DE102017127308A1

DE102017127308A1 - Ladepumpe und Mikrofonschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102017127308A1
Application number: DE102017127308.5A
Authority: DE
Inventors: Lei Zou; Gino Rocca; Pirmin Hermann Otto Rombach
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2019-05-23
Also published as: US11496829B2; US20200322721A1; WO2019097077A1

Abstract

Die Ladepumpe (CP) umfasst eine Eingangsladepumpensektion (ICPS), eine erste Ausgangsladepumpensektion (OCPS1) und eine zweite Ausgangsladepumpensektion (OCPS2). Die Eingangsladepumpensektion (ICPS) umfasst einen Eingangsknoten (IN10), einen Ausgangsknoten (OUT20) und N Eingangsladepumpenzellen (Ce_in,n), die zwischen dem Eingangsknoten (IN10) und dem Ausgangsknoten (OUT20) angeordnet sind und wobei N eine beliebige positive ganze Zahl ≥ 1 ist. Die erste Ausgangsladepumpensektion (OCPS1) umfasst einen ersten Eingangsknoten (IN30), einen ersten Ausgangsknoten (VOUT1) und M erste Ladepumpenzellen (Ce_1,m), die zwischen dem ersten Eingangsknoten (IN30) und dem ersten Ausgangsknoten (VOUT1) angeordnet sind und wobei M eine beliebige positive ganze Zahl ≥ 1 ist. Die zweite Ausgangsladepumpensektion (OCPS2) umfasst einen zweiten Eingangsknoten (IN40), einen zweiten Ausgangsknoten (VOUT2) und K zweite Ladepumpenzellen (Ce_2,k), die zwischen dem zweiten Eingangsknoten (IN40) und dem zweiten Ausgangsknoten (VOUT2) angeordnet sind und wobei K eine beliebige positive ganze Zahl ≥ 1 ist. Der Ausgangsknoten (OUT20) der Eingangsladepumpensektion (ICPS) ist mit dem ersten Eingangsknoten (IN30) der ersten Ausgangsladepumpensektion (OCPS1) und mit dem zweiten Eingangsknoten (IN40) der zweiten Ausgangsladepumpensektion (OCPS2) gekoppelt. Die Ladepumpe (CP) ist ausgebildet zum Liefern einer ersten Ausgangsspannung (Vout1) an dem ersten Ausgangsknoten (VOUT1) und einer zweiten Ausgangsspannung (Vout2) an dem zweiten Ausgangsknoten (VOUT2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladepumpe, insbesondere eine Hochspannungsladepumpe zum Vorspannen einer Doppelrückplatten-MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)-Einrichtung, und eine die Ladepumpe umfassende Mikrofonschaltungsanordnung.
Kondensatormikrofone wie etwa Einfach- oder Doppelrückplatten-MEMS-Einrichtungen benötigen Hochspannungsladepumpen. Für Doppelrückplatten-MEMS-Mikrofone werden normalerweise zwei verschiedene Vorspannungen durch zwei verschiedene Ladepumpen bereitgestellt, um jede Platte individuell vorzuspannen, um ein ausreichendes Signal-RauschVerhältnis (SNR) zu erzielen. Das Realisieren von zwei Ladepumpen auf einem Chip verursacht jedoch hohe Flächenkosten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer flexiblen Ladepumpe zum Vorspannen einer Doppelrückplatten-MEMS-Einrichtung mit reduzierten Flächenkosten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung durch eine Ladepumpe aus, insbesondere eine Hochspannungsladepumpe, zum Vorspannen einer Doppelrückplatten-MEMS-Einrichtung. Die Ladepumpe umfasst eine Eingangsladepumpensektion, eine erste Ausgangsladepumpensektion und eine zweite Ausgangsladepumpensektion. Die Eingangsladepumpensektion umfasst einen Eingangsknoten, einen Ausgangsknoten und N Eingangsladepumpenzellen, die zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten angeordnet sind und wobei N eine beliebige positive ganze Zahl ≥ 1 ist. Die erste Ausgangsladepumpensektion umfasst einen ersten Eingangsknoten, einen ersten Ausgangsknoten und M erste Ladepumpenzellen, die zwischen dem ersten Eingangsknoten und dem ersten Ausgangsknoten angeordnet sind und wobei M eine beliebige positive ganze Zahl ≥ 1 ist. Die zweite Ausgangsladepumpensektion umfasst einen zweiten Eingangsknoten, einen zweiten Ausgangsknoten und K zweite Ladepumpenzellen, die zwischen dem zweiten Eingangsknoten und dem zweiten Ausgangsknoten angeordnet sind und wobei K eine beliebige positive ganze Zahl ≥ 1 ist. Der Ausgangsknoten der Eingangsladepumpensektion ist mit dem ersten Eingangsknoten der ersten Ausgangsladepumpensektion und mit dem zweiten Eingangsknoten der zweiten Ausgangsladepumpensektion gekoppelt. Die Ladepumpe ist ausgebildet zum Liefern einer ersten Ausgangsspannung an dem ersten Ausgangsknoten und einer zweiten Ausgangsspannung an dem zweiten Ausgangsknoten.
Vorteilhafterweise können durch eine derartige Anordnung Flächenkosten reduziert werden, weil die Eingangsladepumpenzellen der Eingangsladepumpensektion sowohl für die Generierung der ersten Ausgangsspannung als auch die Generierung der zweiten Ausgangsspannung verwendet werden. Falls im Vergleich zwei einzelne Hochspannungsausgangsladepumpen verwendet werden, was typischerweise in der Technik geschieht, sind viel höhere Flächenkosten für zwei individuelle Hochspannungsladepumpen erforderlich.
Gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts sind die Eingangsladepumpenzellen der Eingangsladepumpensektion und/oder die ersten Ladepumpenzellen der ersten Ausgangsladepumpensektion und/oder die zweiten Ladepumpenzellen der zweiten Ausgangsladepumpensektion in Reihe gekoppelt. Dies gestattet eine sehr kompakte Struktur der Ladepumpe und deshalb eine einfache und kosteneffektive Herstellung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts ist eine Anzahl von aktiven Ladepumpenzellen in der Eingangsladepumpensektion und/oder in der ersten Ausgangsladepumpensektion und/oder in der zweiten Ausgangsladepumpensektion einstellbar, wobei eine aktive Ladepumpenzelle eine Ladepumpenzelle ist, die ein Ausgangssignal bereitstellt, das von ihrem Eingangssignal verschieden ist. Insbesondere kann die Ladepumpe durch einen Controller gesteuert werden, der das Anpassen der Anzahl von aktiven Ladepumpenzellen durch ein Programm gestattet. Da eine Amplitude der ersten Ausgangsspannung von der Anzahl der aktiven Ladepumpenzellen in der Eingangsladepumpensektion und der ersten Ausgangsladepumpensektion abhängt, kann die Amplitude der ersten Ausgangsspannung leicht angepasst werden, beispielsweise durch ein Programm. Weiterhin kann die zweite Ausgangsspannung leicht angepasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst die Ladepumpe mindestens einen Schalter zum Umgehen mindestens einer der Eingangsladepumpenzellen und/oder der ersten Ladepumpenzellen und/oder der zweiten Ladepumpenzellen. Vorteilhafterweise können auf diese Weise die Amplituden der ersten und der zweiten Ausgangsspannung leicht justiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts sind der Schalter oder die Schalter in vordefinierten Ladepumpenzellen angeordnet. Insbesondere ist es möglich, dass jede Ladepumpenzelle der Ladepumpe einen derartigen Schalter umfasst. Somit können die erste und zweite Ausgangsspannung leicht programmiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts werden die Eingangsladepumpenzellen und/oder die ersten Ladepumpenzellen und/oder die zweiten Ladepumpenzellen jeweils durch mindestens ein Taktsignal angesteuert, dessen Amplitude einstellbar ist. Insbesondere ist die Amplitude des mindestens einen Taktsignals programmierbar. Da die Amplituden der ersten und der zweiten Ausgangsspannung von der Amplitude des mindestens einen Taktsignals abhängen, können die Amplituden der ersten und zweiten Ausgangsspannung leicht justiert bzw. programmiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts werden die Eingangsladepumpenzellen und/oder die ersten Ladepumpenzellen und/oder die zweiten Ladepumpenzellen jeweils durch zwei nichtüberlappende Taktsignale angesteuert. Auf diese Weise kann ein Leckstrom vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts werden die Eingangsladepumpenzellen und die ersten Ladepumpenzellen durch ein erstes und ein zweites Taktsignal angesteuert, und die zweiten Ladepumpenzellen werden durch ein drittes und viertes Taktsignal angesteuert. Das Verwenden verschiedener Taktsignale für die Ladepumpenzellen der ersten bzw. zweiten Ausgangsladepumpensektion gestattet eine höhere Flexibilität beim Anpassen der Amplituden der ersten und zweiten Ausgangsspannung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts umfassen das erste und das zweite Taktsignal eine erste Frequenz und eine erste Amplitude, und das dritte und vierte Taktsignal umfassen die erste Frequenz und eine zweite Amplitude. Das Verwenden der gleichen Frequenz hat den Vorteil, dass die Taktgenerierung leicht mit geringen Hardwarekosten implementiert werden kann, beispielsweise kann möglicherweise nur ein Ringoszillator mit einer vordefinierten Schwingungsfrequenz verwendet werden, um die Frequenzsignale für die jeweiligen Taktsignale zu generieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts umfassen die Eingangsladepumpenzellen und die ersten Ladepumpenzellen eine identische Schaltungsstruktur. Alternativ oder zusätzlich weisen die Eingangsladepumpenzellen und die zweiten Ladepumpenzellen eine identische Schaltungsstruktur auf. Dies gestattet eine einfache und kosteneffektive Herstellung der Ladepumpe. Außerdem weisen die Eingangsladepumpenzellen und die ersten Ladepumpenzellen und/oder die zweiten Ladepumpenzellen eine identische Schaltungsdimensionierung auf.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung durch eine Mikrofonschaltungsanordnung aus, die eine erste Rückplatte BP1, eine zweite Rückplatte BP2, eine Membran M und eine Ladepumpe gemäß dem ersten Aspekt umfasst. Die Membran ist zwischen der ersten Rückplatte BP1 und der zweiten Rückplatte BP2 angeordnet. Die erste Rückplatte BP1 und die zweite Rückplatte BP2 sind jeweils ausgebildet zum Umwandeln eines akustischen Signals in ein elektrisches Signal. Die erste Rückplatte BP1 ist elektrisch an die erste Ausgangsspannung der Ladepumpe gekoppelt und die zweite Rückplatte BP2 ist elektrisch an die zweite Ausgangsspannung der Ladepumpe gekoppelt.
Vorteilhafterweise können so die erste und zweite Ausgangsspannung der Ladepumpe leicht justiert werden. Auf diese Weise können durch die erste Rückplatte und die zweite Rückplatte generierte Signalpegel auf leichte Weise feinabgestimmt werden. Dies hat den Vorteil, dass ein spezifizierter Klirrfaktor (THD - Total Harmonic Distortion) und/oder eine Empfindlichkeit des Mikrofons aufgrund nichtidealer Charakteristika und Asymmetrie der resultierenden Kapazitäten der ersten und zweiten Rückplatte erzielt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts wird die erste Rückplatte durch die erste Ausgangsspannung über ein erstes resistives Element vorgespannt und die zweite Rückplatte wird durch die zweite Ausgangsspannung über ein zweites resistives Element vorgespannt.
In der vorliegenden Offenbarung werden mehrere Aspekte einer Erfindung beschrieben. Alle Charakteristika, die bezüglich einer Ladepumpe offenbart werden, werden entsprechend auch bezüglich der anderen Aspekte offenbart, selbst falls die jeweilige Charakteristik im Kontext der anderen Aspekte nicht explizit erwähnt wird.
Weiterhin ist die Beschreibung der hier beschriebenen Gegenstände nicht auf die individuellen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Die Merkmale der individuellen Ausführungsformen können - wo technisch machbar - vielmehr miteinander kombiniert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unten mit Hilfe von schematischen Zeichnungen erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Mikrofonschaltungsanordnung;
2 einen Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Hochspannungsladepumpe;
3 eine beispielhafte Zeitsteuerung, eine Phasenbeziehung und Wellenform eines ersten bis vierten Taktsignals; und
4 einen Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer der ersten Ladepumpenzellen.

Elemente mit gleicher Konstruktion und der gleichen Funktion, die in verschiedenen Figuren auftreten, werden durch die gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.
1 zeigt ein Ersatzschaltubild eines Ausführungsbeispiels einer Mikrofonschaltungsanordnung DBM, insbesondere einer MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)-Mikrofonschaltungsanordnung.
Die Mikrofonschaltungsanordnung DBM umfasst eine erste Rückplatte BP1 und eine zweite Rückplatte BP2. Eine Membran M ist zwischen der ersten Rückplatte BP1 und der zweiten Rückplatte BP2 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist die Membran M beispielsweise elektrisch an Masse GND, insbesondere AC-Masse, gekoppelt oder direkt mit ihr verbunden.
Die erste Rückplatte BP1 und die zweite Rückplatte BP2 sind beispielsweise jeweils ausgebildet, um elektrisch an einen ersten Eingangsport bzw. einen zweiten Eingangsport eines Verstärkers gekoppelt oder direkt damit verbunden zu werden. Die erste Rückplatte BP1 und die Membran M bilden die Elektroden eines ersten Kondensators C1. Die Membran M und die zweite Rückplatte BP2 bilden die Elektroden eines zweiten Kondensators C2. Der erste Kondensator C1 und der zweite Kondensator C2 sind in Reihe geschaltet. Der erste und der zweite Kondensator C1, C2 umfassen einen variablen Kapazitätswert. Somit stellt die Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator C1 und dem zweiten Kondensator C2 ein Kapazitätselement her, das einen variablen Kapazitätswert umfasst, wobei der Kapazitätswert zeitlich in Abhängigkeit von dem empfangenen Schalldruck variiert.
Die Mikrofonschaltungsanordnung DBM umfasst eine Hochspannungs(HV)-Ladepumpe CP, die mindestens eine erste Ausgangsspannung Vout1 und eine zweite Ausgangsspannung Vout2 bereitstellt. Bevorzugt ist die HV-Ladepumpe eine Doppelausgangs-HV-Ladepumpe.
Die erste Rückplatte BP1 und die zweite Rückplatte BP2 sind ausgebildet zum Umwandeln eines akustischen Signals in ein elektrisches Signal. Da der erste Kondensator C1 und der zweite Kondensator C2 eine nichtideale Charakteristik und Asymmetrie aufweisen, sind zwei verschiedene Vorspannungen zum Vorspannen der ersten Rückplatte BP1 bzw. der zweiten Rückplatte BP2 erwünscht.
Die erste Rückplatte BP1 ist elektrisch an einen ersten Ausgangsknoten VOUT1 HV-Ladepumpe gekoppelt, der die erste Ausgangsspannung bereitstellt. Bevorzugt wird die este Rückplatte BP1 durch die erste Ausgangsspannung Vout1 über ein erstes resistives Element R1 vorgespannt.
Die zweite Rückplatte BP2 ist elektrisch an einen zweiten Ausgangsknoten VOUT2 HV-Ladepumpe gekoppelt, der die zweite Ausgangsspannung Vout2 bereitstellt. Bevorzugt wird die zweite Rückplatte BP2 durch die zweite Ausgangsspannung Vout2 über ein zweites resistives Element R2 vorgespannt.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels der HV-Ladepumpe.
Die HV-Ladepumpe umfasst eine Eingangsladepumpensektion ICPS, eine erste Ausgangsladepumpensektion OCPS1 und eine zweite Ausgangsladepumpensektion OCPS2.
Die Eingangsladepumpensektion ICPS umfasst einen Eingangsknoten IN10, einen Ausgangsknoten OUT20 und N Eingangsladepumpenzellen Ce_in,n, die zwischen dem Eingangsknoten IN10 und dem Ausgangsknoten OUT20 angeordnet sind und wobei N eine beliebige positive ganze Zahl ≥ 1 ist.
Die erste Ausgangsladepumpensektion OCPS1 umfasst einen ersten Eingangsknoten IN30, den ersten Ausgangsknoten VOUT1 und M erste Ladepumpenzellen Ce_1,m, die zwischen dem ersten Eingangsknoten IN30 und dem ersten Ausgangsknoten VOUT1 angeordnet sind und wobei M eine beliebige positive ganze Zahl ≥ 1 ist. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Zahl M = 2.
Die zweite Ausgangsladepumpensektion OCPS2 umfasst einen zweiten Eingangsknoten IN40, einen zweiten Ausgangsknoten VOUT2 und K zweite Ladepumpenzellen Ce_2,k, die zwischen dem zweiten Eingangsknoten IN40 und dem zweiten Ausgangsknoten VOUT2 angeordnet sind und wobei K eine beliebige positive ganze Zahl ≥ 1 ist. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Zahl K = 2.
Der Eingangsknoten IN10 der Eingangsladepumpensektion ICPS ist elektrisch an eine Versorgungsspannung VDD der Mikrofonschaltungsanordnung DBM gekoppelt oder damit verbunden. Der Ausgangsknoten OUT20 der Eingangsladepumpensektion ICPS ist mit dem ersten Eingangsknoten IN30 der ersten Ausgangsladepumpensektion OCPS1 und dem zweiten Eingangsknoten IN40 der zweiten Ausgangsladepumpensektion OCPS2 gekoppelt.
An dem ersten Ausgangsknoten VOUT1 der ersten Ausgangsladepumpensektion OCPS1 wird die erste Ausgangsspannung Vout1 zum Vorspannen der ersten Rückplatte BP1 bereitgestellt, und an dem zweiten Ausgangsknoten VOUT2 der zweiten Ladepumpenausgangssektion OCPS2 wird die zweite Ausgangsspannung Vout2 zum Vorspannen der zweiten Rückplatte BP2 bereitgestellt.
Somit generieren die Ladepumpenzellen Ce_in,1; ...; Ce_in,n; ...; Ce_in,N der Eingangsladepumpensektion ICPS und die ersten Ladepumpenzellen Ce_1,1; ...; Ce_1,m; ...; Ce_1,M der ersten Ausgangsladepumpensektion OCPS1 die erste Ausgangsspannung Vout1.
Die Ladepumpenzellen Ce_in,1; ...; Ce_in,n; ...; Ce_in,N der Eingangsladepumpensektion ICPS und die Ladepumpenzellen Ce_2,1; ...; Ce_1,k; ...; Ce_2,K der zweiten Ausgangsladepumpensektion OCPS2 generieren die zweite Ausgangsspannung Vout2.
Die Ladepumpenzellen Ce_in,n, Ce_1,m, Ce_2,k der jeweiligen Ladepumpensektionen ICPS, OCPS1, OCPS2 sind beispielsweise in Reihe angeordnet und werden jeweils durch mindestens zwei Taktsignale angesteuert. Bevorzugt wird jede Ladepumpenzelle Ce_in,n, Ce_1,m, Ce_2,k durch zwei nichtüberlappende Taktsignale angesteuert.
Beispielsweise werden die Ladepumpenzellen Ce_in,n der Eingangsladepumpensektion ICPS jeweils durch ein erstes Taktsignal clk1 und ein zweites Taktsignal clk1B angesteuert, die durch einen ersten Taktgenerator OSC1 bereitgestellt werden. Die Ladepumpenzellen Ce_1,m der ersten Ausgangsladepumpensektion OCPS1 werden jeweils durch ein drittes Taktsignal clk2 und ein viertes Taktsignal clk2B angesteuert, die durch einen zweiten Taktgenerator OSC2 generiert werden. Die zweiten Ladepumpenzellen Ce_2,k der zweiten Ausgangsladepumpensektion OCPS2 werden jeweils durch ein fünftes Taktsignal und ein sechstes Taktsignal, die durch einen dritten Generator generiert werden, angesteuert.
Optional können, wie in 2 gezeigt, das erste Taktsignal clk1 und das fünfte Taktsignal die gleichen sein, so wie das zweite Taktsignal clk1B und das sechste Taktsignal die gleichen sein können. In diesem Fall können die Taktsignale clk1, clk1B, clk2, clk2B durch zwei Taktgeneratoren bereitgestellt werden.
Beispielsweise ist der erste Taktgenerator OSC1 ausgebildet zum Bereitstellen sowohl des ersten Taktsignals clk1 als auch des zweiten Taktsignals clk1B mit einer ersten Amplitude V1, und der zweite Taktgenerator OSC2 ist ausgebildet zum Bereitstellen sowohl des dritten Taktsignals clk2 als auch des vierten Taktsignals clk2B mit einer zweiten Amplitude V2.
Eine beispielhafte Zeitsteuerung, eine Phasenbeziehung und Wellenform des ersten bis vierten Taktsignals clk1, clk1B, clk2, clk2B ist in 3 gezeigt. Die entsprechenden Taktsignale clk1, clk1B, clk2, clk2B des jeweiligen Taktgenerators OSC1, OSC2 umfassen die gleiche Frequenz, aber eine 180°-Phasenverschiebung zwischen clk1 und clk1B und eine 180°-Phasenverschiebung zwischen clk2 und clk2B. Die fallende/steigende Taktflanke des ersten Taktsignals clk1 und des zweiten Taktsignals clk1B tritt niemals zur gleichen Zeit auf, sondern immer mit einer geringfügigen Zeitsteuerdifferenz, d. h. nichtüberlappend. Außerdem tritt für das dritte und vierte Taktsignal die fallende/steigende Taktflanke niemals zur gleichen Zeit auf, sondern immer mit einer geringfügigen Zeitsteuerdifferenz, d. h. nichtüberlappend.
Auf Basis dieser Schaltungsstruktur gelten für die durch die HV-Ladepumpe bereitgestellte erste Ausgangsspannung Vout1 und zweite Ausgangsspannung Vout2 Gl. (1) bzw. Gl. (2): $Vout1 = VDD + (N' + M') * V1$
$Vout2 = VDD + N' * V1 + K' * V2$
wobei VDD die Versorgungsspannung der HV-Ladepumpe ist und N', M', K' die Anzahl vonarbeitenden Ladepumpenzellen in der Eingangsladepumpensektion ICPS, der ersten Ausgangsladepumpensektion OCPS1 bzw. der zweiten Ausgangsladepumpensektion OCPS2 ist. V1 ist die Amplitude des ersten und zweiten Taktsignals clk1, clk1B und V2 ist die Amplitude des dritten und vierten Taktsignals clk2, clk2B.
Wie aus Gl. (1) und Gl. (2) ersichtlich ist, können die Ausgangsspannungen der HV-Ladepumpe flexibel justiert werden; erstens durch Variieren der Amplituden V1, V2 der Taktsignale clk1, clk1B, clk2, clk2B und zweitens durch Anpassen der Anzahl von gegenwärtig arbeitenden Ladepumpenzellen.
Optional kann die Anzahl von arbeitenden Ladepumpenzellen in der Eingangsladepumpensektion ICPS, der ersten Ausgangsladepumpensektion OCPS1 bzw. der zweiten Ausgangsladepumpensektion OCPS2 variieren.
Beispielsweise ist die HV-Ladepumpe ausgebildet zum individuellen Umgehen einiger oder aller Ladepumpenzellen der Ladepumpensektionen ICPS, OCPS1, OCPS2.
Beispielsweise umfasst mindestens eine der Ladepumpenzellen der Eingangsladepumpensektion IPCS und/oder der ersten Ausgangsladepumpensektion OCPS1 und/oder der zweiten Ausgangsladepumpensektion OCPS2 einen Schalter SW_T, der konfiguriert ist zu erzwingen, dass eine Ausgangsspannung der Ladepumpenzelle gleich einer Eingangsspannung der Ladepumpenzelle ist.
Der jeweilige Schalter SW_T wird beispielsweise durch ein Steuersignal gesteuert.
4 zeigt ein Ersatzschaltplan eines Ausführungsbeispiels einer der ersten Ladepumpenzellen Ce_1,m.
Die erste Ladepumpenzelle Ce_1,m umfasst einen ersten und einen zweiten Ladungsübertragungskondensator C3, C4. Weiterhin umfasst die erste Ladepumpenzelle Ce_1,m einen ersten Inverter und einen zweiten Inverter sowie einen Sammelkondensator C5.
Der erste Ladungsübertragungskondensator C3 besitzt einen an einen ersten Ausgang des ersten Taktgenerators OSC1 gekoppelten ersten Anschluss und einen an einen Eingangsknoten des ersten Inverters gekoppelten zweiten Anschluss. Der zweite Ladungsübertragungskondensator C4 besitzt einen an den zweiten Ausgang des ersten Taktgenerators OSC1 gekoppelten ersten Anschluss und einen an den Eingangsknoten des zweiten Inverters gekoppelten zweiten Anschluss. Der erste Inverter umfasst einen N-Feldeffekttransistor N3 mit seiner an einen Versorgungseingangsknoten IN angeschlossenen Source und seinem an den Drain eines P-Feldeffkttransistors P3, dessen Source mit einem Knoten OUT verbunden ist, angeschlossenen Drain. Analog umfasst der zweite Inverter einen in Reihe geschalteten N- beziehungsweise P-Transistor N4 bzw. P4, der zwischen den Ausgangsknoten OUT und den Eingangsknoten IN geschaltet ist. Der erste und zweite Inverter sind derart kreuzgekoppelt, dass der Eingangsknoten des ersten Inverters an die Gates des N-Transistors N4 und des P-Transistors P4 des zweiten Inverters angeschlossen ist und der Eingangsknoten des zweiten Inverters an die Gates des N-Transistors N3 und des P-Transistors P3 des ersten Inverters angeschlossen ist.
Der Sammelkondensator C5 besitzt einen an den Ausgangsknoten OUT gekoppelten ersten Anschluss und einen an Masse GND gekoppelten zweiten Anschluss.
Optional sind der Eingangsknoten IN und der Ausgangsknoten OUT an einen Schalter SW_T gekoppelt. Der Schalter SW_T kann einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand umfassen. Beispielsweise ist im ersten Zustand der Schalter SW_T konfiguriert, eine Kurzschlussverbindung zwischen dem Eingangsknoten IN und dem Ausgangsknoten OUT der ersten Ladepumpenzelle Ce_1,m bereitzustellen. Im zweiten Zustand hat der Schalter SW_T beispielsweise keinen Einfluss auf die Funktion der ersten Ladepumpenzelle Ce_1,m.
Im normalen Betrieb befindet sich der Schalter SW_T im zweiten Zustand und eine Ausgangsspannung der ersten Ladepumpenzelle Ce_1,m ist die Summe aus einer Eingangsspannung der jeweiligen ersten Ladepumpenzelle Ce_1,m und der Amplitude V1 des ersten Taktsignals clk1.
Der Schalter SW_T wird durch ein Steuersignal gesteuert. Beispielsweise umfasst der Schalter SW_T einen Transistor.
Beispielsweise weisen die Eingangsladepumpenzellen Ce_in,n und die ersten Ladepumpenzellen Ce_1,m und die zweiten Ladepumpenzellen Ce_2,k eine identische Schaltungsstruktur und eine identische Schaltungsdimensionierung auf, doch werden verschiedene Taktsignale für die ersten und zweiten Ladepumpenzellen Ce_1,m, Ce_2,k verwendet.
Die Übertragungskondensatoren C3, C4 umfassen einen Kapazitätswert von beispielsweise im Bereich 2 pF bis 5 pF. Der Sammelkondensator C5 umfasst einen Kapazitätswert von beispielsweise im Bereich 0,5 pF bis 2 pF.
Die Schalter SW_T der Zellen werden beispielsweise durch die Taktgeneratoren OSC1, OSC2 gesteuert. Beispielsweise steuert der zweite Taktgenerator OCS2 die Schalter SW_T der zweiten Ladepumpenzellen Ce_2,k, und der erste Taktgenerator OSC1 steuert die Schalter SW_T der Eingangsladepumpenzellen Ce_in,n und der ersten Ladepumpenzellen Ce_1,m.
Falls das erste und das zweite Taktsignal clk1, clk1B nichtüberlappende Taktsignale sind, schalten der P-Feldeffekttransistor P3 und der N-Feldeffekttransistor N3 während der Taktflanke nicht gleichzeitig ein oder der P-Feldeffekttransistor P4 und der N-Feldeffekttransistor N4 schalten während der Taktflanke nicht gleichzeitig ein. Wenn der P-Feldeffekttransistor P3 und der N-Feldeffekttransistor N3 gleichzeitig einschalten, entsteht ein Leckstrom von dem Ausgangsknoten OUT der Ladepumpe zu dem Eingangsknoten IN, was zum Effizienzverlust der Ladepumpenzelle führt.
Außerdem entsteht, wenn der P-Feldeffekttransistor P4 und der N-Feldeffekttransistor N4 gleichzeitig einschalten, ein Leckstrom von dem Ausgangsknoten OUT zum Eingangsknoten IN, was zum Effizienzverlust der ersten Ladepumpenzelle Ce_1,m führt.
Das dritte und vierte Taktsignal clk2, clk2B sind bevorzugt ebenfalls nichtüberlappend. Dies stellt sicher, dass es keinen Leckstrom von dem Ausgangsknoten OUT zum Eingangsknoten IN gibt, was zum Effizienzverlust der zweiten Ladepumpenzelle Ce_2,k führen würde.
Bezugszeichenliste

BP1: erste Rückplatte
BP2: zweite Rückplatte
C1: erster Kondensator
C2: zweiter Kondensator
C3, C4: Übertragungskondensator
C5: Sammelkondensator
Ce_1,m: erste Ladepumpenzelle
Ce_2,k: zweite Ladepumpenzelle
Ce_in,n: Eingangsladepumpenzelle
clk1: erstes Taktsignal
CLK1: erster Ausgang des ersten Taktgenerators
clk1B: zweites Taktsignal
CLK1B: zweiter Ausgang des zweiten Taktgenerators
clk2: drittes Taktsignal
CLK2: erster Ausgang des zweiten Taktgenerators
clk2B: viertes Taktsignal
CLK2B: zweiter Ausgang des zweiten Taktgenerators
CP: Ladepumpe
DMB: Mikrofonschaltungsanordnung
GND: Masse
ICPS: Eingangsladepumpensektion
IN: Eingangsknoten einer Ladepumpenzelle
IN10: Eingangsknoten der Eingangsladepumpensektion
IN30: Eingangsknoten der ersten Ausgangsladepumpensektion
IN40: Eingangsknoten der zweiten Ausgangsladepumpensektion
M: Membran
N3, N4: N-Transistor
OCPS1: erste Ausgangsladepumpensektion
OCPS2: zweite Ausgangsladepumpensektion
OSC1: erster Taktgenerator
OSC2: zweiter Taktgenerator
OUT: Ausgangsknoten einer Ladepumpenzelle
OUT20: Ausgangsknoten der Eingangsladepumpensektion
P3, P4: P-Transistor
R1: erster Widerstand
R2: zweiter Widerstand
SW: Schalterausgang
sw: Schaltersignal
SW_T: Schalter
VDD: Versorgungsspannung
VOUT1: Ausgangsknoten der ersten Ausgangsladepumpensektion
Vout1: erste Ausgangsspannung
Vout2: Ausgangsknoten der zweiten Ausgangsladepumpensektion
Vout2: zweite Ausgangsspannung

Claims

Ladepumpe (CP), umfassend eine Eingangsladepumpensektion (ICPS), eine erste Ausgangsladepumpensektion (OCPS1) und eine zweite Ausgangsladepumpensektion (OCPS2), wobei - die Eingangsladepumpensektion (ICPS) einen Eingangsknoten (IN20), einen Ausgangsknoten (OUT20) und N Eingangsladepumpenzellen (Ce_in,n) umfasst, die zwischen dem Eingangsknoten (IN10) und dem Ausgangsknoten (OUT20) angeordnet sind und wobei N eine beliebige positive ganze Zahl ≥ 1 ist, - die erste Ausgangsladepumpensektion (OCPS1) einen ersten Eingangsknoten (IN30), einen ersten Ausgangsknoten (VOUT1) und M erste Ladepumpenzellen (Ce_1,m) umfasst, die zwischen dem ersten Eingangsknoten (IN30) und dem ersten Ausgangsknoten (VOUT1) angeordnet sind und wobei M eine beliebige positive ganze Zahl ≥ 1 ist, - die zweite Ausgangsladepumpensektion (OCPS2) einen zweiten Eingangsknoten (IN40), einen zweiten Ausgangsknoten (VOUT2) und K zweite Ladepumpenzellen (Ce_2,k) umfasst, die zwischen dem zweiten Eingangsknoten (IN40) und dem zweiten Ausgangsknoten (VOUT2) angeordnet sind und wobei K eine beliebige positive ganze Zahl ≥ 1 ist, - der Ausgangsknoten (OUT20) der Eingangsladepumpensektion (ICPS) mit dem ersten Eingangsknoten (IN30) der ersten Ausgangsladepumpensektion (OCPS1) und mit dem zweiten Eingangsknoten (IN40) der zweiten Ausgangsladepumpensektion (OCPS2) gekoppelt ist, und - die Ladepumpe (CP) ausgebildet ist zum Bereitstellen einer ersten Ausgangsspannung (Vout1) an dem ersten Ausgangsknoten (VOUT1) und einer zweiten Ausgangsspannung (Vout2) an dem zweiten Ausgangsknoten (VOUT2).
Ladepumpe (CP) nach Anspruch 1, wobei die Eingangsladepumpenzellen (Ce_in,n) der Eingangsladepumpensektion (ICPS) und/oder die ersten Ladepumpenzellen (Ce_1,m) der ersten Ausgangsladepumpensektion (OCPS1) und/oder die zweiten Ladepumpenzellen (Ce_2,k) der zweiten Ausgangsladepumpensektion (OCPS2) in Reihe gekoppelt sind.
Ladepumpe (CP) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl von aktiven Ladepumpenzellen in der Eingangsladepumpensektion (ICPS) und/oder in der ersten Ausgangsladepumpensektion (OCPS1) und/oder in der zweiten Ausgangsladepumpensektion (OCPS2) einstellbar ist, wobei eine aktive Ladepumpenzelle eine Ladepumpenzelle ist, die ein Ausgangssignal bereitstellt, das von ihrem Eingangssignal verschieden ist.
Ladepumpe (CP) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladepumpe (CP) mindestens einen Schalter (SW_T) zum Umgehen mindestens einer der Eingangsladepumpenzellen (Ce_in,n) und/oder der ersten Ladepumpenzellen (Ce_1,m) und/oder der zweiten Ladepumpenzellen (Ce_2,k) umfasst.
Ladepumpe (CP) nach Anspruch 4, wobei der Schalter (SW_T) oder die Schalter (SW_T) in vordefinierten Ladepumpenzellen angeordnet sind.
Ladepumpe (CP) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingangsladepumpenzellen (Ce_in,n) und/oder die ersten Ladepumpenzellen (Ce_1,m) und/oder die zweiten Ladepumpenzellen (Ce_2,k) jeweils durch mindestens ein Taktsignal (clkl, clk1B, clk2, clk2B) angesteuert werden, deren Amplitude einstellbar ist.
Ladepumpe (CP) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingangsladepumpenzellen (Ce_in,n) und/oder die ersten Ladepumpenzellen (Ce_1,m) und/oder die zweiten Ladepumpenzellen (Ce_2,k) jeweils durch zwei nichtüberlappende Taktsignale (clkl, clk1B, clk2, clk2B) angesteuert werden.
Ladepumpe (CP) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingangsladepumpenzellen (Ce_in,n) und die ersten Ladepumpenzellen Ce_1,m) durch ein erstes und ein zweites Taktsignal (clk1, clk1B) angesteuert werden und die zweiten Ladepumpenzellen (Ce_2,k) durch ein drittes und ein viertes Taktsignal (clk2, clk2B) angesteuert werden.
Ladepumpe (CP) nach Anspruch 8, wobei das erste und das zweite Taktsignal (clk1, clk1B) eine erste Frequenz und eine erste Amplitude (V1) umfassen und das dritte und vierte Taktsignal (clk2, clk2B) die erste Frequenz und eine zweite Amplitude (V2) umfassen.
Ladepumpe (CP) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Eingangsladepumpenzellen (Ce_in,n) und - die ersten Ladepumpenzellen (Ce_1,m) und/oder die zweiten Ladepumpenzellen (Ce_2,k) eine identische Schaltungsstruktur umfassen.
Mikrofonschaltungsanordnung (DBM), umfassend eine erste Rückplatte (BP1), eine zweite Rückplatte (BP2), eine Membran (M) und eine Ladepumpe (CP) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei - die Membran (M) zwischen der ersten Rückplatte (BP1) und der zweiten Rückplatte (BP2) angeordnet ist, - die erste Rückplatte (BP1) und die zweite Rückplatte (BP2) jeweils ausgebildet sind zum Umwandeln eines akustischen Signals in ein elektrisches Signal, - die erste Rückplatte (BP) elektrisch an den ersten Ausgangsknoten (VOUT1) der Ladepumpe gekoppelt ist und die zweite Rückplatte (BP2) elektrisch an den zweiten Ausgangsknoten (VOUT2) der Ladepumpe gekoppelt ist.
Mikrofonanordnung (DBM) nach Anspruch 11, wobei die erste Rückplatte (BP1) durch eine an dem ersten Ausgangsknoten (VOUT1) der Ladepumpe bereitgestellte erste Ausgangsspannung (Vout1) über ein erstes resistives Element (R1) vorgespannt wird und die zweite Rückplatte (BP2) durch die an dem zweiten Ausgangsknoten (VOUT2) bereitgestellte zweite Ausgangsspannung (Vout2) über ein zweites resistives Element (R2) vorgespannt wird.