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Die
Erfindung betrifft eine Ladungspumpenzelle nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, eine Ladungspumpenschaltung mit mehreren
Ladungspumpenzellen und ein Betriebsverfahren für eine Ladungspumpe.
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Bekannte
Ladungspumpenschaltungen können
an einem Knoten einen Kondensator mit Hilfe eines Treibers laden,
während
gleichzeitig ein Kondensator an einem benachbarten Knoten entladen
wird. In diesen bekannten Ladungspumpenschaltungen kann die Ladungsaufnahme
proportional zum Produkt der Kapazität und einer Versorgungsspannung sein
und durch Laden über
einen Knoten, Vorentladen oder Vorladen über den benachbarten Knoten, bevor über einen
Masseknoten entladen wird, und Abschließen des Entladevorgangs über den
Masseknoten nach der Trennung vom benachbarten Knoten reduziert
werden.
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Wird
ein Ladungspumpvorgang durch alternierende Lade- und Vorladevorgänge ausgeführt, dann
kann der Vorladevorgang zuerst vom Knoten des Ladevorgangs ausgeführt werden
und die verbleibende Ladung kann dann von einer externen Spannungsquelle
zur Verfügung
gestellt werden und die vom Ladevorgang verbrauchte Ladungsmenge kann
reduziert werden.
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1 zeigt ein Blockdiagramm
einer herkömmlichen
Spannungsgeneratorschaltung 10, die einen Oszillator 11,
einen Taktgenerator 12, eine Ladungspumpenschaltung 13 und
einen Regler 14 umfasst. Der Oszillator 11, z.B.
ein Ringoszillator, der durch ein Freigabesignal EN freigegeben
bzw. gestartet, getriggert usw. wird, kann ein Oszillationssignal
zum Triggern des Betriebs des Taktgenerators 12 erzeugen.
Der Taktgenerator 12 kann durch das Oszillationssignal
getriggert werden und Taktsignale zum Steuern des Betriebs der Ladungspumpenschaltung 13 erzeugen.
Die Ladungspumpenschaltung 13 kann ein Mehrzahl von Ladungspumpenzellen
umfassen und einen Ladungspumpvorgang durch alternierende Lade-
und Entladevorgänge
basierend auf den vom Taktgenerator 12 ausgegebenen Taktsignalen
ausführen,
um eine höhere
Spannung für
eine Halbleiterschaltung auszugeben. Der Regler 14 kann
beispielsweise ein Rücksetzsignal RST
zum Deaktivieren bzw. Abschalten des Oszillators 11 ausgeben,
wenn die von der Ladungspumpenschaltung 13 ausgegebene
Spannung einen Schwellwertpegel bzw. einen Sollpegel erreicht. Der Regler 14 kann
den Betrieb des Oszillators 11 so steuern, dass die Ausgabespannung
der Ladungspumpenschaltung 13 den Schwellwertpegel bzw.
den gewünschten
Pegel erreicht.
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2 zeigt ein Schaltbild einer
herkömmlichen
Ladungspumpenschaltung 20. 3 zeigt
ein Zeitablaufdiagramm von Taktsignalen zum Treiben der herkömmlichen
Ladungspumpenschaltung 20 gemäß 2.
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Speziell
zeigt 2 einen Teil einer
Mehrzahl von Ladungspumpenzellen der herkömmlichen Ladungspumpenschaltung 20.
Die Ladungspumpenschaltung 20 kann, wie aus 2 ersichtlich ist, eine höhere Spannung
durch Pumpen von Ladung unter Verwendung der in Reihe ge schalteten
Ladungspumpenzellen erzeugen. Gemäß 2 kann die Ladungspumpenschaltung 20 die über einen
Kondensator Cp, z.B. einen Pumpkondensator, eingegebene Ladung für einen
Ladungspumpvorgang auf eine höhere
Spannung hochziehen und die hochgezogene Spannung an eine nächste Zelle
ausgeben. Wenn die Ladungspumpenschaltung 20 beispielsweise
den mit einem Spannungsausgabeknoten N(i) einer i-ten Zelle verbundenen
Kondensator Cp durch Verwendung eines Ladetaktsignals nPh1 auf eine
höhere Spannung
treibt und ein Schalttaktsignal Ph1a auf einen höheren Pegel hochzieht, bewegt
sich Ladung vom Spannungsausgabeknoten N(i) der i-ten Zelle zum
Ausgabeknoten N(i + 1) einer (i + 1)-ten Zelle. Der Kondensator
Cp, eine erste parasitäre
Kapazität Cc
und eine zweite parasitäre
Kapazität
Cs können durch
die Ladungstaktsignale nPh1 und nPh2 getrieben werden. Die erste
parasitäre
Kapazität
Cc kann eine parasitäre
Kapazität
des Kondensator Cp umfassen, wenn der Pumpkondensator Cp arbeitet,
und die zweite parasitäre
Kapazität
Cs kann eine andere Kapazität,
z.B. eine Streukapazität,
aufweisen, welche ebenfalls die parasitäre Kapazität eines jeden Knotens sein
kann.
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Die
verbrauchte Ladungsmenge, wenn der Ladungspumpvorgang in der Ladungspumpenschaltung 20 ausgeführt wird,
kann durchschnittlich Vdd·(Cp
+ Cc)·N
betragen, wobei Vdd eine Eingangsspannung und N die Anzahl der Ladungspumpenzellen
angibt. Der Ladungspumpenwirkungsgrad E berechnet sich gemäß E = Q_load/Q_cons = {Cp/(Cp + Cs)·(N + 1)·Vdd-V_targ}/{N2·Vdd·(Cp +
Cc)},wobei Q_load die an eine Last, beispielsweise an den Ausgabeknoten,
ausgegebene Ladungsmenge, Q_cons die Ladungsmenge, welche durch
den Pumpvorgang verbraucht wird, und V_targ eine Ausgangsspannung
der Last bezeichnet.
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Die
erste und zweite parasitäre
Kapazität
Cc und Cs können
eliminiert werden, um den Ladungspumpenwirkungsgrad E zu erhöhen bzw.
zu maximieren. Die Kapazitäten
der ersten und zweiten parasitären
Kapazität
Cc und Cs sind durch ein Ladungsversorgungsschema und durch die
Konfiguration des Pumpkondensators Cp bestimmt.
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In
herkömmlichen
Ladungspumpverfahren kann Ladung zum Laden des Pumpkondensators
Cp nachfolgend entladen werden. Um die zu entladende Ladungsmenge
zu reduzieren und den Ladungspumpenwirkungsgrad E zu erhöhen, können sich
herkömmliche
Ladungspumpenschaltungen Ladung in einem Pumpkondensator mit einem
benachbarten Kondensator teilen, bevor der Pumpkondensator entladen
wird.
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4 zeigt ein Schaltbild einer
herkömmlichen
Ladungspumpenschaltung 40, welche in der Lage ist, Ladung
zu verteilen. 5 zeigt
ein Zeitablaufdiagramm von Taktsignalen zum Treiben der herkömmlichen
Ladungspumpenschaltung 40 gemäß 4.
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Wenn
die Ladungspumpenschaltung 40 einen Ausgabeknoten N(i)
einer i-ten Zelle und einen Ausgabeknoten N(i + 1) einer (i + 1)-ten
Zelle unter Verwendung der in 5 gezeigten
Taktsignale lädt oder
entlädt,
kann die Ladungspumpenschaltung 40 den Ladungsverbrauch
durch gemeinsames Nutzen der anfänglichen
Ladung an jedem Knoten und durch Laden oder Entladen, um das Fehlen
oder den Überfluss
von Ladung zu kompensieren, reduzieren. Wenn beispielsweise das
Taktsignal eines mit dem Ausgabeknoten N(i) der i-ten Zelle verbundenen Pumpkondensators
Cp auf 0V liegt und das Taktsignal eines mit dem Ausgabeknoten N(i
+ 1) der (i + 1)-ten Zelle verbundenen Pumpkondensators Cp auf Vdd
liegt, kann die Ladung der mit dem Ausgabeknoten N(i) und dem Ausgabeknoten
N(i + 1) verbundenen Pumpkondensatoren Cp durch Freigabe eines Vorladetaktsignals
Ph3 auf die Spannung Vdd gemeinsam genutzt werden, bevor der mit
dem Ausgabeknoten N(i) verbundene Pumpkondensator Cp geladen und
der mit dem Ausgabeknoten N(i + 1) verbundene Pumpkondensator Cp
entladen wird. Im Stand der Technik kann der Vorladevorgang die Spannung
am Ausgabeknoten N(i) auf Vdd/2 durch Teilen der Ladung mit dem
Nachbarknoten N(i + 1) erhöhen
und die Spannung am Ausgabeknoten N(i + 1) kann auf Vdd/2 abnehmen.
Durch das Anlegen der Spannung Vdd an den mit dem Ausgabeknoten
N(i) verbundenen Pumpkondensator Cp und der Spannung von 0V an den
mit dem Ausgabeknoten N(i + 1) verbundenen Pumpkondensator Cp nach
dem Deaktivieren des Vorladetaktsignals Ph3 auf 0V kann der mit
dem Ausgabeknoten N(i) verbundene Pumpkondensator Cp von Vdd/2 auf
Vdd aufgeladen und der mit dem Ausgabeknoten N(i + 1) verbundene
Pumpkondensator Cp von Vdd/2 auf 0V entladen werden, so dass die
Ladungspumpenschaltung 40 nur eine reduzierte Ladungsmenge
verbraucht.
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Die
herkömmliche
Ladungspumpenschaltung 40 kann die umgekehrt fließende Ladung
vom Ausgabeknoten N(i + 1) zum Ausgabeknoten N(i) dadurch unterdrücken, dass
ein Ladungsversorgungstransistor 42 während des Vorladevorgangs in
einem inaktiven bzw. abgeschalteten Zustand gehalten wird.
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6 zeigt eine herkömmliche
Ladungspumpenschaltung 60 während eines Vorladevorgangs.
Bei der in 6 dargestellten
herkömmlichen Ladungspumpenschaltung 60 ist
der Pumpkondensator Cp in Reihe zur zweiten parasitären Kapazität Cs geschaltet.
Die geteilte Ladungsmenge für
jeden Knoten kann dann Vdd/2·[Cc
+ {Cp·Cs/(Cp
+ Cs)}] betragen. Im Stand der Technik können die zweiten parasitären Kapazitäten Cs an
den betreffenden Knoten der Ladungspumpenschaltung 60 den
Pumpwirkungsgrad reduzieren. Da die parasitären Kapazitäten Cc und Cs kleiner als die
Kapazität
des Pumpkondensators Cp sind, ist der Wert Vdd/2·(Cc + Cs) der geteilten Ladung
und der Anstieg des Pumpwirkungsgrades meist begrenzt bzw. unerheblich.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Ladungspumpenschaltung, eine Ladungspumpenzelle,
ein Betriebsverfahren für
eine Ladungspumpe anzugeben, welche die oben im Zusammenhang mit
dem Stand der Technik genannten Unzulänglichkeiten wenigstens teilweise
vermeiden.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch eine Ladungspumpenzelle mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1, durch eine Ladungspumpenschaltung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 12 und durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 13.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäße Ausführungsformen
stellen Ladungspumpenschaltungen zur Verfügung, welche höhere Spannungen
erzeugen, den Ladungsverbrauch unterdrücken und/oder die Ladungsmenge, die
während
eines Vorladevorgangs der Ladungspumpenschaltung zum Erzeugen der
höheren
Spannung vorgeladen wird, beispielsweise durch alternierende Ladevorgänge und
Entladevorgänge
erhöhen.
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Erfindungsgemäße Ausführungsformen
stellen Ladungspumpenschaltungen zur Verfügung, welche beispielsweise
durch eine Erhöhung
der während
eines Vorladevorgangs angelegten Ladungsmenge einen höheren Pumpwirkungsgrad
erzielen.
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Vorteilhafte,
nachfolgend beschriebene Ausführungsformen
der Erfindung sowie die zu deren besserem Verständnis oben erläuterten,
herkömmlichen
Ausführungsbeispiele
sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer herkömmlichen
Spannungsgeneratorschaltung,
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2 ein
Schaltbild einer herkömmlichen Ladungspumpenschaltung,
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3 ein
Zeitablaufdiagramm von Taktsignalen zum Treiben der herkömmlichen
Ladungspumpenschaltung gemäß 2,
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4 ein
Schaltbild einer anderen herkömmlichen
Ladungspumpenschaltung,
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5 ein
Zeitablaufdiagramm von Taktsignalen zum Treiben der herkömmlichen
Ladungspumpenschaltung gemäß 4,
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6 ein
Schaltbild einer weiteren herkömmlichen
Ladungspumpenschaltung,
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7 ein
Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung,
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8 ein
Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung,
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9 ein
Zeitablaufdiagramm von Taktsignalen zum Treiben der erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung,
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10 ein
Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung
gemäß 8,
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11 ein
Zeitablaufdiagramm von Taktsignalen zum Treiben der erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung
gemäß 10,
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12 ein
Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung,
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13 ein
Zeitablaufdiagramm von Taktsignalen zum Treiben der erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung
gemäß 12,
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14 ein
Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung
und
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15 ein
Zeitablaufdiagramm von Taktsignalen zum Treiben der erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung
gemäß 14.
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7 zeigt
eine beispielhafte erfindungsgemäße Ladungspumpenschaltung 70,
in welcher ein Transistor 72 zwischen einem Pumpknoten
P(i) einer i-ten Zelle und einem Pumpknoten P(i + 1) einer (i + 1)-ten
Zelle aktiviert bzw. im leitend geschalteten Zustand ist. Eine Diode 74 ist
zwischen einem Ausgabeknoten N(i) der i-ten Zelle und einem Ausgabeknoten N(i
+ 1) der (i + 1)-ten Zelle eingeschleift. Während eines beispielhaften
Vorladevorgangs kann die Verbindung zwischen dem Ausgabeknoten N(i)
der i-ten Zelle und dem Ausgabeknoten N(i + 1) der (i + 1)-ten Zelle
inaktiv bzw. in einem sperrenden Zustand sein, wenn die Spannung
am Ausgabeknoten N(i) der i-ten Zelle niedriger als die Spannung
am Ausgabeknoten N(i + 1) der (i + 1)-ten Zelle ist, und kann aktiviert
bzw. in einem leitenden Zustand sein, wenn die Spannung am Ausgabeknoten
N(i) der i-ten Zelle größer oder gleich
der Spannung am Ausgabeknoten N(i + 1) der (i + 1)-ten Zelle ist.
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In
der Schaltung gemäß 7 kann
die Spannung am Ausgabeknoten N(i) gleich Vpp – α sein und die Spannung am Ausgabeknoten
N(i + 1) kann gleich Vpp sein, beispielsweise wenn der Pegel eines
Taktes eines Pumpkondensators Cp der i-ten Zelle gleich 0V ist und
der Pegel eines Taktes eines Pumpkondensators Cp der (i + 1)-ten
Zelle gleich Vdd ist. Wird ein Vorladetaktsignal Ph3 freigegeben und
der Pumpknoten P(i) mit dem Pumpknoten P(i + 1) verbunden, dann
kann die Spannung am Pumpknoten P(i) von 0V auf Vdd/2 ansteigen
und die Spannung am Pumpknoten P(i + 1) kann von Vdd auf Vdd/2 abfallen.
Die Spannung am Ausgabeknoten N(i) kann beispielsweise um einen
Wert ansteigen, welcher der Menge an Ladung in Reaktion auf den Spannungsanstieg
am Pumpknoten P(i) entspricht, und die Spannung am Ausgabeknoten
N(i + 1) kann in Reaktion auf den Spannungsabfall am Pumpknoten
P(i + 1) abnehmen. Steigt die Spannung am Ausgabeknoten N(i) an
und nimmt die Spannung am Ausgabeknoten N(i + 1) ab, dann kann die
Spannung am Ausgabeknoten N(i) der i-ten Zelle größer als
die Spannung am Ausgabeknoten N(i + 1) der (i + 1)-ten Zelle werden
und die Verbindung zwischen den zwei Ausgabeknoten N(i) und N(i
+ 1) kann aktiv werden. Die zwei Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1)
können
die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Spannung behalten,
da Ladung vom Ausgabeknoten N(i) zum Ausgabeknoten N(i + 1) übertragen
werden kann.
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Nach
einem Ladungspumpvorgang, z.B. nach einem ersten Ladungspumpvorgang,
können die
Pumpspannungen am Pumpknoten P(i) und am Pumpknoten P(i + 1) beispielsweise
gleich 2V sein, die Spannung am Ausgabeknoten N(i) kann gleich 7V
sein und die Spannung am Ausgabeknoten N(i + 1) kann gleich 8V sein.
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Während eines
anderen beispielhaften Vorladevorgangs kann die Spannung am Pumpknoten P(i)
von 0V auf 1 V ansteigen und die Spannung am Pumpknoten P(i + 1)
kann von 2V auf 1 V abfallen. Ist die Spannung am Ausgabeknoten
N(i) niedriger als die Spannung am Ausgabeknoten N(i + 1), beispielsweise
wenn die Spannung am Pumpknoten P(i) gleich 0V ist und die Spannung
am Pumpknoten P(i + 1) gleich 2V ist, dann kann die Diode 74 während des
Vorladevorgangs inaktiv bzw. in einem sperrenden Zustand sein. Nimmt
die Spannung am Pumpknoten P(i) beispielsweise den Wert 0,5V an,
dann kann die Spannung am Pumpknoten P(i + 1) gleich 1,5V, die Spannung
am Ausgabeknoten N(i) gleich 7,5V und die Spannung am Ausgabeknoten
N(i + 1) gleich 7,5V sein. In beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen
können
die Spannungen an den Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) gleich oder
im Wesentlichen gleich sein und die Verbindung zwischen den beiden
Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) kann aktiv sein.
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Wenn
die Spannung am Pumpknoten P(i) um 0,25V auf 0,75V ansteigt und
die Spannung am Pumpknoten P(i + 1) um 0,25V auf 1,25V abnimmt, kann
durch die Spannungsänderung
von 0,25V beispielsweise die Spannung am Ausgabeknoten N(i) gleich
7,75V und die Spannung am Ausgabeknoten N(i + 1) gleich 7,25V sein.
In diesem Beispiel werden, da die Verbindung zwischen den beiden
Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) aktiv ist, die Spannungen an den
Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) beispielsweise durch Übertragen
von Ladungen vom Ausgabeknoten N(i) zum Ausgabeknoten N(i + 1) auf
7,5V gehalten.
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Wenn
die Spannung am Pumpknoten P(i) um 0,25V auf 1 V ansteigt und die
Spannung am Pumpknoten P(i + 1) um 0,25V auf 1 V abnimmt, kann durch
die Spannungsänderung
von 0,25V beispielsweise die Spannung am Ausgabeknoten N(i) gleich
7,75V und die Spannung am Ausgabeknoten N(i + 1) gleich 7,25V sein.
In diesem Beispiel werden, da die Verbindung zwischen den beiden
Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) aktiv ist, die Spannungen an den
Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) beispielsweise durch Übertragen
von Ladungen vom Ausgabeknoten N(i) zum Ausgabeknoten N(i + 1) auf
7,5V gehalten.
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In
beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen
kann ein Ladungspumpvorgang dadurch ausgeführt werden, dass der zwischen
den beiden Pumpknoten P(i) und P(i + 1) eingeschleifte Transistor 72 deakti viert
bzw. sperrend geschaltet wird. Der Transistor 72 kann durch
Sperren des Vorladetaktsignals Ph3 deaktiviert werden, wodurch der mit
dem Ausgabeknoten N(i) verbundene Pumpkondensator Cp beispielsweise
durch Erhöhen
der Spannung am Pumpknoten P(i) aufgeladen wird und der mit dem
Ausgabeknoten N(i + 1) verbundene Pumpkondensator Cp beispielsweise
durch Absenken der Spannung am Pumpknoten P(i + 1) entladen wird.
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Während der
beispielhaften Vorladevorgänge
kann die Verbindung zwischen den beiden Ausgabeknoten N(i) und N(i
+ 1) aktiv sein, wenn die Spannung am Ausgabeknoten N(i) gleich
oder im Wesentlichen gleich der Spannung am Ausgabeknoten N(i + 1)
ist. In beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen können der
Pumpkondensator Cp, eine erste parasitäre Kapazität Cc und eine zweite parasitäre Kapazität Cs parallel
geschaltet sein und die Kapazität
und/oder die geteilte Ladungsmenge können zunehmen. Die parallele
Kapazität
einer Ladungspumpenzelle kann z.B. gleich Cc + Cp//Cs(Cc + (Cp·Cs)/(Cp
+ Cs)) sein, beispielsweise wenn die Verbindung zwischen den beiden
Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) deaktiviert ist, wobei die Kapazität gleich
Cc + Cp + Cs sein kann, wenn die Verbindung zwischen den beiden
Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) aktiviert ist. Dabei steht das Symbol „//" für die mathematische
Beziehung x//y = x·y/(x
+ y).
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In
einem anderen Beispiel im Hinblick auf 7 kann die
während
der Spannungsänderung am
Pumpknoten P(i) von 0V auf 0,5V geteilte Ladungsmenge beispielsweise
gleich 0,5V·(Cc
+ Cp//Cs) sein, da die Verbindung zwischen den beiden Ausgabeknoten
N(i) und N(i + 1) deaktiviert sein kann. Während der Spannungsänderung
am Pumpknoten P(i) von 0,5V auf 1V kann die geteilte Ladungsmenge
beispielsweise auf einer Kapazität
von Cc + Cp + Cs basieren, da die Verbindung zwischen den beiden
Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) aktiviert ist.
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In
beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen
kann eine Schwellwertspannung zwischen den beiden Ausgabeknoten
N(i) und N(i + 1) existieren. Die Diode 74 kann beispielsweise
eine Schwellwertspannung von ungefähr 0,5V haben, wenn sie einen
einzelnen Transistor umfasst. In diesem Beispiel kann die Diode 74 beispielsweise
gesperrt sein, während
die Spannung am Pumpknoten P(i) von 0V auf 0,75V ansteigt, die Spannung
am Ausgabeknoten N(i) von 7V auf 7,75V ansteigt und die Spannung
am Ausgabeknoten N(i + 1) von 8V auf 7,25V abfällt. Die Diode 74 kann
beispielsweise leitend sein, während
die Spannung am Pumpknoten P(i) von 0,75 auf 1V ansteigt. In diesem
Beispiel kann die während
des Vorladevorgangs der Schaltung gemäß 7 geteilte
Ladungsmenge den Wert 0,75V·(Cc
+ Cp//Cs) annehmen, während
die Spannung am Pumpknoten P(i) beispielsweise von 0V auf 0,75V
ansteigt, da die Verbindung zwischen den beiden Ausgabeknoten N(i)
und N(i + 1) deaktiviert ist. Während
des Vorladevorgangs der Schaltung gemäß 7 kann die
geteilte Ladungsmenge den Wert 0,25V·(Cc + Cp + Cs) annehmen,
während
die Spannung am Pumpknoten P(i) beispielsweise von 0,75V auf 1 V
ansteigt, da die Verbindung zwischen den beiden Ausgabeknoten N(i)
und N(i + 1) aktiviert ist.
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Wie
oben ausgeführt,
kann bei herkömmlichen
Vorladevorgängen
die geteilte Ladungsmenge beispielsweise den Wert½·Vdd(Cc
+ Cp//Cs) annehmen, da die Verbindung zwischen den beiden Ausgabeknoten
N(i) und N(i + 1) deaktiviert ist. Da die parasitäre Kapazität Cs typischerweise
kleiner als die Kapazität
des Pumpkondensators Cp ist, kann die geteilte Ladungsmenge den
Wert 1V·(Cc
+ Cs) annehmen.
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In
beispielhaften Vorladevorgängen,
die von erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltungen ausgeführt werden,
kann die geteilte Ladungsmenge den Wert 0,5V(Cc + Cp//Cs) + 0,5V(Cc
+ Cp + Cs) annehmen. Analog kann, da die parasitäre Kapazität Cs kleiner bzw. wesentlich
kleiner als die Kapazität des
Pumpkondensators Cp ist, die geteilte La dungsmenge den Wert 0,5V(Cc
+ Cs) + 0,5V(Cc + Cp + Cs) annehmen. Die geteilte Ladungsmenge kann
im Vergleich zu herkömmlichen
Ladungspumpenschaltungen somit beispielsweise um 0,5V·Cp erhöht sein. Unter
Berücksichtigung
der Schwellwertspannung zwischen den beiden Ausgabeknoten N(i) und
N(i + 1) kann die geteilte Ladungsmenge im Vergleich zum Stand der
Technik beispielsweise um 0,25V·Cp erhöht sein und den Wert 0,75V(Cc
+ Cs) + 0,25V(Cc + Cp + Cs) annehmen.
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In
beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen
kann die Kapazität
des Pumpkondensator Cp größer bzw.
wesentlich größer als
die parasitären
Kapazitäten
Cc und Cs sein und die Erhöhungsrate
der geteilten Ladungsmenge der erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann größer bzw.
wesentlich größer im Vergleich
mit dem erwähnten
Stand der Technik sein.
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In
beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen
kann, da die während
des Vorladevorgangs der Ladungspumpenschaltung 70 geteilte Ladungsmenge
von der während
des Lade- und/oder Entladevorgangs verbrauchten Ladung ausgenommen
ist, die Erhöhung
der während
des Vorladevorgangs geteilten Ladungsmenge zu einem niedrigeren Ladungsverbrauch
während
des Lade- und/oder Entladevorgangs der Ladungspumpenschaltung 70 führen. Beispielsweise
kann in der erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung 70 der
Ladungsverbrauch um 0,5V·Cp
oder 0,25V·Cp
je Ladungspumpenzelle im Vergleich zum erwähnten Stand der Technik reduziert
werden.
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Das
Maß an
reduziertem Ladungsverbrauch, beispielsweise während eines Vorladevorgangs
der Ladungspumpenschaltung 70, wird nachfolgend im Vergleich
zum betrachteten Stand der Technik beschrieben.
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Wenn
die Spannung am Pumpknoten P(i) von 0V auf Vdd/2 ansteigt, kann
die Spannung am Ausgabeknoten N(i) von Vpp – α auf Vpp – α + Vdd/2 ansteigen. Wenn die
Spannung am Pumpknoten P(i + 1) von Vdd auf Vdd/2 abfällt, kann
die Spannung am Ausgabeknoten N(i + 1) von Vpp auf Vpp – Vdd/2 abfallen.
Da die Verbindung zwischen den beiden Ausgabeknoten N(i) und N(i
+ 1) aktiviert ist, können die
Spannungen an den beiden Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) gleich
dem Mittelwert bzw. Durchschnittswert der beiden Spannungen {(Vpp – α + Vdd/2)
+ (Vpp – Vdd/2)}/2
und Vpp – α/2 sein.
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In
beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen
kann, wenn der mit dem Ausgabeknoten N(i) verbundene Pumpkondensator
Cp auch mit dem Ausgabeknoten N(i + 1) verbunden ist, die Ladungsmenge
auf der Spannung (Vpp - α +
Vdd/2) – (Vpp – α/2) basieren.
Die geteilte Ladungsmenge, welche von den mit dem Ausgabeknoten
N(i) verbundenen Kapazitäten
erhalten wird, kann durch {Ladung von Cc} + {verbleibende Ladung
beispielsweise nach der Ladungsbewegung von N(i) zu N(i + 1)} + {Ladung,
die von N(i) zu N(i + 1) bewegt wird} ermittelt werden, d.h. durch
{Cc·Vdd/2}
+ {Cp//Cs·α/2} + {[Cp//(2·Cp + 2·Cs)]·(Vdd/2 – α/2)}. In
diesem Beispiel kann, da die Kapazität des Pumpkondensators Cp größer bzw.
wesentlich größer als
die parasitären
Kapazitäten
Cc und Cs ist, die geteilte Ladungsmenge den Wert {Cc·Vdd/2}
+ {Cs·α/2} + {Cp·(Vdd – α)/3} annehmen.
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Bei
der Ladungspumpenschaltung 70 kann, wenn die Ausgabespannung
gleich Vpp ist, die Pumpspannung gleich Vdd ist und die Anzahl der
Ladungspumpenzellen gleich N ist, die Spannungsdifferenz zwischen
jedem Ausgabeknoten und jedem Pumpknoten in einem quasistatischen
Zustand beispielsweise gleich (Vpp – Vdd)/N sein. Da α = 2·(Vpp – Vdd)/N
ist, kann der reduzierte Ladungsverbrauch für jede Ladungspumpenzelle den
Wert {Cc·Vdd/2}
+ {Cs·(Vpp – Vdd)/N}
+ {Cp·{(N
+ 2)·Vdd – 2·Vpp}/(3·N)} annehmen.
Der Ladungspumpenwirkungsgrad E kann als Quotient der Ausgabeladungsmenge
geteilt durch die verbrauchte Ladungsmenge geschrieben werden und
sich beim Stand der Technik zu E = [{(N + 1)·Vdd – Vpp}/N]/[N·Vdd] berechnen.
In erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
kann der Ladungsverbrauch durch den Vorladevorgang der Ladungspumpenschaltung 70 reduziert
werden, so dass ein Wirkungsgrad von E = [{(N + 1)·Vdd – Vpp}/N]/[N·Vdd – {(N +
2)·Vdd – 2·Vpp}/3]
erhalten wird. In erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
kann der Ladungspumpenwirkungsgrad größer oder wesentlich größer als
der herkömmliche
Ladungspumpenwirkungsgrad sein.
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Die 8 und 9 veranschaulichen
eine weitere erfindungsgemäße Ladungspumpenschaltung 80.
Wie aus 8 ersichtlich ist, kann die
Ladungspumpenschaltung 80 beispielsweise eine Mehrzahl
von in Reihe geschalteten Ladungspumpenzellen umfassen. In einer
i-ten Ladungspumpenzelle 82 kann ein Pumpkondensator Cp
zwischen einem Pumpknoten P(i), an welchen eine Pumpspannung anlegbar
ist, und einem Ausgabeknoten N(i) eingeschleift sein, von welchem
eine höhere
Spannung erzeugbar ist, eine erste parasitäre Kapazität Cc kann mit dem Pumpkondensator
Cp verbunden sein und eine zweite parasitäre Kapazität Cs kann mit dem Ausgabeknoten
N(i) verbunden sein. Ein Vorladetransistor 84 zum Ausführen eines
Vorladevorgangs kann zwischen dem Pumpknoten P(i) der i-ten Ladungspumpenzelle 82 und
einem Pumpknoten P(i + 1) einer (i + 1)-ten Ladungspumpenzelle eingeschleift
sein. Ein Ladungsübertragungstransistor 86 kann
zwischen dem Ausgabeknoten N(i) der i-ten Ladungspumpenzelle 82 und
einem Ausgabeknoten N(i + 1) der (i + 1)-ten Ladungspumpenzelle
eingeschleift sein und ein Gate des Ladungsübertragungstransistors 86 kann
mit dem Ausgabeknoten N(i) verbunden sein. In diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
führt der
Ladungsübertragungstransistor 86 die Funktion
einer Diode aus, beispielsweise ähnlich
der Diode 74 aus 7.
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Der
Pumpknoten P(i) kann durch zwei Pumpsignale Ph1p und Ph1n gepumpt
werden, welche an einen Transistor 88, z.B. einen PMOS-Transistor, bzw.
einen Transistor 90, z.B. einen NMOS-Transistor, ange legt
werden, um selektiv die Spannung Vdd oder 0V an den Pumpknoten P(i)
anzulegen.
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Nachfolgend
wird ein beispielhafter Betrieb der Ladungspumpenschaltung 80 unter
Bezugnahme auf die 8 und 9 beschrieben.
Während eines
beispielhaften Ladevorgangs, wenn die zwei Pumpsignale Ph1p und
Ph1n der i-ten Ladungspumpenzelle 82 auf einem niedrigen
Pegel sind, kann der Transistor 88 aktiviert bzw. leitend
geschaltet sein, und der Transistor 90 kann deaktiviert
bzw. sperrend geschaltet sein. Der Pumpknoten P(i) kann auf den Pegel
Vdd gepumpt werden und der mit dem Pumpknoten P(i) verbundene Pumpkondensator
Cp kann auf den Pegel Vdd aufgeladen werden. Gleichzeitig kann die
benachbarte bzw. angrenzende (i + 1)-te Ladungspumpenzelle im Gegensatz
zur i-ten Ladungspumpenzelle 82 einen Entladevorgang ausführen.
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Während eines
anderen beispielhaften Vorladevorgangs, welcher beispielsweise auf
den obigen Ladevorgang folgt, kann das an den Transistor 88 angelegte
Taktsignal Ph1 p einen hohen Pegel aufweisen und das an den Transistor 90 angelegte Taktsignal
Ph1n kann einen niedrigen Pegel aufweisen. Die beiden Transistoren 88 und 90 können dann gesperrt
sein. Ein Vorladetaktsignal Ph3 wird freigegeben und der Vorladetransistor 84 wird
leitend geschaltet. Der beispielhafte Vorladevorgang kann durch
Teilen der Ladung des mit dem Pumpknoten P(i) verbundenen Pumpkondensators
Cp mit dem Pumpkondensator Cp der benachbarten (i + 1)-ten Ladungspumpenzelle
ausgeführt
werden.
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Wenn
die beiden Pumpsignale Ph1p und Ph1n der i-ten Ladungspumpenzelle 82 auf
einem hohen Pegel sind, kann der Transistor 88 deaktiviert sein,
und der Transistor 90 kann aktiviert sein. Der Pumpknoten
P(i) nimmt dann den Wert 0V an und der mit dem Pumpknoten P(i) verbundene
Pumpkondensator Cp wird entladen und die benachbarte (i + 1)-te Ladungspumpenzelle
kann einen Ladevorgang ausführen.
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10 zeigt
im Schaltbild eine weitere erfindungsgemäße Ladungspumpenschaltung 100. 11 zeigt
ein Zeitablaufdiagramm von Taktsignalen zum Treiben der Ladungspumpenschaltung 100 gemäß 10.
Die Ladungspumpenschaltung 100 gemäß 10 kann
die während
eines Vorladevorgangs geteilte Ladungsmenge erhöhen, beispielsweise durch Reduzieren
der Schwellwertspannung zwischen den beiden Ausgabeknoten N(i) und
N(i + 1).
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Wie
aus 10 ersichtlich ist, ist ein erster Transistor 102,
z.B. ein NMOS-Transistor, zum Vorladen zwischen den beiden Pumpknoten
P(i) und P(i + 1) eingeschleift und ein zweiter Transistor 104,
z.B. ein NMOS-Transistor,
ist zur Ladungsübertragung zwischen
den beiden Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) eingeschleift. Ein dritter
Transistor 106, z.B. ein NMOS-Transistor, ist zwischen
dem Ausgabeknoten N(i) der i-ten Ladungspumpenzelle und dem zweiten Transistor 104 eingeschleift
und ein Gate des dritten Transistors 104 ist mit dem Ausgabeknoten
N(i) der i-ten Ladungspumpenzelle verbunden. Ein Kondensator 108 ist
zwischen einem Gate des zweiten Transistors 104 und einem
Taktsignal Ph2g eingeschleift.
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Nachfolgend
wird ein beispielhafter Betrieb der Ladungspumpenschaltung 100 unter
Bezugnahme auf 10 und 11 beschrieben.
In einem beispielhaften Lade- und Entladevorgang I, während dem
die i-te Ladungspumpenzelle entladen und die (i + 1)-te Ladungspumpenzelle
geladen wird, kann das an das Gate des zweiten Transistors 104 angelegte Taktsignal
Ph2g einen niedrigen Pegel aufweisen. Die Verbindung zwischen den
beiden Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) ist dann deaktiviert.
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Während eines
beispielhaften Vorladevorgangs II kann das an das Gate des zweiten
Transistors 104 angelegte Taktsignal Ph2g einen hohen Pegel
aufweisen. Die Verbindung zwischen den beiden Ausgabeknoten N(i)
und N(i + 1) ist dann aktiviert, der dritte Transistor 106 ist
aktiviert und die Spannungsdifferenz zwischen dem Gate des zweiten
Transistors 104 und der Source des zweiten Transistors 104 ist konstant
bzw. im Wesentlichen konstant, beispielsweise durch Verwendung eines
Abfalls an einer Diode. In beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
kann unabhängig
von der Schwellwertspannung des zweiten Transistors 104 die
Verbindung zwischen den beiden Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) aktiviert
sein, wenn die Spannungen an den beiden Ausgabeknoten N(i) und N(i
+ 1) gleich oder im Wesentlichen gleich sind. Dies führt zu einer effektiveren
Schwellwertspannung von 0V, wodurch die Höhe der während des Vorladevorgangs geteilten Ladung
gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
erhöht
werden kann.
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12 zeigt
im Schaltbild eine weitere erfindungsgemäße Ladungspumpenschaltung 120. 13 zeigt
ein Zeitablaufdiagramm von Taktsignalen zum Treiben der Ladungspumpenschaltung 120 gemäß 12.
Die Ladungspumpenschaltung 120 gemäß 12 kann
beispielsweise durch Verwendung einer Ladungspumpenschaltung mit PMOS-Transistoren umgesetzt
werden.
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Wie
aus 12 ersichtlich, ist ein Transistor 122,
z.B. ein NMOS-Transistor,
zum Vorladen zwischen den beiden Pumpknoten P(i) und P(i + 1) eingeschleift,
und ein erster Transistor 124, z.B. ein PMOS-Transistor, zur Ladungsübertragung
ist zwischen den beiden Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) eingeschleift.
Ein erster Kondensator 132 ist zwischen einem Gate des
ersten Transistors 124 und dem Taktsignal Ph2g eingeschleift.
Ein zweiter und dritter Transistor 126 und 128,
z.B. PMOS-Transistoren,
sind in Reihe zwischen dem Gate des ersten Transistors 124 und
dem Ausgabeknoten N(i + 1) eingeschleift. Ein Gate des zweiten Transistors 126 ist mit
dem Ausgabeknoten N(i) verbunden. Ein vierter Transistor 130,
z.B. ein PMOS-Transistor, ist zwischen dem Gate des dritten Transistors 128 und
dem Ausgabeknoten N(i + 1) eingeschleift.
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Die
Gates des dritten und vierten Transistors 128 und 130 sind
beide über
einen zweiten Kondensator 134 mit einem Taktsignal Ph2t
verbunden.
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14 zeigt
im Schaltbild eine weitere erfindungsgemäße Ladungspumpenschaltung 140. 15 zeigt
ein Zeitablaufdiagramm von Taktsignalen zum Treiben der Ladungspumpenschaltung 140 gemäß 14.
In der Ladungspumpenschaltung 140 gemäß 14 kann
die Ladung beispielsweise unabhängig
von der Schwellwertspannung des Ladungsübertragungstransistor, z.B.
des PMOS-Transistors 120 aus 12, geteilt
werden. Die Ladungspumpenschaltung 140 gemäß 14 kann
einige oder alle Aspekte der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele gemäß 10 und 12 kombinieren.
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Wie
aus 14 ersichtlich, ist ein Transistor 142,
z.B. ein NMOS-Transistor,
zum Vorladen zwischen den beiden Pumpknoten P(i) und P(i + 1) eingeschleift,
und ein erster Transistor 144, z.B. ein PMOS-Transistor, zur Ladungsübertragung
ist zwischen den beiden Ausgabeknoten N(i) und N(i + 1) eingeschleift.
Ein zweiter und dritter Transistor 146 und 148,
z.B. PMOS-Transistoren, sind in Reihe zwischen dem Gate des ersten
Transistors 144 und dem Ausgabeknoten N(i + 1) eingeschleift.
Ein erster Kondensator 152 ist zwischen einem Gate des
ersten Transistors 144 und einem Taktsignal Ph2g eingeschleift.
Ein Gate des zweiten Transistors 146 ist mit dem Gate des
ersten Transistors 144 verbunden, und ein vierter Transistor 150,
z.B. ein PMOS-Transistor, ist zwischen dem Gate des dritten Transistors 148 und
dem Ausgabeknoten N(i + 1) eingeschleift. Die Gates des dritten
und vierten Transistors 148 und 150 sind beide über einen
zweiten Kondensator 154 mit einem Taktsignal Ph2t verbunden.
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Wie
anhand der gezeigten und der oben erläuterten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele deutlich
wird, stellt die Erfindung eine Ladungs pumpenschaltung zur Verfügung, welche
die während
eines Lade-/Entladevorgangs verbrauchte Ladungsmenge durch Ausführen eines
Vorladevorgangs zwischen den Lade-/Entladevorgängen reduziert. Die verbrauchte
Ladungsmenge kann durch Erhöhung der
während
des Vorladevorgangs geteilten Ladungsmenge weiter reduziert werden.
Die Ladungspumpenschaltung kann die geteilte Ladungsmenge beispielsweise
dadurch erhöhen,
dass ein Pumpkondensator und parasitäre Kapazitäten parallel geschaltet werden
und/oder die Ladung von einem Ausgabeknoten mit einer höheren Spannung
in Richtung eines Ausgabeknotens mit einer niedrigeren Spannung übertragen
wird.
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Wie
oben ausgeführt,
können,
im Gegensatz zu den eingangs erwähnten
herkömmlichen
Verfahren zur Ladungsverbrauchsreduzierung, welche nur die in einer
Streukapazität
eines Pumpkondensators verbrauchte Ladung reduzieren, die erfindungsgemäßen Ausführungsformen
Verfahren zur Verfügung stellen,
welche den Pumpwirkungsgrad beispielsweise durch ein Taktschema
verbessern, das die Ladung von allen oder im Wesentlichen allen
Kapazitäten
reduziert, die während
eines Pumpvorgangs mit zwei Knoten zur Ladungsübertragung verbunden sind.
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Die
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele
wurden in Verbindung mit speziellen Aspekten, wie PMOS- und NMOS-Transistoren,
beschrieben, welche jedoch bei Bedarf ausgetauscht und/oder auf andere
geeignete Weise kombiniert werden können. Alternativ oder zusätzlich können die
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele
der Ladungspumpenschaltungen den Ladungsverbrauch reduzieren.