DE19915644C2 - Ladungspumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungspumpe mit einem Versorgungspannungsanschluß und einem Masseanschluß zur Erzeugung einer Ausgangsspannung an einem Ausgangsan­ schluß, die höher als die an ihrem Versorgungspannungsan­ schluß liegende Spannung ist, mit zwei komplementären MOS- Feldeffekttransistoren, deren Source-Drain-Strecken in Serie zwischen dem Versorgungspannungsanschluß und dem Massean­ schluß liegen, eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern der bei­ den MOS-Feldeffekttransistoren und einem mit einem Anschluß mit dem Verbindungspunkt der Source-Drain-Strecken der bei­ den MOS-Feldeffekttransistoren verbundenen Ladungsspeicher­ kondensator, der andererseits über eine erste Diode mit dem Versorgungs­ spannungsanschluß und über eine zweite Diode mit dem Aus­ gangsanschluß verbunden ist.

Ladungspumpen werden in elektronischen Schaltungen immer dann eingesetzt, wenn in einer Schaltung eine Spannung benö­ tigt wird, die höher als die zur Verfügung stehende Versor­ gungspannung ist. Eine solche bekannte Ladungspumpe ist in "MOS-Bauelemente in der Leistungselektronik" von Felix Schörlin, Franzis Verlag, 1997, Seite 84 beschrieben und dargestellt. In dieser Schaltung besteht zwischen dem Ver­ sorgungspannungsanschluß und dem Ausgangsanschluß eine lei­ tende Verbindung über zwei hintereinander geschaltete Dio­ den, so daß über diese Verbindung stets ein Strom fließen kann, der die Versorgungspannungsquelle belastet, auch wenn die Ladungspumpe nicht in Betrieb ist. Um das Fließen dieses unerwünschten Stroms zu verhindern, muß ein eigener Schalter vorgesehen werden, der diesen Strom unterbricht.

Aus der DE 30 30 790 C2 ist eine Schaltstufe für eine Spannungsvervielfacherschaltung bekannt, deren Kondensatoren durch MOS-Transistoren gebildet sind, bei denen jeweils der Source-Anschluß permanent an den Drain-Anschluß ange­ schlossen ist und der Gate-Anschluß während der Ladephase an einem Ladepotential liegt. Diese Schaltstufe ist folgender­ maßen ausgestaltet: Ein Eingangsanschluß ist über die Drain- Source-Strecke eines ersten, in Serie geschalteten MOS- Transistors, der mit einem ersten, relativ großen MOS-Kon­ densator in Reihe geschaltet ist, an einen Ausgangsanschluß angeschlossen. Eine Rückkopplungsschleife enthält die Drain- Source-Strecke eines zweiten MOS-Transistors, der zwischen den Ausgangsanschluß und den Gate-Anschluß des ersten MOS- Transistors geschaltet ist. Der Gate-Anschluß des zweiten MOS-Transistors ist über einen relativ kleinen Rückkopp­ lungskondensator an seinen Source-Anschluß geschaltet. Vier Hilfs-MOS-Schalttransistoren werden durch eine periodische Taktimpuls-Eingangsfolge gesteuert. Auf diese Weise werden die beiden Kondensatoren abwechselnd an eine Ladespannung angeschlossen und davon getrennt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ladungs­ pumpe der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der ein unerwünschter Stromfluß im Ruhezustand verhindert wird, ohne daß zusätzliche Bauelemente benötigt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ladungsspeicherkondensator von der Gate-Kapazität eines weiteren MOS-Feldeffekttransistors gebildet ist, dessen Source-Drain-Strecke zwischen den beiden Dioden liegt und dessen Gate-Anschluß mit dem Verbindungspunkt der in Serie geschalteten Source-Drain-Strecken der beiden komplementären MOS-Feldeffekttransistoren verbunden ist.

In der erfindungsgemäßen Ladungspumpe ist zwischen die zwei Dioden, die den Versorgungspannungsanschluß mit dem Ausgangsanschluß verbinden, die Source-Drain-Strecke eines weiteren MOS-Feldeffekttransistors eingefügt, der als Schal­ ter wirkt und im gesperrten Zustand das Fließen eines Stroms vom Versorgungspannungsanschluß zum Ausgangsanschluß verhin­ dert. Dieser MOS-Transistor ist jedoch kein zusätzliches Bauelement in der Ladungspumpe, da seine Gate-Kapazität gleichzeitig die Funktion des Ladungsspeicherkondensators einer herkömmlichen Ladungspumpe übernimmt. Auf diese Weise wird ohne Erhöhung der Anzahl der benötigten Bauelemente eine Belastung der Versorgungspannungsquelle bei nicht in Betrieb befindlicher Ladungspumpe vermieden.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispiels­ halber erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen La­ dungspumpe und

Fig. 2 ein Beispiel eines in dieser Ladungspumpe ver­ wendbaren Taktgenerators.

Die Ladungspumpe 10 von Fig. 1 enthält zwei in Serie geschaltete komplementäre MOS-Feldeffekttransistoren, näm­ lich einen P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 12 und einen N- Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 14. Die Source-Drain-Strecken dieser beiden MOS-Feldeffekttransistoren liegen in Serie zwischen dem Versorgungspannungsanschluß 16 und dem Masse­ anschluß 18. Mit dem Verbindungspunkt der Source-Drain- Strecken der beiden MOS-Feldeffekttransistoren 12, 14 ist der Gate-Anschluß eines weiteren MOS-Feldeffekttransistors 20 angeschlossen, bei dem es sich um einen P-Kanal-MOS- Feldeffekttransistor handelt. Zwischen dem Versorgungspan­ nungsanschluß 16 und der Source-Drain-Strecke des MOS-Feld­ effekttransistors 20 liegt eine Diode 22, wobei deren Anode mit dem Versorgungspannungsanschluß 16 verbunden ist. Mit dem anderen Ende der Source-Drain-Strecke des MOS-Feldef­ fekttransistors 20 ist die Anode einer weiteren Diode 24 verbunden, deren Katode den Ausgangsanschluß der Ladungspum­ pe bildet.

Die Ladungspumpe 10 enthält ferner eine Ansteuerschal­ tung 26, die im einfachsten Fall, wie in Fig. 1 dargestellt ist, ein einem Eingangsanschluß 28 zugeführtes Taktsignal CLK über Ausgänge 30 und 32 den Gate-Anschlüssen der MOS- Feldeffekttransistoren 12 und 14 zuführt. Das Taktsignal CLK ist ein übliches Rechtecksignal.

Die in Fig. 1 dargestellte Ladungspumpe arbeitet wie folgt:

Wenn die Ladungspumpe nicht im Betrieb ist, am Ausgangs­ anschluß 34 also keine Spannung erzeugt werden soll, die höher als die Versorgungspannung Vcc am Versorgungspannungs­ anschluß 16 ist, liegt am Eingang 28 der Ansteuerschaltung 26 ein Signal mit niedrigem Wert, das dem Binärwert L ent­ spricht. Dies hat zur Folge, daß auch an den Gate-Anschlüs­ sen der MOS-Feldeffekttransistoren 12 und 14 ein Signal mit dem niedrigen Wert L anliegt. Da der MOS-Feldeffekttran­ sistor 12 ein P-Kanal-Transistor ist, bedeutet dies, daß er sich im leitenden Zustand befindet. Der MOS-Feldeffekttran­ sistor 14 befindet sich als N-Kanal-Transistor infolge die­ ses niedrigen Signalwerts im gesperrten Zustand. Aufgrund des leitenden Zustandes des MOS-Feldeffekttransistors 12 wird an den Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors 20 die Versorgungspannung Vcc angelegt, was zur Folge hat, daß dieser Transistor in gesperrtem Zustand gehalten wird.

Somit ist zu erkennen, daß im Ruhezustand der Ladungs­ pumpe keine Verbindung zwischen dem Versorgungspannungsan­ schluß 16 und dem Ausgangsanschluß 34 vorhanden ist, weil der MOS-Feldeffekttransistor 20 diese Verbindung unter­ bricht. Es kann also kein die Versorgungspannungsquelle be­ lastender Strom fließen.

Wenn nun am Ausgangsanschluß 34 eine Spannung benötigt wird, die höher als die Versorgungspannung Vcc am Versor­ gungspannungsanschluß 16 ist, dann wird an den Eingang 28 der Ansteuerschaltung 26 das Taktsignal CLK angelegt, das die Form eines Rechtecksignals hat. Dieses Taktsignal CLK wechselt somit periodisch mit der Taktfrequenz zwischen den Signalwerten L und H. Die beiden komplementären MOS-Feldef­ fekttransistoren 12 und 14 werden dadurch abwechselnd je­ weils zueinander entgegengesetzt in den leitenden und den gesperrten Zustand versetzt.

Wenn von dem zuvor geschilderten Ruhezustand ausgegangen wird, besteht der erste Zustandswechsel der beiden Feldef­ fekttransistoren darin, daß der MOS-Feldeffekttransistor 12 durch das den hohen Signalwert H aufweisende Taktsignal gesperrt wird, während der MOS-Feldeffekttransistor 14 durch dieses Signal in den leitenden Zustand versetzt wird.

Infolge des leitenden Zustandes des MOS-Transistors 14 gelangt an den Gate-Anschluß des MOS-Transistors 20 der Mas­ sewert, der diesen Transistor in den leitenden Zustand ver­ setzt. Gleichzeitig wird die Gate-Kapazität dieses Feldef­ fekttransistors aufgeladen.

Wenn nun das Taktsignal am Eingang 28 wieder den niedri­ gen Wert L annimmt, hat dies zur Folge, daß demgemäß auch die Zustände der beiden MOS-Feldeffekttransistoren 12 und 14 um­ gekehrt werden. Der MOS-Feldeffekttransistor 12 geht also wieder in den leitenden Zustand über, während der MOS-Tran­ sistor 14 in den gesperrten Zustand übergeht. Die am Gate- Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors 20 vorhandene Lade­ spannung wird nun zur Versorgungspannung Vcc hinzuaddiert, wobei der MOS-Feldeffekttransistor 20 solange leitend bleibt, wie seine Gate-Source-Spannung größer als seine Schwellenspannung ist. Sobald die Schwellenspannung unter­ schritten wird, geht dieser Transistor in den gesperrten Zustand über. Auf diese Weise entsteht an dem von der Gate- Kapazität des MOS-Feldeffekttransistors 20 gebildeten La­ dungspeicherkondensator ausgangsseitig eine maximale Spannung, die dem zweifachen Wert der Versorgungspannung Vcc abzüglich der Durchlaßspannung der Diode 22 ist. Am Ausgangsanschluß 34 kann diese maximale Spannung abzüglich der Durchlaßspannung der zweiten Diode 24 abgegriffen werden.

Wie zu erkennen ist, übernimmt der MOS-Feldeffekttran­ sistor 20 gleichzeitig die Funktion eines Schalter, der den Stromweg zwischen der Versorgungspannungsquelle und dem Aus­ gangsanschluß 34 unterbricht, wenn die Ladungspumpe nicht in Betrieb ist, und die Funktion eines Ladungspeicherkondensa­ tors, wie er in herkömmlichen Ladungspumpenschaltungen zur Erzeugung der erhöhten Spannung eingesetzt wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nun ein Ausführungsbei­ spiel einer Ansteuerschaltung beschrieben, die als Ansteuer­ schaltung 26 in der Ladungspumpe 10 von Fig. 1 eingesetzt werden kann.

Der Taktgenerator 26 enthält einen ersten Schaltungs­ zweig, in dem die Source-Drain-Strecken von zwei komplemen­ tären MOS-Feldeffekttransistoren 36 und 38 in Serie geschal­ tet sind. Der Feldeffekttransistor 36 ist ein P-Kanal-MOS- Feldeffekttransistor und der Feldeffekttransistor 38 ist ein N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor. In einem zweiten Schal­ tungszweig sind die Source-Drain-Strecken von drei MOS- Feldeffekttransistoren, nämlich einem P-Kanal-MOS-Feldef­ fekttransistor 40, einem weiteren P-Kanal-MOS-Feldeffekt­ transistor 42 sowie einem N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 44 hintereinander geschaltet. Die beiden Schaltungszweige liegen einerseits an der Versorgungspannung Vcc und anderer­ seits an Masse. Wie zu erkennen ist, ist der Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors 36 mit dem Verbindungspunkt der Source-Drain-Strecken der beiden MOS-Feldeffekttran­ sistoren 42 und 44 verbunden, während der Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors 40 mit dem Verbindungspunkt zwi­ schen den Source-Drain-Strecken der MOS-Feldeffekttran­ sistoren 36 und 38 verbunden ist. Der Gate-Anschluß des MOS- Feldeffekttransistors 42 liegt an Masse. Der das Ansteuer­ signal für den MOS-Feldeffekttransistor 12 abgebende Ausgang 30 ist mit dem Verbindungspunkt der Source-Drain-Strecken der MOS-Feldeffekttransistoren 40 und 42 verbunden, während der das Ansteuersignal für den MOS-Feldeffekttransistor 14 abgebende Ausgang 32 mit dem Verbindungspunkt der Source- Drain-Strecken der MOS-Feldeffekttransistoren 42 und 44 ver­ bunden ist. Der Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors 38 ist mit dem Eingang 28 verbunden, der das Taktsignal CLK empfängt, während der Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekttran­ sistors 44 mit dem Ausgang eines Negators 46 verbunden ist, der das dem Eingang 28 zugeführte Taktsignal negiert.

Wenn am Eingang 28 im Ruhezustand der Ladungspumpe ein Signal mit dem niedrigen Binärwert L anliegt, wird der MOS- Feldeffekttransistor 38 in den gesperrten Zustand versetzt, während der MOS-Feldeffekttransistor 44 in den leitenden Zustand versetzt wird, weil seinem Gate-Anschluß aufgrund der Wirkung des Negators 46 ein Signal mit dem hohen Binär­ wert H zugeführt wird. Der infolge des leitenden Zustandes des MOS-Feldeffekttransistors 44 an den Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors 36 gelangende Massewert schaltet diesen Feldeffekttransistor in den leitenden Zustand, was wiederum zur Folge hat, daß an den Gate-Anschluß des MOS- Feldeffekttransistors 40 ein dem Versorgungspannungswert entsprechender hoher Signalwert gelangt, der diesen Tran­ sistor sperrt. Infolge des Massewerts am Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors 42 ist dieser Transistor leitend. In diesem Ruhezustand haben die Ansteuersignale an den Aus­ gängen 30 und 32 den gleichen Signalwert L, der, wie oben bereits erwähnt wurde, zur Folge hat, daß der MOS-Feldef­ fekttransistor 12 im leitenden Zustand gehalten wird, wäh­ rend der MOS-Feldeffekttransistor 14 gesperrt bleibt.

Zur Inbetriebnahme der Ladungspumpe 10 wird dem Eingang 28 das rechteckförmige Taktsignal CLK zugeführt. Mit dem ersten Übergang vom niedrigen Signalwert L auf den hohen Signalwert H werden der MOS-Feldeffekttransistor 38 in den leitenden Zustand versetzt, und der MOS-Feldeffekttransistor 44 wird gesperrt. Dies hat zur Folge, daß auch der MOS- Feldeffekttransistor 36 gesperrt wird und der MOS-Feldef­ fekttransistor 40 in den leitenden Zustand versetzt wird. Der MOS-Feldeffekttransistor 42 befindet sich weiterhin im leitenden Zustand. An den Ausgängen 30 und 32 wird nun ein Signal mit dem hohen Wert H abgegeben, das bewirkt, daß der MOS-Feldeffekttransistor 12 gesperrt und der MOS-Feldef­ fekttransistor 14 leitend wird. Der zwischen die beiden zu den Gate-Anschlüssen der MOS-Feldeffekttransistoren 12 und 14 führenden Leitungen eingefügte MOS-Feldeffekttransistor 42 hat zur Folge, daß der Übergang des MOS-Feldeffekttran­ sistors 12 mit einer gewissen Verzögerung gegenüber dem Übergang des MOS-Feldeffekttransistors 14 in den leitenden Zustand erfolgt. Dies erweist sich als günstig, da dadurch verhindert wird, daß der MOS-Feldeffekttransistor 14 noch leitet, wenn der MOS-Feldeffekttransistor 12 ebenfalls lei­ tend wird, so daß kurzzeitig ein Stromweg zwischen dem Ver­ sorgungspannungsanschluß 16 und dem Masseanschluß 18 vorhan­ den wäre, der zu einem störenden Stromimpuls führen kann. Aufgrund der Verzögerung des Anlegens der Ansteuersignale an die Gate-Anschlüsse der beiden MOS-Feldeffekttransistoren 12 und 14 wird somit durch die Ansteuerschaltung 26, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, verhindert, daß bei den Übergängen vom Signalwert L zum Signalwert H und umgekehrt störende Stromimpulse wegen eines gleichzeitig vorhandenen leitenden Zustandes der beiden MOS-Feldeffekttransistoren 12 und 14 auftritt.

Claims (2)

1. Ladungspumpe mit einem Versorgungspannungsanschluß und einem Masseanschluß zur Erzeugung einer Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluß, die höher als die an ihrem Versor­ gungspannungsanschluß liegende Spannung ist, mit zwei kom­ plementären MOS-Feldeffekttransistoren, deren Source-Drain- Strecken in Serie zwischen dem Versorgungspannungsanschluß und dem Masseanschluß liegen, eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern der beiden MOS-Feldeffekttransistoren und einem mit einem Anschluß mit dem Verbindungspunkt der Source- Drain-Strecken der beiden MOS-Feldeffekttransistoren verbun­ denen Ladungsspeicherkondenator, der andererseits über eine erste Diode (22) mit dem Versorgungsspannungsanschluß (16) und über eine zweite Diode (24) mit dem Ausgangsanschluß (34) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungs­ speicherkondensator von der Gate-Kapazität eines weiteren MOS-Feldeffekttransistors (20) gebildet ist, dessen Source- Drain-Strecke zwischen den beiden Dioden (22, 24) liegt und dessen Gate-Anschluß mit dem Verbindungspunkt der in Serie geschalteten Source-Drain-Strecken der beiden komplementären MOS-Feldeffekttransistoren (12, 14) verbunden ist.

2. Ladungspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Feldeffekttransistor (12), dessen Source-Drain- Strecke mit dem Versorgungspannungsanschluß (16) verbunden ist, ein P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ist, daß der MOS- Feldeffekttransistor (14), dessen Source-Drain-Strecke mit dem Masseanschluß (18) verbunden ist, ein N-Kanal-MOS-Feld­ effekttransistor ist und daß der weitere MOS-Feldeffekt­ transistor (20) ein N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ist.