperrend geschaltet sind. Erfindungsgemäß lassen
sich alle ersten Schaltelemente gleichzeitig leitend schalten, und
zwar zu einem Zeitpunkt, zu dem sämtliche zweiten Schaltelemente
sperrend geschaltet sind. Dies bewirkt den Kurzschluss aller Kondensatoren
der Reihenschaltung miteinander. Ebenso lassen sich, sofern sämtliche
ersten Schaltelemente sperrend geschaltet sind, alle zweiten Schaltelemente
gleichzeitig leitend schalten. Durch die Anschlussleitung ist jeweils
ein erstes bzw. ein zweites elektrisches Potential an die jeweilige
erste bzw. zweite Kondensatorelektrode des betreffenden Kondensators
der Reihenschaltung anlegbar. Werden sämtliche zweiten Schaltelemente gleichzeitig
leitend geschaltet, so führt
dies zu einer gleichzeitigen Aufladung sämtlicher Kondensatoren mit
einer Spannung, die der Potentialdifferenz zwischen dem ersten und
dem zweiten Potential entspricht. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt kein
Ladungsaustausch zwischen den Kondensatoren, da zu diesem Zeitpunkt
sämtliche
ersten Schaltelemente sperrend geschaltet sind. Nachdem sämtliche
zweiten Schaltelemente wieder sperrend geschaltet wurden, lassen
sich die ersten Schaltelemente gleichzeitig zueinander leitend schalten,
wodurch die Kondensatoren miteinander kurzgeschlossen werden und
die durch die Reihenschaltung bereitgestellte Gesamtspannung sich
aus der Summe der Teilspannungen an den einzelnen Kondensatoren
ergibt. Die abgreifbare Ausgangsspannung beträgt somit ein ganzzahliges Vielfaches
der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Potential,
mit der jeder einzelne Kondensator zuvor vorgespannt wurde. Nachdem
die Kondensatoren miteinander kurzgeschlossen wurden, um das Potential
am Ende des letzten Kondensators zu erhöhen, lassen sich wiederum alle
ersten Schaltelemente sperrend schalten. Dadurch werden die Kondensatoren
wieder elektrisch voneinander getrennt und somit für den nachfolgenden
Aufladevorgang jedes Kondensators einzeln vorbereitet. Der nächste Aufladevorgang
tritt dann mit dem Leitendschalten der zweiten Schaltelemente ein,
und zwar für
alle Kondensatoren der Reihenschaltung gleichzeitig. Somit lassen
sich durch alternierendes Leitendschalten der ersten und der zweiten
Schaltelemente stets für
kurze Zeit negativ aufgeladene Kondensatorelektroden mit positiv
aufgeladenen Kondensatorelektroden kurzschließen, wieder voneinander trennen
und erneut elektrisch aufladen. Jedes Mal, wenn die ersten Schaltelemente
leitend geschaltet sind, steht am Ausgang des letzten Kondensators
eine Maximalspannung zur Verfügung, die
dem maximal erreichbaren Spannungswert entspricht, sofern die Lastkapazität am Ende
der Spannungspumpe ausreichend klein ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen
Spannungspumpen brauchen einzelne Ladungsmengen nicht durch wiederholtes
Pumpen zur jeweils nächsthöheren Stufe
der Spannungspumpe von der ersten Spannungspumpe bis hin zur letzten
Stufe gepumpt zu werden; statt dessen wird das Potential am Ausgang
der letzten Pumpstufe gleichzeitig mit dem Öffnen sämtlicher erster Schaltelemente
sofort auf das maximal erreichbare Potentialniveau gebracht.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass jeder Kondensator eine erste Kondensatorelektrode
und eine zweite Kondensatorelektrode aufweist, wobei jeweils die
zweite Kondensatorelektrode eines Kondensators an die erste Kondensatorelektrode
des jeweils nächsten
Kondensators der Reihenschaltung von den Kondensatoren angeschlossen
ist, wenn die ersten Schaltelemente leitend geschaltet sind, und dass
diejenigen Anschlussleitungen, die über eine jeweilige Verbindungsleitung
mit einer ersten Kondensatorelektrode verbunden sind, gemeinsam
mit einem ersten elektrischen Potential vorspannbar sind, und dass
diejenigen Anschlussleitungen, die über eine jeweilige Verbindungsleitung
mit einer zweiten Kondensatorelektrode verbunden sind, gemeinsam mit
einem zweiten elektrischen Potential vorspannbar sind, das von dem
ersten elektrischen Potential verschieden ist. Dementsprechend sind
sämtliche Kondensatoren
der erfindungsgemäßen Spannungspumpe
gleichzeitig wiederaufladbar, und zwar vorzugsweise mit einer jeweils
identischen, für
alle Kondensatoren einheitlichen Spannung.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass bei sperrend geschalteten ersten Schaltelementen
die zweiten Schaltelemente gleichzeitig zueinander leitend schaltbar
sind, wodurch an jeden Kon densator der Reihenschaltung jeweils einzeln
eine Spannung angelegt wird, die der Potentialdifferenz zwischen
dem zweiten und dem ersten elektrischen Potential entspricht.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die ersten Schaltelemente der Reihenschaltung
so gesteuert sind, dass sie sperrend geschaltet sind, solange die
zweiten Schaltelemente leitend geschaltet und die Anschlussleitungen
mit dem ersten und dem zweiten elektrischen Potential vorgespannt
sind. Dies verhindert einen Kurzschluss zwischen zwei benachbarten
Anschlussleitungen, von denen die eine mit dem ersten und die andere
mit dem zweiten elektrischen Potential vorgespannt ist, über eines
der ersten Schaltelemente. Dies hätte sonst einen Kurzschluss
und somit einen Leistungsverlust zwischen verschiedenen Versorgungsleitungen
der Ladungspumpe oder des Halbleiterspeichers zur Folge. Ferner
würden
die Kondensatoren, wenn sie als Grabenkondensatoren ausgebildet
sind, dadurch zerstört.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass bei sperrend geschalteten zweiten Schaltelementen
die ersten Schaltelemente gleichzeitig zueinander leitend schaltbar
sind, wodurch die Kondensatoren jeweils leitend miteinander verbunden
werden. Dadurch summiert sich die an den einzelnen Kondensatoren anliegende
Spannung über
sämtliche
Kondensatoren hinweg zur gesamten abgreifbaren Ausgangsspannung;
diese wird bei der erfindungsgemäßen Spannungspumpe
nicht durch Ladungsverluste verringert.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die zweiten Schaltelemente der Anschlussleitungen
so gesteuert sind, dass sie sperrend geschaltet sind, solange die
ersten Schaltelemente leitend geschaltet sind. Dadurch wird die
Ausgangsspannung sofort am Ende der letzten Pumpstufe bereitgestellt
und Kurzschlüsse,
insbesondere durch hohe Spannungsabfälle an anderen integrierten
Bauelementen als den zweiten Schaltelementen werden vermieden.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass an entgegengesetzten Enden der Reihenschaltung
von Kondensatoren eine erste Kondensatorelektrode eines ersten Kondensators
und eine zweite Elektrode eines letzten Kondensators der Reihenschaltung
angeordnet sind und dass jeweils eine Zuleitung an die erste Kondensatorelektrode
des ersten Kondensators und an die zweite Kondensatorelektrode des letzten
Kondensators angeschlossen ist, wodurch eine Ausgangsspannung, die
zwischen der ersten Kondensatorelektrode des ersten Kondensators
und der zweiten Kondensatorelektrode des letzten Kondensators herrscht,
durch die beiden Zuleitungen abgreifbar ist. Hierbei ist vorgesehen,
dass die zweite Kondensatorelektrode jeweils eines Kondensators an
die erste Kondensatorelektrode des benachbarten oder nächsten Kondensators
angeschlossen bzw. anschließbar
ist und umgekehrt. Das elektrische Anschließen erfolgt mittels der ersten
Schaltelemente.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Zuleitung, die an die erste Kondensatorelektrode
des ersten Kondensators angeschlossen ist, so verschaltet ist, dass
sie wahlweise mit dem ersten oder mit dem zweiten elektrischen Potential
vorspannbar ist. Dadurch lässt
sich die insgesamt erzielbare Pumpspannung noch weiter erhöhen, wenn
nach anfänglichem
Vorspannen der ersten Kondensatorelektrode des ersten Kondensators
mit dem ersten Potential später,
wenn die Kondensatoren untereinander kurzgeschlossen und die erste
Kondensatorelektrode des ersten Kondensators an die Zuleitung angeschlossen ist,
die Zuleitung mit dem zweiten Potential (statt mit dem ersten Potential)
vorgespannt wird. Bei n Pumpstufen, d.h. n Kondensatoren der Reihenschaltung, lässt sich
somit eine Spannung von (n + 1)V anstatt lediglich nV bereitstellen,
wobei V die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten
Potential darstellt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass innerhalb der Zuleitung, die an die erste Kondensatorelektrode
des ersten Kondensators angeschlossen ist, ein zusätzliches
Schaltelement angeordnet ist. Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen,
dass das zusätzliche
Schaltelement gemeinsam mit allen ersten Schaltelementen leitend
schaltbar ist und gemeinsam mit allen ersten Schaltelementen sperrend schaltbar
ist. Das zusätzliche
Schaltelement ist insbesondere dann leitend schaltbar, wenn die
zweiten Schaltelemente sperrend geschaltet sind. Durch das gleichzeitige
Leitendschalten sämtlicher
erster Schaltelemente und auch des zusätzlichen Schaltelements wird
die erste Elektrode des ersten Kondensators der Reihenschaltung
mit der mit dem zweiten (statt dem ersten) Potential vorgespannten
Zuleitung verbunden und das am letzten Kondensator abgreifbare Ausgangspotential
um einen Betrag gepumpt, der der Spannungsdifferenz zwischen dem
ersten und dem zweiten Potential entspricht, die an die jeweiligen
Elektroden angelegt werden.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die integrierte Halbleiterschaltung die Reihenschaltung
der Spannungspumpe so ansteuert, dass abwechselnd entweder alle
ersten Schaltelemente, gegebenenfalls gleichzeitig mit dem zusätzlichen
Schaltelement, und alle zweiten Schaltelemente gemeinsam leitend
geschaltet werden. Insbesondere wird dadurch vermieden, dass zu
einem Zeitpunkt sowohl erste als auch zweite Schaltelemente gleichzeitig
geöffnet
sein können,
was Kurzschlüsse
oder einen Ladungsverlust zur Folge hätte.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Kondensatoren der Reihenschaltung integrierte
Grabenkondensatoren sind. Grabenkondensatoren (deep trench capacitor)
vertragen lediglich relativ geringe Spannungen; bei höheren Spannungen
altern sie vorzeitig, verlieren ihre spezifizierten elektrischen
Eigenschaften und führen
zu erhöhten
Leckströmen. Grabenkondensatoren
sind daher bei höheren
Spannungen nicht zuverlässig
betreibbar. Daher sind herkömmliche
Grabenkondensatoren nicht für
Spannungspumpen einsetzbar; stattdessen verwenden herkömmliche
integrierte Spannungspumpen ausschließlich Diffusionkondensatoren.
Die erfindungsgemäße Spannungspumpe
ermöglicht
den betriebssicheren Einsatz von Grabenkondensatoren zum Zwecke
der Spannungsverstärkung.
Dies liegt daran, dass an jeden Kondensator lediglich die Potentialdifferenz
zwischen dem ersten und dem zweiten Potential anliegt und somit
an einem einzelnen Kondensator niemals eine höhere Spannung anliegt als die
zugelassene Spannung, bis zu der das ordnungsgemässe elektrische Verhalten und
die zugesagte Lebensdauer des Kondensators garantiert werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Verwendung von Grabenkondensatoren besteht
in der dadurch erreichten Platzersparnis auf dem Halbleiterchip.
Herkömmliche,
mithilfe von Diffusionskondensatoren gebildeten Spannungspumpen
verbrauchen einen erheblichen Anteil der Chipfläche. Platzsparendere Grabenkondensatoren
sind herkömmlich
nur im Speicherzellenfeld vorgesehen und sind zudem in herkömmlichen
Spannungspumpen wegen der höheren
Spannungen nicht betriebssicher einsetzbar. Die erfindungsgemässe Spannungspumpe
hingegen kann mit Grabenkondensatoren realisiert werden; diese arbeiten
innerhalb der erfindungsge mässen Spannungspumpe
betriebssicher. Dies wäre
bei Spannungspumpen herkömmlicher
Ansteuerung, wenn für
die Kondensatoren Grabenkondensatoren verwendet würden, nicht
der Fall.
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Im übrigen erfordert
auch der Aufbau der erfindungsgemässen Spannungspumpe eine weniger umfangreiche
Ansteuerschaltung als eine herkömmliche
Spannungspumpe. Dies ergibt sich bereits daraus, dass die erfindungsgemässe Spannungspumpe nur
zwei unterschiedliche Taktzeiten pro Zyklus benötigt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die ersten und die zweiten Schaltelemente jeweils
integrierte Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren sind.
Die Feldeffekttransistoren vertragen im Gegensatz zu Grabenkondensatoren
auch höhere
Spannungen; die Bauweise als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor) erfordert keinerlei neuartige mikroelektronische
Bauelemente zum Aufbau der erfindungsgemäß verwendeten Spannungspumpe.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass alle Kondensatoren der Reihenschaltung so dimensioniert sind,
dass sie eine gleich große
Kapazität
besitzen. Dies ist auch deshalb vorteilhaft, weil der Wirkungsgrad
der erfindungsgemäßen Spannungspumpe
bei für
alle Kondensatoren einheitlicher Kapazität am größten ist.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Halbleiterschaltung eine erste Reihenschaltung
und eine zweite Reihenschaltung von Kondensatoren mit ersten Schaltelementen,
die durch Verbindungsleitungen an die Kondensatoren angeschlossen
sind, und mit zweiten Anschlussleitungen, die zweite Schaltelemente
aufweisen und an die Verbindungsleitungen angeschlossen sind, aufweisen,
wobei der letzte Kondensator der ersten Reihen schaltung und der letzte
Kondensator der zweiten Reihenschaltung jeweils an eine Schalteinheit
angeschlossen sind, die an eine Ausgangsleitung zum Weiterleiten
einer erhöhten
Pumpspannung angeschlossen ist.
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Somit
wird eine Halbleiterschaltung mit einer Spannungspumpe bereitgestellt,
die zwei einander zugeordnete Reihenschaltungen von jeweils gleich vielen
Kondensatoren aufweist. Beide Reihenschaltungen sind in gleicher
Weise aufgebaut und ansteuerbar, wobei jedoch vorzugsweise vorgesehen
ist, dass hinsichtlich des alternierenden Öffnens, d.h. Leitendschaltens,
der ersten und zweiten Schaltelemente die zweite Reihenschaltung
gegenphasig zur ersten Reihenschaltung betrieben wird.
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Dementsprechend
ist vorgesehen, dass die Halbleiterschaltung die beiden Reihenschaltungen von
Kondensatoren so ansteuert, dass die ersten Schaltelemente der ersten
Reihenschaltung gleichzeitig mit den zweiten Schaltelementen der
zweiten Reihenschaltung leitend geschaltet werden und dass jeweils
die ersten Schaltelemente der zweiten Reihenschaltung gleichzeitig
mit den zweiten Schaltelementen der ersten Reihenschaltung leitend
geschaltet werden. Hierbei werden bei denjenigen Zeittakten, bei
denen in der ersten Reihenschaltung die Kondensatoren aufgeladen
werden, in der zweiten Reihenschaltung deren Kondensatoren miteinander kurzgeschlossen,
d.h. das Ausgangspotential der zweiten Reihenschaltung hochgepumpt,
und in den dazwischen liegenden Zeittakten gilt dies in umgekehrter
Weise, so dass sich die beiden Reihenschaltungen hinsichtlich ihrer
Funktionen „Vorladen
der Kondensatoren" und „Pumpen
der Ausgangsspannung" einander
abwechseln. Durch die zusätzliche zweite
Reihenschaltung lässt
sich somit in denjenigen Taktzeiten, in denen die Kondensatoren
der ersten Rei henschaltung wiederaufgeladen werden, die gewünschte Ausgangsspannung
durch die zweite Reihenschaltung bereitstellen.
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Hierzu
ist vorgesehen, dass die ausgangsseitigen Kondensatorelektroden
der jeweils letzten Kondensatoren beider Reihenschaltungen an eine Schalteinheit
angeschlossen sind, welche an eine Ausgangsleitung zum Ableiten
der Ausgangsspannung angeschlossen ist.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Schalteinheit taktweise jeweils entweder
den letzten Kondensator der ersten Reihenschaltung oder den letzten
Kondensator der zweiten Reihenschaltung mit der Ausgangsleitung
verbindet, wobei die Schalteinheit jeweils den letzten Kondensator
derjenigen Reihenschaltung mit der Ausgangsleitung verbindet, dessen
elektrisches Potential die jeweils größere Potentialdifferenz zu
dem ersten Potential besitzt. In der Regel entspricht das Ausgangspotential
einer der beiden Reihenschaltungen dem Maximalpotential, d.h. einem
ganzzahligen Vielfachen der an jedem einzelnen Kondensator zuvor
angelegten Spannung, gegebenenfalls zuzüglich der Pumpspannung desselben
Betrags. Zu den dazwischenliegenden Taktzeiten ist das Ausgangspotential
der betreffenden Reihenschaltung näher an dem ersten Potential
oder gleicht dem ersten Potential. Die erfindungsgemäße Spannungspumpe
besitzt somit mindestens eine Reihenschaltung von Kondensatoren,
wobei jede Reihenschaltung mindestens zwei Kondensatoren aufweist.
Vorzugsweise besitzt die Reihenschaltung bzw. besitzen die Reihenschaltungen
drei Kondensatoren oder auch mehr als drei Kondensatoren, die gleichzeitig
in Reihe schaltbar sind.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren
zum Betreiben einer Halbleiterschaltung mit ei ner Spannungspumpe gelöst, die
zumindest eine Reihenschaltung von Kondensatoren, zwischen je zwei
Kondensatoren zwischengeschaltete erste Schaltelemente sowie Anschlussleitungen
aufweist, die an Verbindungsleitungen, die je ein erstes Schaltelement
und eine Kondensatorelektrode eines Kondensators miteinander verbinden,
angeschlossen sind und jeweils ein zweites Schaltelement aufweisen,
das im sperrend geschalteten Zustand eine Unterbrechung der jeweiligen
Anschlussleitung bewirkt, wobei die Halbleiterschaltung so betrieben
wird, dass die Kondensatoren der Reihenschaltung von Kondensatoren
in periodischen Zeitabständen
miteinander kurzgeschlossen werden und zwischen den periodischen
Zeitabständen
jeweils gleichzeitig einzeln mit einer Spannung aufgeladen werden.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass zum Kurzschließen der Kondensatoren die Reihenschaltungen
miteinander jeweils alle ersten Schaltelemente der Reihenschaltung
leitend geschaltet werden, während
alle zweiten Schaltelemente der Reihenschaltung sperrend geschaltet
sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die ersten Schaltelemente
nur dann zeitweise leitend geschaltet werden, wenn die zweiten Schaltelemente
sperrend geschaltet sind. Sofern die Schaltelemente Transistoren,
beispielsweise Feldeffekttransistoren, sind, entspricht der leitend
geschaltete Zustand einem Stromfluss zwischen den beiden Source/Drain-Gebieten,
wohingegen der sperrend geschaltete Zustand demjenigen Zustand entspricht,
bei dem die Ausbildung eines Transistorkanals unterbunden ist.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass zum gleichzeitigen Aufladen der Kondensatoren
der Reihenschaltung jeweils alle zweiten Schaltelemente leitend
geschaltet werden, während
alle ersten Schaltelemente sperrend geschaltet sind. Insbesondere
ist vorgesehen, dass die zweiten Schaltelemente nur dann, wenn die
ersten Schaltelemente sperren, zeitweise leitend geschaltet werden.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass eine Halbleiterschaltung mit einer Spannungspumpe
betrieben wird, deren Kondensatoren jeweils eine erste und eine
zweite Kondensatorelektrode aufweisen, wobei jeweils die zweite
Kondensatorelektrode eines Kondensators an die erste Kondensatorelektrode des
nächsten
Kondensators angeschlossen ist, wenn die ersten Schaltelemente leitend
geschaltet sind, und dass zum gleichzeitigen Aufladen aller einzelnen Kondensatoren
der Reihenschaltung jeweils alle ersten Kondensatorelektroden mit
einem ersten elektrischen Potential und alle zweiten Kondensatorelektroden
mit einem zweiten elektrischen Potential, das von dem ersten elektrischen
Potential verschieden ist, vorgespannt werden. Somit wird jeder
Kondensator der Reihenschaltung mit einer einheitlichen Spannung
einzeln aufgeladen, bevor er über
die ersten Schaltelemente mit den benachbarten Kondensatoren verbunden
wird.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die ersten und zweiten Kondensatorelektroden
der Kondensatoren jeweils mit Hilfe der Anschlussleitungen vorgespannt
werden.
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Vorzugsweise
ist ferner vorgesehen, dass über
zwei Zuleitungen, die an die erste Kondensatorelektrode des ersten
Kondensators und an die zweite Kondensatorelektrode des letzten
Kondensators der Reihenschaltung angeschlossen sind, eine durch
die Reihenschaltung von Kondensatoren erzeugte Ausgangsspannung
abgegriffen wird.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass beim Kurzschließen aller Kondensatoren der
Reihenschaltung miteinander ein zusätzli ches Schaltelement, das die
erste Kondensatorelektrode des ersten Kondensators der Reihenschaltung
mit der daran angeschlossenen Zuleitung verbindet, gleichzeitig
mit allen ersten Schaltelementen der Reihungsschaltung leitend geschaltet
wird, während
die Zuleitung mit dem zweiten elektrischen Potential vorgespannt
ist. Hierbei erfolgt durch eine Potentialänderung der zuvor mit dem ersten
Potential vorgespannten Zuleitung auf das zweite Potential ein Pumpen
der Ausgangsspannung um den Differenzbetrag zwischen der zweiten
und der ersten Spannung, nämlich
dann, wenn das zusätzliche
Schaltelement leitend ist. Das zusätzliche Schaltelement kann
bei sperrend geschalteten zweiten Schaltelementen auch leitend geschaltet
werden, bevor die ersten Schaltelemente leitend geschaltet werden.
Es ist jedoch zweckmäßig und
erspart zusätzliche
Taktzeiten, wenn das zusätzliche
Schaltelement gleichzeitig mit allen ersten Schaltelementen der
Reihenschaltung von Kondensatoren leitend geschaltet wird.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass eine Halbleiterschaltung mit zwei einander
zugeordneten Reihenschaltungen von Kondensatoren betrieben wird,
deren jeweils letzte Kondensatoren an eine Schalteinheit angeschlossen
sind, wobei erste Schaltelemente der zweiten Reihenschaltung stets
gleichzeitig mit den zweiten Schaltelementen der ersten Reihenschaltung
und zweite Schaltelemente der zweiten Reihenschaltung stets gleichzeitig
mit den ersten Schaltelementen der ersten Reihenschaltung leitend
geschaltet werden. Somit erfolgt das Aufladen der Kondensatoren
der ersten Reihenschaltung stets gleichzeitig mit dem Kurzschließen der
Kondensatoren der zweiten Reihenschaltung untereinander und umgekehrt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Schalteinheit so gesteuert wird, dass sie
eine an die Schalteinheit angeschlos sene Ausgangsleitung abwechselnd
mit dem ausgangsseitigen Potential der ersten Reihenschaltung und
dem ausgangsseitigen Potential der zweiten Reihenschaltung vorspannt. Das
ausgangsseitige Potential der betreffenden Reihenschaltung wird
jeweils durch die zweite Kondensatorelektrode des letzten Kondensators
der betreffenden Reihenschaltung bereitgestellt.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass die Schalteinheit die Ausgangsleitung jeweils
mit dem ausgangsseitigen Potential derjenigen Reihenschaltung vorspannt,
das die größte Potentialdifferenz
zu dem ersten elektrischen Potential besitzt. Somit bestimmt jede
Reihenschaltung in denjenigen Taktzeiten, zu denen ein Potential
anliegt, das durch Kurzschließen
sämtlicher
Kondensatoren der Reihenschaltung entstanden ist, das Potential
der Ausgangsleitung.
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Schließlich ist
vorzugsweise vorgesehen, dass die Schalteinheit die Ausgangsleitung
mit einem Potential vorspannt, das zu dem ersten elektrischen Potential
eine Potentialdifferenz besitzt, die einem ganzzahligen Vielfachen
der Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen
Potential entspricht. Im Falle eines zusätzlichen Pumpens der eingangsseitigen
Zuleitung von dem ersten auf das zweite Potential wird das Ausgangspotential um
eine gleich große
Potentialdifferenz erhöht.
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Die
Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf eine herkömmliche Spannungspumpe zu verschiedenen Taktzeiten,
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2 eine
integrierte Halbleiterschaltung mit einer erfindungsgemäßen Spannungspumpe,
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3 die
integrierte Halbleiterschaltung mit der erfindungsgemäßen Spannungspumpe
aus 2 zu einer anderen Taktzeit,
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4 eine
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Spannungspumpe,
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5 eine
Simulation des Schaltverhaltens der erfindungsgemäßen Spannungspumpe,
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6 ein
Ausführungsbeispiel
hinsichtlich der schaltungstechnischen Realisierung der Spannungspumpe
der 2 und 3,
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6A den
zeitlichen Verlauf einer Ausgangsspannung der Spannungspumpe gemäss 6 und
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die 6B bis 6D Steuersignale
zum Ansteuern der Spannungspumpe gemäss 6.
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1 zeigt
schematisch eine herkömmliche Spannungspumpe 10,
die üblicherweise
als Bestandteil einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet ist.
Die herkömmliche
Spannungspumpe 10 ist in 1 zu vier
verschiedenen Taktzeiten T dargestellt, um die Betriebsweise der
Spannungspumpe zu erläutern.
Die Spannungspumpe 10 besitzt (beispielsweise drei) Kondensatoren
C1, C2, C3, die jeweils eine erste Kondensatorelektrode 8 und
eine zweite Kondensatorelektrode 9 aufweisen. Die Kondensatorelektroden 8, 9 sind
mit veränderlichen
Potentialen vorspannbar, beispielsweise mit einem ersten elektri schen
Potential V0 oder einem zweiten elektrischen Potential V1. Das Grundprinzip
einer herkömmlichen Spannungspumpe
besteht darin, die in einem Kondensator gespeicherte Ladung teilweise
sukzessive auf den jeweils nächsten
Kondensator zu übertragen, bis
der letzte Kondensator ausgangsseitig auf ein Potential angehoben
oder abgesenkt ist, das eine größere Potentialdifferenz
zum eingangsseitigen Potential am ersten Kondensator der Spannungspumpe 10 besitzt
als die Potentialdifferenz zwischen den zur Verfügung stehenden Potentialen
V0, V1. Die Potentiale V0, V1 können
beispielsweise die elektrischen Potentiale der beiden Anschlüsse der
Versorgungsspannung der Halbleiterschaltung oder eines Teilbereichs
der Halbleiterschaltung sein. Ebenso können die beiden Potentiale
V0, V1 Potentiale sein, mit denen speziell die Spannungspumpe 10 versorgt
wird.
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Spannungspumpen,
die nach dem oben angedeuteten Prinzip funktionieren, beruhen auf
dem Dickson-Schaltungsprinzip. Für
solche Spannungspumpen lässt
sich die maximal erzielbare Ausgangsspannung zwischen dem ersten
und den letzten Kondensator der Spannungspumpe 10 errechnen.
Solche herkömmlichen
Spannungspumpen werden in der Weise betrieben, dass die in 1 angedeuteten vier
unterschiedlichen Vorspannungen der Transistoren zu den vier Taktzeiten
T = 1, T = 2, T = 3 und T = 4 in zyklischer Reihenfolge periodisch
angelegt werden, wodurch die abgreifbare Ausgangsspannung in kurzer
Zeit fast auf den gewünschten
Wert ansteigt.
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Zum
Zeitpunkt einer willkürlich
gewählten Taktzeit
T = 1 wird beispielsweise ein erstes Potential V0 an jeweils eine
Kondensatorelektrode jedes Kondensators C1, C2, C3, beispielsweise
an deren erste Kondensatorelektroden 8 angelegt. An die
zweite Kondensatorelektrode 9 des ersten Kondensators C1 wird zur
gleichen Zeit ein zweites Potential V1 angelegt, das von dem ersten
Potential verschieden ist. Die zweiten Kondensatorelektroden 9 der übrigen Spannungspumpen
C2, C3 sind zu diesem Zeitpunkt mit Anfangspotentialen Va vorgespannt,
die durch den vorherigen Durchlauf des aus den vier Taktzeiten T
gebildeten Zyklus entstanden sind. Zum Zeitpunkt der Taktzeit T
= 1 werden die übrigen
Elektroden mit dem entsprechenden ersten V0 oder dem zweitem elektrischen
Potential V1 vorgespannt.
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Zu
einer späteren
Taktzeit T = 2 wird die zweite Kondensatorelektrode 9 der
ersten Kondensator C1 der Spannungspumpe mit einer Kondensatorelektrode 9 des
nächsten,
in diesem Fall zweiten Kondensators C2 kurzgeschlossen, wobei sich
ein einheitliches Potential auf den miteinander kurzgeschlossenen
Kondensatorelektroden 9 einstellt. Zur gleichen Zeit wird
das Potential an der ersten Elektrode 8 des ersten Kondensators
C1 auf dasjenige Potential V1 gebracht, das vorher an der gegenüberliegenden
Elektrode 9 des ersten Kondensators C1 angelegt war. Beispielsweise
kann das zweite Potential V1 größer als
das erste Potential V0 sein; in diesem Fall wird zur Taktzeit T
= 2 die erste Elektrode 8 des ersten Kondensators C1 von
dem ersten Potential V0 auf das höhere Potential V1 gebracht.
Die miteinander kurzgeschlossenen Elektroden des ersten und zweiten
Kondensators C1, C2 haben nun ein elektrisches Potential, das größer ist
als das zweite Potential V1. Dies ergibt sich daraus, dass die zweite
Kondensatorelektrode 9 des ersten Kondensators C1 zum Zeitpunkt
der Taktzeit T = 1 gegenüber
der ersten Elektrode 8 des ersten Kondensators vorgespannt
war (beispielsweise positiv) und zur Taktzeit T = 2 das Potential
der ersten Elektrode 8 des ersten Kondensators C1 zusätzlich von
V0 auf V1 angehoben wird. Da das elektrische Potential der zweiten Elektrode 9 des
ersten Kondensa tors C1 auch weiterhin größer ist als das der ersten
Elektrode 8, besitzt es ein Potential oberhalb von V1.
Da die durch das Pumpen verschobene Ladung sich jedoch auch auf die
Kondensatorelektrode 9 des zweiten Kondensators C2 verteilt,
ist der Potentialanstieg der zweiten Kondensatorelektrode 9 des
zweiten Kondensators C2 kleiner als die Potentialdifferenz zwischen
V1 und V0.
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Zur
Taktzeit T = 3 wird der zweite Kondensator C2 wieder von dem ersten
Kondensator C1 getrennt und der erste Kondensator wie zur Taktzeit
T1 vorgespannt. Nun werden eine Kondensatorelektrode 9 des
zweiten Kondensators C2 und eine Kondensatorelektrode 9 des
dritten (und in diesem Fall letzten) Kondensators C3 der Spannungspumpe 10 kurzgeschlossen.
Zugleich wird nun das Potential der ersten Kondensatorelektrode 8 des
zweiten Kondensators C2 von V0 auf V1 angehoben. Das Potential der
zweiten Kondensatorelektrode 9 des zweiten Kondensators
C2, das zuvor bereits größer war
als V1, wird durch dieses Pumpen weiter erhöht und der Kurzschluss zur
Kondensatorelektrode 9 des dritten Kondensators C3 führt zu einer
entsprechenden Erhöhung
des Potentials der Kondensatorelektrode 9 des letzten Kondensators
C3. Zur Taktzeit T4 sind wieder alle Kondensatorelektroden 8, 9 der
Kondensatoren C1, C2, C3 elektrisch voneinander getrennt, und an
den zuvor miteinander kurzgeschlossenen Kondensatorelektroden 9 der
letzten beiden Kondensatoren C2, C3 der Spannungspumpe 10 liegt
ein neues Potential Vn an, das größer ist als dasjenige Anfangspotential
Va, das am Ende des vorherigen Zyklus der vier Taktzeiten T an diesen
beiden Elektroden 9 der letzten beiden Kondensatoren C2,
C3 herrschte. Somit wurde durch das Durchlaufen der vier Taktzeiten
T = 1 bis T = 4 das ausgangsseitige Potential am letzten Kondensator
C3 der Spannungspumpe 10 erhöht. Hierzu trägt auch
bei, dass zur Taktzeit T = 4 das Potential der ers ten Elektrode 8 des
letzten Kondensators C3 von V0 auf V1 angehoben wurde.
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Anhand 1 ist
somit erkennbar, dass eine herkömmliche
Spannungspumpe eine Mehrzahl von nacheinander periodisch zu durchlaufenden
Schritten erfordert, die nach ausreichend häufigem zyklischen Durchlaufen
allmählich
eine erhöhte
Ausgangsspannung bereitstellen, die asymptotisch gegen den theoretisch
errechenbaren Maximalwert der Ausgangsspannung einer Dickson-Spannungspumpe
konvergiert. Nachteilig bei der oben dargestellten Spannungspumpe
ist die Vielzahl an unterschiedlichen Betriebszuständen bzw.
Taktzeiten, die nacheinander durchlaufen werden, bis eine an dem
ersten Kondensator C1 (d. h. der ersten Kapazität der Spannungspumpe) angelegte
Spannung zur Erhöhung der
Ausgangsspannung am letzten Kondensator C3 der Spannungspumpe beiträgt. Ferner
ist nachteilig, dass die Effizienz einer Dickson-Spannungspumpe umso
geringer wird, je mehr Stufen, d.h. je mehr Kondensatoren sie besitzt.
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Ein
besonderer Nachteil ergibt sich aus dem Umstand, dass, wie in 1 zur
Taktzeit T = 3 erkennbar, an einem einzelnen Kondensator C3 der Spannungspumpe 10 eine
Spannung anliegen kann, die größer ist
als die eingespeiste Betriebsspannung bzw. die vorgegebene Spannungsdifferenz
zwischen einem bereitstehenden ersten Potential V0 und einem bereitstehenden
zweiten Potential V1. Technologisch werden Kondensatoren üblicherweise
als Stapelkondensatoren (stacked capacitors) oder als Grabenkondensatoren
(deep trench capacitors) hergestellt. Als Grabenkondensatoren ausgebildete Kondensatoren
vertragen jedoch nur eine begrenzte Maximalspannung, wenn sie nicht
durch diese Spannungen zerstört
werden sollen oder Leckströme
in nicht tolerierbarer Größe produzieren
sollen. Die zur Taktzeit T = 3 an dem letzten Kondensator C3 der Spannungspumpe 10 anliegende
Spannung ist jedoch beträchtlich
größer als
die Betriebsspannung V, d.h. die Potentialdifferenz zwischen V1
und V0, so dass für
Spannungspumpen gemäß 1 oder ähnlichen
Abwandlungen von Spannungspumpen die Kondensatoren ausschließlich als
Stapelkondensatoren ausgebildet sein dürfen. Dadurch wird jedoch unnötig viel
Substratfläche
auf dem Halbleitersubstrat, in dem die Spannungspumpe einzeln oder
als Bestandteil der integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet
ist, verbraucht.
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2 zeigt
eine schematische Draufsicht auf eine Halbleiterschaltung 1 mit
einer erfindungsgemäßen Spannungspumpe 10.
Erfindungsgemäß besitzt
die Spannungspumpe 10 eine Reihenschaltung R von Kondensatoren
C1, C2, ..., Cn bzw. C. Die Kondensatoren C besitzen jeweils eine
erste 8 und eine zweite Kondensatorelektrode 9 und
sind miteinander in Reihe geschaltet, wobei die Reihenschaltung
zusätzlich
erste Schaltelemente 11 aufweist, die zwischen jeweils
zwei Kondensatoren C der Reihenschaltung R zwischengeschaltet sind.
Die ersten Schaltelemente 11 sind in 2 schematisch
als elektrische Schalter dargestellt und können beispielsweise als Transistoren,
beispielsweise als Transistoren in MOSFET-Bauweise, ausgebildet sein.
Die Transistoren bzw. die ersten Schaltelemente 11 stellen
je nach Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen jeweils
zwei Kondensatorelektroden benachbarter Kondensatoren C her oder
unterbrechen diese. Jede Kondensatorelektrode 8, 9 eines
der Kondensatoren C1, ..., Cn ist durch eine Verbindungsleitung 3 an
jeweils ein erstes Schaltelement 11 angeschlossen.
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Die
erfindungsgemäße Spannungspumpe 10 weist
ferner Anschlussleitungen 4 auf, die durch jeweils einen
Schaltungs knoten mit einer entsprechenden Verbindungsleitung 3 verbunden
sind. Die Anschlussleitungen 4 dienen dazu, vorgegebene
Potentiale V0 und V1 an die Kondensatorelektroden 8, 9 heranzuführen, und
sind daher mit einem ersten Potential V0 und einem zweiten Potential
V1 vorspannbar. Insbesondere sind diejenigen Anschlussleitungen 4a,
die über
eine entsprechende Verbindungsleitung unmittelbar an eine erste,
in 2 unten dargestellte Kondensatorelektrode 8 eines
Kondensators C angeschlossen sind, mit dem ersten Potential V0 vorspannbar,
wohingegen die übrigen,
an die zweiten Kondensatorelektroden 9 angeschlossenen
Anschlussleitungen 4b mit einem anderen, zweiten Potential
V0 vorspannbar sind. Innerhalb oder am Ende der Anschlussleitungen 4 sind
zweite Schaltelemente 12 vorgesehen, die je nach Schaltzustand einen
Stromfluss entlang der Anschlussleitungen 4 ermöglichen
oder unterbrechen. In 2 ist die Reihenschaltung R
der Spannungspumpe 10 in einem Zustand und zu einer Taktzeit
T dargestellt, zu der sämtliche
ersten Schaltelemente 11 sperrend geschaltet sind und sämtliche
zweiten Schaltelemente 12 leitend geschaltet sind. Dadurch
sind sämtliche Kondensatoren
C der Reihenschaltung R elektrisch voneinander entkoppelt. Zugleich
sind alle ersten und zweiten Kondensatorelektroden 8, 9 sämtlicher Kondensatoren
C an entweder das erste V0 oder das zweite elektrische Potential
V1 angeschlossen. Dadurch werden innerhalb der Reihenschaltung alle Kondensatoren
C1, C2, ..., Cn jeweils einzeln in gleicher Weise aufgeladen wie
herkömmlich
ein einzelner, isolierter Kondensator. Dadurch liegt an den beiden
Kondensatorelektroden jedes Kondensators C jeweils die Spannungsdifferenz
zwischen V1 und V0 an; diese Spannung ist in keiner Weise durch
Spannungsverschiebungen, wie sie bei einer Dickson-Spannungspumpe
gegenüber
der Versorgungsspannung auftreten, verringert.
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3 zeigt
die in 2 dargestellte Halbleiterschaltung 1 mit
der erfindungsgemäßen Spannungspumpe 10,
deren Reihenschaltung R jedoch nun während einer anderen, zweiten
Taktzeit T' dargestellt
ist. Zu dieser Taktzeit T' sind
sämtliche
ersten Schaltelemente 11 leitend geschaltet und dafür alle zweiten
Schaltelemente 12 sperrend geschaltet. Dadurch sind die
Kondensatorelektroden 8, 9 jeweils von den vorgegebenen
elektrischen Potentialen V0, V1 elektrisch entkoppelt. Gleichzeitig
stellen die leitend geschalteten ersten Schaltelemente 11 die
elektrische Verbindung zwischen den einander zugewandten Kondensatorelektroden
jeweils zweier benachbarter Kondensatoren C her. Dadurch sind nun alle
Kondensatoren C1, C2, ..., Cn in Reihe geschaltet, so dass sich
die an den jeweiligen Kondensatoren C anliegenden Potentialdifferenzen,
die jeweils V = V1 – V0
betragen, summieren. Die zwischen der ersten Kondensatorelektrode 8 des
ersten Kondensators C1 und der zweiten Kondensatorelektrode 9 des
letzten Kondensators Cn abgreifbare Ausgangsspannung beträgt somit
das n-fache der Potentialdifferenz V zwischen V1 und V0, wobei n
der Anzahl der Kondensatoren C der Reihenschaltung R entspricht. Durch
die erfindungsgemäße Spannungspumpe
wird somit auf einfachere Weise als bei der Dickson-Spannungspumpe
eine Ausgangsspannung erzielt, die wesentlich höher ist als die maximal erreichbare
Ausgangsspannung einer Dickson-Schaltungspumpe. Zudem erfordert
die in den 2 und 3 abgebildete
Spannungspumpe nur zwei unterschiedliche Taktzeiten T, T', die in abwechselnder
Reihenfolge durchlaufen werden. Dadurch wird die gewünschte Ausgangsspannung
viel schneller und effizienter erreicht als bei einer herkömmlichen
Spannungspumpe. Die erfindungsgemäße Spannungspumpe besitzt ferner
den Vorteil, dass sie weitaus höhere
Ausgangsspannungen erzeugen kann als eine herkömmliche Spannungspumpe, bei
denen der Wirkungsgrad mit zunehmender Anzahl von Stufen, d.h. Kondensatoren
immer weiter abnimmt. Auch gegenüber
alternativen herkömmlichen,
schneller pumpenden Spannungspumpen, deren Wirkungsgrad typischerweise
etwa 33 % beträgt,
erzielt die erfindungsgemäße Spannungspumpe
einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad von 50 %. Ein besonderer
Vorteil der erfindungsgemäßen Spannungspumpe
besteht darin, dass an allen Kondensatoren C dieser Spannungspumpe
jeweils Spannungen anliegen, die höchstens der Potentialdifferenz
zwischen den bereitgestellten ersten und zweiten Potentialen V0,
V1 entsprechen. Zu keinem Zeitpunkt liegt an irgendeinem der Kondensatoren
C der erfindungsgemäßen Spannungspumpe
eine größere Potentialdifferenz an.
Daher ist die erfindungsgemäße Spannungspumpe
die erste Spannungspumpe, die innerhalb einer integrierten Halbleiterschaltung
mit Hilfe von Grabenkondensatoren zuverlässig betreibbar ist. Für praktische
Zwecke wird die Reihenschaltung der Spannungspumpe vorzugsweise
aus zwei oder drei Kondensatoren C gebildet, zur Erzeugung noch
höherer Spannungen
können
jedoch auch mehr als drei Kondensatoren C in der Reihenschaltung
R der erfindungsgemäßen Spannungspumpe 10 vorgesehen sein.
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Zusätzlich kann
die erfindungsgemäße Spannungspumpe
ein zusätzliches
Schaltelement 13 aufweisen, das jeweils gleichzeitig mit
den ersten Schaltelementen 11 leitend und sperrend schaltbar ist.
Dadurch lässt
sich die erste Kondensatorelektrode 8 des ersten Kondensators
C1 mit einer Zuleitung 5, die mit dem zweiten Potential
V1 vorgespannt ist, verbinden, wenn die ersten Schaltelemente 11 leitend
geschaltet sind und alle Kondensatoren C miteinander verbinden.
Durch das gleichzeitige Leitendschalten des zusätzlichen Schaltelements 13 wird das
Potential der ersten Kondensatorelektrode 8 des ersten
Kondensators C1 von zunächst
V0 auf nun V1, d.h. auf das zweite Potential, angehoben. Zuvor war über die
entsprechende Anschlussleitung 4 und über das leitend geschaltete
zweite Schaltelement 12 die eingangsseitige erste Kondensatorelektrode 8 mit dem
ersten Potential V0 vorgespannt. Durch die nun eingangsseitig am
ersten Kondensator C1 erfolgte Potentialveränderung wird die an der gesamten
Reihenschaltung abgreifbare Versorgungsspannung noch einmal um den
Betrag V = V1 – V0
vergrößert, d.h.
die Ausgangsspannung zusätzlich
gepumpt.
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Die
erfindungsgemäße Spannungspumpe wird
periodisch und abwechselnd nacheinander jeweils in die Schaltzustände gemäß den Taktzeiten
T und T' versetzt,
so dass abwechselnd alle ersten Schaltelemente 11 (gemeinsam
mit dem zusätzlichen
Schaltelement 13) bzw. alle zweiten Schaltelemente 12 gemeinsam
kurzzeitig leitend geschaltet werden. Dadurch wird jeweils in abwechselnder
Reihenfolge ein Aufladen aller Kondensatoren einzeln und ein Kurzschließen aller
Kondensatoren der Reihenschaltung R erreicht.
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4 zeigt
eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Spannungspumpe 10,
die zwei Reihenschaltungen R1 und R2 aufweist, von denen jede Reihenschaltung
R1, R2 in gleicher Weise wie die in den 2 und 3 dargestellte
Reihenschaltung R ausgebildet ist. Beide Reihenschaltungen besitzen eingangsseitige
und ausgangsseitige Zuleitungen 5, 6, an denen
eine Pumpspannung abgreifbar ist, die durch die jeweilige Reihenschaltung
R1, R2 von Kondensatoren C1 bis Cn bzw. C1' bis Cn' erzeugt wird. Innerhalb der Spannungspumpe 10 wird
jede der beiden Reihenschaltungen mit dem ersten V0 und dem zweiten
vorgegebenen Potential V1 versorgt.
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Beide
Reihenschaltungen R1, R2 werden so betrieben, dass zu jedem Zeitpunkt
beide Reihenschaltungen in unterschiedlichen Schaltzuständen betrieben
werden. Zu allen (beispielsweise geradzahligen) Taktzeiten, zu denen
die Reihenschaltung R1 sich in dem Schaltzustand gemäß 2 befindet, befindet
sich die Reihenschaltung R2 sich in dem Schaltzustand gemäß 3.
Umgekehrt befindet sich, etwa bei allen ungeraden Taktzeiten, die
Reihenschaltung R2 in dem Schaltzustand gemäß 2 und stets
zur gleichen Zeit die Reihenschaltung R1 sich in dem Schaltzustand
gemäß 3.
Somit werden die beiden Reihenschaltungen R1, R2 gegenphasig zueinander
betrieben in Bezug auf den aus lediglich zwei Taktzeiten T, T' gebildeten Zyklus,
der von den beiden Reihenschaltungen periodisch durchlaufen wird.
Die Reihenschaltung R2 durchläuft diesen
Zyklus jeweils zeitversetzt zur Reihenschaltung R1. Dies bedeutet,
dass immer dann, wenn die ersten Schaltelemente 11 der
Reihenschaltung R1 leitend geschaltet und die zweiten Schaltelemente der
Reihenschaltung R1 sperrend geschaltet sind, zur gleichen Zeit die
ersten Schaltelemente 21 der Reihenschaltung R2 sperrend
geschaltet und die zweiten Schaltelemente 22 der Reihenschaltung
R2 leitend geschaltet sind. Jeweils eine Taktzeit danach sind die
Schaltelemente der beiden Reihenschaltungen wie in 4 dargestellt
geschaltet. Dadurch wird an den ausgangsseitigen Zuleitungen 6 beider
Reihenschaltungen R abwechselnd jeweils das Ausgangspotential V' = (n + 1)V bereitgestellt,
und zwar jeweils während
einer Taktzeit T; T' oder
einer größer bemessenen,
aber einheitlichen Taktdauer. Wie auch in den 2 und 3 lassen
sich ebenso bei der weitergebildeten Spannungspumpe 10 gemäß 4 die
eingangsseitigen Kondensatoren C1, C1' mit Hilfe zusätzliche Schaltelemente 13 auf
ein höheres
Potential pumpen.
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Die
ausgangsseitigen Leitungen 6 der beiden Reihenschaltungen
R1, R2 sind an zwei Eingänge
einer Schalteinheit 14 angeschlossen, die taktweise abwechselnd
die Ausgangsleitung 15 der Spannungspumpe 10 mit
einer der Leitungen 6 kurzschließt. Dadurch wird jeweils die
Zuleitung 6 derjenigen Reihenschal tung R1; R2 mit der Ausgangsleitung 15 verbunden,
die momentan jeweils mit einem Potential vorgespannt ist, das die
größere Potentialdifferenz
zu dem ersten Potential V0 besitzt. Dadurch ist gewährleistet,
dass zu jedem Zeitpunkt stets diejenige Reihenschaltung, an der
die maximale Pumpspannung abgreifbar ist, mit der Ausgangsleitung 15 verbunden
ist, während
die jeweils andere Reihenschaltung elektrisch von der Ausgangsleitung 15 entkoppelt
ist, um in dieser Zeit ihre Kondensatoren C bzw. C' erneut aufzuladen.
Alternativ jedoch kann anstelle der Schalteinheit 14 ein
Schaltungsknoten vorgesehen sein, über den die ausgangsseitigen
Leitungen 6 beider Reihenschaltungen mit der Ausgangsleitung 15 direkt
verbunden sind.
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5 zeigt
eine Simulation des elektrischen Schaltverhaltens der erfindungsgemäßen Spannungspumpe
mit einer Reihenschaltung gemäß 2 bzw. 3.
In Abhängigkeit
von der Zeit t, die über
einen Zeitraum von ca. 65 Taktzeiten aufgetragen ist, ist der Verlauf
der Entwicklung der Ausgangsspannung V' zwischen den Zuleitungen 5, 6 am
ersten und letzten Kondensator der Reihenschaltung R aufgetragen,
und zwar jeweils für
den Fall einer Lastkapazität
CA von 10 Nano-Farad (nF) und 30 nF. Nach etwa 0,9 ms hat sich die
Ausgangsspannung V' weitgehend
auf den asymptotisch erreichbaren Maximalwert eingestellt, wobei
für den
Fall einer Lastkapazität
von 30 nF die asymptotische Annäherung
naturgemäß langsamer
verläuft.
An beiden simulierten Potentialverläufen ist erkennbar, dass zu
jeder zweiten Taktzeit jeweils die Ausgangsspannung V', stagniert, da die
ersten Schaltelemente sperrend geschaltet sind und die Kondensatoren
jeweils einzeln erneut aufgeladen werden. Das Leitendschalten der ersten
Schaltelemente zu den übrigen
Taktzeiten äußert sich
in 5 durch das jeweilige Ansteigen der Ausgangsspannung
V' um einen ge wissen
Betrag, der mit zunehmender Anzahl der durchlaufenen Zyklen abnimmt
und im Laufe der asymptotischen Annäherung an das Maximalpotential
von beispielsweise 4,8 V gegen Null tendiert. Mit Hilfe zweier solcher Reihenschaltungen,
die gegentaktig betrieben werden und deren Ausgangssignale durch
die Schalteinheit 14 aus 4 abwechselnd
mit der Ausgangsleitung verbunden werden, wird somit eine funktionsfähige und
optimierte Spannungspumpe bereitgestellt.
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Spannungspumpe
können
sämtliche
Kondensatoren jeweils einzeln aufgeladen werden (durch so genanntes „precharging"). Das erste Potential
V0 kann beispielsweise ein Massepotential („ground"), oder ein beliebiges anderes Referenz-Potential
sein. Die in 5 simulierte Spannungspumpe
besitzt beispielhaft zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren, die
jeweils eine gleich große
Kapazität
besitzen und jeweils mit 1,6 V bei jedem Aufladevorgang aufgeladen werden.
Ferner wurde durch Boosten durch ein zusätzliches Schaltelement 13 die
Spannung auf insgesamt 4,8 V (statt 3,2 V) erhöht.
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Die
erfindungsgemäße Spannungspumpe kann
ferner eine Spannungspumpe mit drei oder mehr in Reihe geschalteten
Kondensatoren pro Reihenschaltung sein; ihre Kondensatoren können als Grabenkondensatoren
ausgebildet sein, deren äußere Elektroden
wahlweise durch p-Dotierstoff-Diffusionsgebiete oder durch n-Dotierstoff-Diffusionsgebiete
im Substrat gebildet sind. Mit der erfindungsgemäßen Spannungspumpe lassen sich
Ausgangsspannungen erzeugen, die bedeutend höher sind als die zulässige Maximalspannung,
die jeweils an einem einzigen Kondensator anliegen darf. Die ersten
und zweiten Schaltelemente beider Reihenschaltungen können beispielsweise
n-Kanal- Feldeffekttransistoren
oder p-Kanal-Feldeffekttransistoren sein.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
hinsichtlich der schaltungstechnischen Realisierung einer Reihenschaltung
der erfindungsgemäßen Spannungspumpe.
Die Reihenschaltung R der Spannungspumpe 10 entspricht
der in den 2 und 3 dargestellten
Reihenschaltung. Zusätzlich zeigt 6 beispielhaft
eine mögliche
Art der Realisierung der Schaltelemente 11, 12 sowie
die Ansteuerung durch elektrische Signale, die nachstehend noch
anhand der 6A bis 6D erläutert werden.
Die Reihenschaltung R in 6 besitzt zwei Kondensatoren
C bzw. C1, C2, die zueinander in Reihe geschaltet sind und durch
ein erstes Schaltelement 11a voneinander getrennt sind.
Ferner ist am Ende der Reihenschaltung ein weiteres erstes Schaltelement 11b dargestellt,
welches in 2 und 3 lediglich
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt ist. Das weitere erste Schaltelement 11b ist
in der ausgangsseitigen Zuleitung 6 angeordnet, welche
zu einer Ausgangsleitung 15 zum Ausgeben der gepumpten
Spannung führt.
Die Anschlussleitungen 4 weisen zweite Schaltelemente 12 auf,
die zum Aufladen der Kondensatoren C leitend geschaltet werden.
Weiterhin ist in 6 das zusätzliche Schaltelement 13 dargestellt,
welches zeitgleich mit den ersten Schaltelementen 11a, 11b leitend
bzw. sperrend geschaltet wird.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 6 ist dasjenige erste Schaltelement 11a,
das zwischen den beiden Kondensatoren C1, C2 angeordnet ist, als
n-MOSFET (n-Kanal-Feldeffekttransistor) ausgebildet, ebenso wie
diejenigen zweiten Schaltelemente 12, die an solchen Anschlussleitungen 4a vorgesehen
sind, mit denen Kondensatorelektroden mit dem ersten elektrischen
Potential V0 vorgespannt werden. Die übrigen zweiten Schaltelemente 12,
die in solchen Anschlussleitungen 4a vorgesehen sind, mit denen
Kondensatorelektroden mit dem zweiten elektrischen Potential V1
vorgespannt werden, sind in dem Ausführungsbeispiel der 6 als
p-MOSFETs (metal Oxide semiconductor field effect transistor), d.h.
als p-Kanal-Feldeffekttransistoren
ausgebildet. Als p-MOSFETs ausgebildet sind ebenso das zusätzliche
Schaltelement 13 sowie das weitere erste Schaltelement 11b,
das in der ausgangsleitigen Zuleitung 6 angeordnet ist.
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Die
Reihenschaltung R erzeugt eine die Ausgangsspannung V', die sich in mehreren
Zyklen asymptotisch einem Maximalwert von beispielsweise 5 V annähert, wie
in 6A dargestellt ist. 6A zeigt
in Abhängigkeit
von der Zeit, die jeweils in Einheiten von 100 Mikrosekunden gemeinsam
für die 6A bis 6D aufgetragen
ist, den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung V', gemessen in Volt. Wie
bereits anhand der vorstehenden Figuren erläutert, wird durch die Reihenschaltung
R das Potential der ausgangsseitigen Zuleitung 6 schrittweise
hochgepumpt. Nach jedem Zyklus (der mit einer Mindestzahl von lediglich
zwei Taktschritten auskommt) wird das Potential der ausgangsseitigen
Zuleitung 6 um einen gewissen Betrag erhöht. Das
weitere erste Schaltelement 11b wird durch ein Steuersignal
S4N gesteuert, das an die Gateelektrode des weiteren ersten Schaltelements 11b angelegt
wird. Das Steuersignal S4N ist gegenüber dem Steuersignal S4 invertiert,
welches in 6C aufgetragen ist. Dies bedeutet,
dass entlang der Zeitskala t in 6C immer dann,
wenn das Steuersignal S4 den Maximalwert von beispielsweise 5 V
(alternativ 6 V oder eine andere Spannung) annimmt, das invertierte
Signal S4N den Wert von 0 V annimmt, wohingegen immer dann, wenn
das Steuersignal S4 den Wert 0 V annimmt, das invertierte Steuersignal
S4N den Maximalwert von 5 V (oder eine entsprechende andere Maximalspannung,
beispielsweise von 6 V) annimmt.
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Da
das weitere erste Schaltelement 11b ein p-Kanal-Feldeffekttransistor
ist, wird der Transistor genau dann leitend, wenn an seiner Gateelektrode ein
niedriges elektrisches Potential anliegt, d.h. das Steuersignal
S4N einen kleinen Wert annimmt. Dies ist genau dann der Fall, wenn
das Signal S4 einen großen
Wert, insbesondere einen großen
positiven Wert annimmt. Beispielsweise immer dann, wenn das in 6C dargestellte
Signal S4 den Wert von 5 V annimmt, beträgt das invertierte Signal S4N
jeweils 0 V und schaltet das weitere erste Schaltelement 11b leitend.
Dies geschieht, wie anhand der 6C erkennbar,
erstmals nach etwa 25 Mikrosekunden. Genau zu diesem Zeitpunkt erfolgt
der erste Spannungsanstieg des Ausgangssignals V' in 6A. Nach
jeweils etwa weiteren 90 Mikrosekunden folgt ein weiterer Spannungshub
des Ausgangssignals V', der
jedoch immer geringer ausfällt,
je weiter der Pumpvorgang fortgeschritten ist und je näher die Ausgangsspannung
bei der asymptotisch erreichbaren Endspannung liegt. Beim Vergleich
der 6A und 6C ist
erkennbar, dass nach jeweils einer Taktperiode, d.h. nach jeweils
einer fallenden und einer steigenden Taktflanke des Signals S4 der
jeweils nächste
Spannungshub des Ausgangssignals V' (6A) eingeleitet
wird. Das in 6 dargestellte weitere erste
Schaltelement 11b dient somit dazu, das ausgangsseitige
Ende der Zuleitung 6 beim Aufladen der Kondensatoren C
von dem eingangsseitigen Ende der Zuleitung 6 zu trennen
und andererseits jeweils dann, wenn die Kondensatoren C miteinander
kurzgeschlossen sind, eine leitende Verbindung der Reihenschaltung
zur Ausgangsleitung 15 herzustellen.
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Zur
Verhinderung von Leckströmen
durch in Durchlassrichtung vorgespannte pn-Übergänge in den Feldeffekttransistoren
wird deren Substratgebiet mit einem zeitlich konstanten, hohen positiven
Potential vorgespannt, nämlich
mit dem Steuersignal S5, wie in 6 dargestellt.
Dasselbe zeitlich konstante Steuersignal S5 wird auch an die Substratanschlüsse derjenigen
zweiten Schaltelemente 12 angelegt, die in Anschlussleitungen 4b angeordnet
sind, über
welche jeweils Kondensatelektroden mit dem zweiten elektrischen
Potential V1 vorspannbar sind. Dadurch wird auch bei diesen p-Kanal-Feldeffekttransistoren ein
Entstehen von Leckströmen
vermieden. Die elektrische Verbindung zwischen den Substratbereichen dieser
drei p-Kanal-Feldeffekttransistoren und dem gemeinsamen Potentialanschluss
für das
Steuersignal S5 (links oben in 6) ist in 6 der Übersichtlichtkeit
halber nicht dargestellt.
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Zwischen
den beiden Kondensatoren C1, C2 der zweistufigen Spannungspumpe 10 ist
ein erstes Schaltelement 11a angeordnet, das hier als p-Kanal-Feldeffekttransistor
ausgebildet ist. Dessen Substratbereich ist mit dem ersten elektrischen
Potential V0 vorgespannt. Zur elektrischen Ansteuerung der Gateelektrode
des ersten Schaltelements 11a dient das zeitlich veränderliche
Steuersignal S4, das bereits anhand der 6C erläutert wurde.
Beide ersten Schaltelemente 11a, 11b werden stets
zur gleichen Zeit leitend geschaltet. Dabei wird die Gateelektrode
des ersten Schaltelements 11a mit dem Steuersignal S4 versorgt
und die Gateelektrode des weiteren ersten Schaltelements 11b mit
dem invertierten Steuersignal S4N. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass
das erste Schaltelement 11a ein n-Kanal-Feldeffekttransistor
ist, wohingegen das weitere erste Schaltelement 11b ein
p-Kanal-Feldeffekttransistor
ist. Somit werden beide ersten Schalt elemente 11a, 11b jeweils
gleichzeitig leitend oder sperrend geschaltet.
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Das
zusätzliche
Schaltelement 13 dient zum Boosten der Spannung, wobei
das Potential der die 6 unten dargestellten ersten
Kondensatorelektrode des Kondensators C1 stets von dem ersten Potential
V0 auf das zweite Potential V1 angehoben wird. Dazu wird das zusätzliche
Schaltelement 13 jeweils gleichzeitig mit den ersten Schaltelementen 11a, 11b leitend
geschaltet. Hierzu ist ein weiteres Steuersignal S1 vorgesehen,
mit welchem die Gateelektrode des zusätzlichen Schaltelements 13 versorgt
wird. Das Steuersignal S1 ist in 6B in
Abhängigkeit
von der Zeit dargestellt. Es nimmt abwechselnd einen Wert von beispielsweise
0 V und 2,5 V an, wobei auch diese Zahlenwerte (ebenso wie die Zahlenwerte,
die mit Bezug auf die 6A, 6C und 6D genannt
sind) nur beispielhaft sind. Das zusätzliche Schaltelement 13 wird
jeweils dann leitend geschaltet, wenn das Steuersignal S1 den Wert
von 0 V annimmt, wie beispielsweise zunächst im Zeitintervall von 0
bis 25 Mikrosekunden und danach etwa im Zeitinterval von etwa 20
bis 95 Mikrosekunden. In diesen Zeitintervallen wird über das
weitere erste Schaltelement 11b die Ausgangsspannung V' hochgepumpt. Zur
Vermeidung von Leckströmen
ist der Substratbereich des zusätzlichen
Schaltelements 13 und mit dem eingangsseitigen Source/Drain-Anschluss
kurzgeschlossen, der über
die eingangsseitigen Zuleitung 5 mit dem zweiten elektrischen
Potential V1 vorgespannt ist. Die Schaltelemente 11a, 11b und 13 werden
stets gleichzeitig leitend geschaltet.
-
Zumindest
dann, wenn die Schaltelemente 11a, 11b und 13 leitend
geschaltet sind, müssen
die zweiten Schaltelemente 12 sperrend geschaltet sein. Umgekehrt
müssen
zumindest dann, wenn die zweiten Schaltelemente 12 leitend
geschaltet sind, die Schaltelemente 11a, 11b und 13 sperrend
geschaltet sein. Dies wird durch die Ansteuerung der in 6 dargestellten
zweiten Schaltelemente 12 durch die weiteren Steuersignale
S2 und S2N erreicht, mit denen die Gateelektroden der zweiten Schaltelemente 12 versorgt
werden. Das Steuersignal S1 ist in 6D dargestellt;
das invertierte Steuersignal S2N ergibt sich aus dem Signal S2 durch
Umkehrung der digitalen Werte 0 und 1. Immer dann,
wenn das Steuersignal S2 seinen Maximalwert (von beispielsweise 5
V) annimmt, beträgt
der Wert des invertierten Steuersignals S2N 0 V. Umgekehrt nimmt
das invertierte Steuersignal S2N immer dann, wenn das Steuersignal
S2 0 V beträgt,
den Maximalwert an. Durch das Steuersignal S2 werden die p-Kanal-Feldeffekttransistoren 12,
die an die Anschlussleitungen 4b angeschlossen sind, jeweils
dann leitend geschaltet, wenn das Steuersignal S2 0 V beträgt. Dies
ist beispielsweise gemäß 6D in
dem Zeitinterval von 0 bis etwa 25 Mikrosekunden der Fall, danach
wieder im Zeitinterval von etwa 95 bis 120 Mikrosekunden. Obwohl
die erfindungsgemäße Spannungspumpe
lediglich zwei verschiedene Taktzeiten pro Pumpzyklus benötigt, um
die Ausgangsspannung jeweils um einen gewissen Spannungsbetrag zu
pumpen, ist gemäß 6D vorzugsweise
vorgesehen, dass das Steuersignal S2 die zweiten Schaltelemente 12 jeweils
nur für
kurze Zeit leitend schaltet (für
jeweils etwa 25 Millisekunden) und jeweils eine vergleichsweise
lange Zeit sperrend schaltet (beispielsweise für jeweils 70 Mikrosekunden).
Dadurch wird verhindert, dass innerhalb der Reihenschaltung R eines
der ersten Schaltelemente gleichzeitig mit einem der zweiten Schaltelemente
kurzzeitig gemeinsam leitend geschaltet ist. Dadurch wird Spannungsspitzen infolge
von Kurzschlussströmen
vorgebeugt.
-
Die
an die übrigen
Anschlussleitungen 4a angeschlossenen zweiten Schaltelemente 12 sind n-Kanal-Feldeffekttransistoren.
Deren Gateelektroden werden daher mit dem invertierten Steuersignal S2N
versorgt. Die an die Anschlussleitungen 4a angeschlossenen
zweiten Schaltelemente 12 spannen im leitend geschalteten
Zustand jeweils eine Kondensatorelektrode mit dem ersten elektrischen
Potential V0 vor. Zur gleichen Zeit spannen die an die Anschlussleitungen 4b angeschlossenen
zweiten Schaltelemente 12 jeweils eine Kondensatorelektrode
mit dem zweiten elektrischen Potential V1 vor. Zur Vermeidung von
Leckströmen
sind die Substratgebiete der mit dem Steuersignal S2 versorgten
p-Kanal-Feldeffekttransistoren mit dem großen positiven, zeitlich konstanten
Steuersignal S5 vorgespannt. Bei den an die Zuleitungen 4a angeschlossenen
Transistoren 12 hingegen ist das Substratgebiet mit dem
eingangsseitigen jeweiligen Source/Drain-Anschluss kurzgeschlossen, über dem
das erste elektrische Potential V0 bereitgestellt wird. Dadurch
werden auch bei den zweiten Schaltelementen 12 unerwünschte Leckströme vermieden.
-
Bei
dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spannungspumpe 10 werden
Kondensatoren C1, C2 einer Reihenschaltung R wiederholt miteinander
kurzgeschlossen werden, wobei jeweils entgegengesetzt zueinander aufgeladene
Kondensatorelektroden zweier Kondensatoren über die Verbindungsleitung 3 miteinander kurzgeschlossen
werden. Solch ein Kurzschließen entgegengesetzt
zueinander aufgeladener Kondensatorelektroden ist bei einer herkömmlichen
Spannungspumpe nicht üblich.
Erfindungsgemäß wird somit
ein neuer Typ von Spannungspumpen bereitgestellt, der mit einer
wesentlich weniger umfangreichen Ansteuerung betreibbar ist und
insbesondere mit wenigen zeitlich veränderlichen Steuersignalen auskommt.
Im Wesentlichen sind dies die Steuersignale S2 und S4, wobei die
jeweils invertierten Steuersignale S2N und S4N jeweils mit Hilfe
eines entsprechenden Inverters aus diesen Steuersignalen erzeugt
werden können
und auch nur dann notwendig sind, wenn einige der Schaltelemente
als p-Kanal-Transistoren
statt als n-Kanal-Transistoren (oder umgekehrt) ausgebildet sein
sollen. Hinsichtlich der Vertauschung dieser beiden Transistortypen
und hinsichtlich der Vertauschung der Spannungswerte und elektrische
Potentiale mit solchen entgegengesetzten Vorzeichens ist die vorliegende
Erfindung jeweils auf beide Alternativen anwendbar. Zudem kann anstelle
des zusätzlichen
Steuersignals S1 alternativ das invertierte Steuersignal S2N eingesetzt
werden, welches lediglich um einen konstanten Faktor größer ist
als das Steuersignal S1.
-
Das
Steuersignal S5 ist zeitlich konstant. Somit verbleiben nur die
beiden Steuersignale S2 und S4 als voneinander unabhängige, zeitlich
veränderliche
Steuersignale. Dass diese beiden Steuersignale anstelle eines einzigen
Steuersignals verwendet werden, dient nur dazu, dass ein gleichzeitiges Öffnen erster
und zweiter Schaltelemente beim Übergang von
einer Taktzeit zur nächsten
Taktzeit verhindert wird. Im Grenzfall, bei dem die ersten Schaltelemente immer
dann leitend geschaltet sind, wenn die zweiten Schaltelemente sperrend
geschaltet sind und umgekehrt, sind die Steuersignale S2 und S4
identisch und sitzen Taktflanken, die zeitlich synchron zueinander auftreten.
Lediglich zur Vermeidung dieses Grenzfalles werden zwei unterschiedliche
S2, S4 verwendet, wobei das Steuersignal S2 gemäß 6D die überwiegende
Zeit ein hohes Potential annimmt.
-
Mit
einer derart geringen Anzahl von Steuersignalen kommt kaum eine
herkömmliche
Spannungspumpe aus. Somit führt
nicht nur der Umstand, dass die erfindungsgemäße Spannungspumpe mit Grabenkondensatoren
realisierbar ist, zu einer beträchtlichen
Verringerung der erforderlichen Substratfläche, sondern außerdem besteht
die Möglichkeit, gegenüber herkömmlichen
Spannungspumpen den Aufwand und den Platzbedarf für die elektrische
Ansteuerung, die die jeweils erforderlichen Steuersignale bereitstellt,
zu verringern.
-
- 1
- Halbleiterschaltung
- 3
- Verbindungsleitung
- 4;
4a, 4b
- Anschlussleitung
- 5,
6
- Zuleitung
- 8
- erste
Kondensatorelektrode
- 9
- zweite
Kondensatorelektrode
- 10
- Spannungspumpe
- 11,
21
- erstes
Schaltelement
- 12,
22
- zweites
Schaltelement
- 13
- zusätzliches
Schaltelement
- 14
- Schalteinheit
- 15
- Ausgangsleitung
- 18
- erste
Kondensatorelektrode des ersten Kondensators
- 19
- zweite
Kondensatorelektrode des letzten Kondensators
- C;
C'
- Kondensator
- C1;
C1'
- erster
Kondensator
- CA
- Lastkapazität
- Cn;
Cn'
- letzter
Kondensator
- R
- Reihenschaltung
- R1
- erste
Reihenschaltung
- R2
- zweite
Reihenschaltung
- S1,
..., S5
- Steuersignal
- T;
T'
- Taktzeit
- V
- Spannung
- Va
- Anfangspotential
- V0
- erstes
elektrisches Potential
- V1
- zweites
elektrisches Potential
- Vn
- neues
Potential
- V'
- Ausgangsspannung