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Die Erfindung betrifft eine Ladungspumpe.
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Verschiedene Ladungspumpen sind in der
US 4 740 715 A , der
US 5 126 590 A , der
US 5 202 588 A , der
US 5 343 088 A und der
JP H09-231 752 A beschrieben. Insbesondere in der JP H09-231 752 A ist eine Ladungspumpe beschrieben, die zwei Eingänge für je ein Eingangstaktsignal und einen Ausgang zur Ausgabe eines gepumpten Ausgangspotentials aufweist. Die beiden Pumpkondensatoren sind mit jeweils einer ersten Elektrode mit einem der Eingänge und mit einer zweiten Elektrode jeweils über eine erste Schalteinheit mit einem Versorgungspotential sowie über eine zweite Schalteinheit mit dem Ausgang verbunden. Zwischen die zweiten Elektroden der beiden Pumpkondensatoren ist die steuerbare Strecke eines steuerbaren Kurzschlußelements angeordnet. Die prinzipielle Funktionsweise einer Ladungspumpe wird im folgenden anhand der
1 und
2 beschrieben.
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1 zeigt eine Ladungspumpe mit zwei Pumpkondensatoren CpumpA, CpumpB, denen an einer Elektrode jeweils ein Eingangstaktsignal A1, B1 zugeführt wird. Die von den Eingangstaktsignalen A1, B1 abgewandten Elektroden VA1, VB1 der Pumpkondensatoren sind über Transistoren T1, T4 mit Masse und über andere Transistoren T2, T3 mit einem Ausgang der Ladungspumpe verbunden. Die Transistoren T1 bis T4 sind vom p-Kanal-Typ. Die Ladungspumpe speist eine Last, die eine Lastkapazität CL aufweist. Die Steueranschlüsse der Transistoren T1 bis T4 sind mit unterschiedlichen Steuersignalen DISA1, DISB1, A2, B2 verbunden.
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2 zeigt die Verläufe der Eingangstaktsignale A1, B1 sowie der Steuersignale DISA1, DISB1, A2, B2 sowie den Verlauf der Potentiale an den Schaltungsknoten VA1, VA2 und den Verlauf des gepumpten Ausgangssignals VPUMP am Ausgang der Ladungspumpe. Mit jeder Taktflanke der Eingangstakte A1, B1 kommt es zu einem Umladen der von den Eingängen abgewandten Elektroden der Pumpkondensatoren CpumpA, CpumpB. Dabei muß die eine Elektrode vom Wert des Ausgangspotentials auf einen positiven Wert und die andere Elektrode von 0 V auf einen negativen Wert gepumpt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ladungspumpe anzugeben, mit der ein negativeres Ausgangspotential erzeugt werden kann
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Diese Aufgabe wird mit einer Ladungspumpe gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Gemäß der im Patentanspruch 1 angegebenen Ausführungsform weist die Ladungspumpe zwei Eingänge für je ein Eingangstaktsignal und einen Ausgang zur Ausgabe eines gepumpten Ausgangspotentials sowie zwei Pumpkondensatoren mit jeweils einer ersten und einer zweiten Elektrode auf. Die ersten Elektroden der Pumpkondensatoren sind mit je einem der Eingänge verbunden. Die zweiten Elektroden der Pumpkondensatoren sind jeweils über eine erste Schaltungseinheit mit einem Versorgungspotential und über eine zweite Schaltungseinheit mit dem Ausgang verbunden. Die Ladungspumpe umfasst darüber hinaus ein steuerbares Kurzschlußelement, dessen steuerbare Strecke zwischen den zweiten Elektroden der beiden Pumpkondensatoren angeordnet ist. Des weiteren weist die Ladungspumpe ein erstes Schaltelement, über das ein Steueranschluß des Kurzschlußelements mit der zweiten Elektrode des ersten Pumpkondensators verbunden ist, und ein zweites Schaltelement, über das der Steueranschluß des Kurzschlußelements mit der zweiten Elektrode des zweiten Pumpkondensators verbunden ist, auf.
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Die erfindungsgemäße Ladungspumpe weist ein steuerbares Kurzschlußelement auf, dessen steuerbare Strecke zwischen den zweiten Elektroden der beiden Kondensatoren, die von den Eingängen der Ladungspumpe abgewandt sind, angeordnet ist. Mittels des Kurzschlusselements ist es in vorteilhafter Weise möglich, zu gewünschten Zeitpunkten einen Ladungsausgleich zwischen den zweiten Elektroden der beiden Pumpkondensatoren durchzuführen. Die beiden Schaltelemente ermöglichen es, das Potential am Steueranschluß des Kurzschlußelements zu gewünschten Zeitpunkten an das Potential einer der beiden zweiten Elektroden anzupassen.
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Besonders günstig ist es, wenn das Kurzschlusselement über seinen Steueranschluss so angesteuert wird, daß es unmittelbar vor Taktflanken der Eingangstaktsignale leitend ist und den Ladungsausgleich bewirkt und anschließend wieder gesperrt wird, bevor die Taktflanken auftreten. Die Potentiale der zweiten Elektroden der Pumpkondensatoren werden während jeder Pumpperiode zunächst über das Kurzschlußelement auf ihren arithmetischen Mittelwert ausgeglichen, bevor ihr Pegel durch das Pumpen der Eingangstaktsignale verändert wird. Hieraus resultiert eine betragsmäßige Zunahme der Spitzenwerte der Potentiale an den zweiten Elektroden. Aus diesem Grund wird ein betragsmäßig größeres Ausgangspotential erreicht, als ohne das erfindungsgemäße Kurzschließen. Durch das Kurzschließen erfolgt gewissermaßen bereits eine Potentialveränderung an den zweiten Elektroden in Richtung der nachfolgenden, durch die Eingangstaktsignale hervorgerufenen Potentialerhöhung bzw. -absenkung. Dadurch werden nachfolgend durch den Hub der Eingangstaktsignale betragsmäßig größere Potentiale an den zweiten Elektroden erzeugt.
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Nach einer Weiterbildung sind die ersten und zweiten Schaltungseinheiten immer dann nicht leitend, wenn das Kurzschlußelement leitend ist. Dies verhindert eine Beeinflussung des Versorgungspotentials und des gepumpten Ausgangspotentials während des Kurzschließens der zweiten Elektroden der Pumpkondensatoren.
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Günstig ist es, wenn das Steuersignal periodisch ist. Hierdurch erfolgt jeder Pumpzyklus auf die erfindungsgemäße Weise.
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Die ersten und zweiten Schaltelemente können beispielsweise Schaltelemente, wie zum Beispiel Transistoren, oder Dioden beinhalten.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 den prinzipiellen Aufbau einer herkömmlichen Ladungspumpe,
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2 Signalverläufe zur Ladungspumpe aus 1,
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladungspumpe,
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4 Signalverläufe zur Ladungspumpe aus 3,
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5 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladungspumpe,
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6 ein Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der Ladungspumpe und
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7 Signalverläufe zur Ladungspumpe aus 6.
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Das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladungspumpe gemäß 3 weist die bereits anhand 1 erläuterten Komponenten auf. Dabei sind erste Elektroden von Pumpkondensatoren CpumpA, CpumpB mit Eingängen der Ladungspumpe verbunden, über die Eingangstaktsignale A1, B1 zugeführt werden. Zweite Elektroden VA1, VB1 der Pumpkondensatoren sind über p-Kanal-Transistoren T1, T4 einerseits mit Masse und über p-Kanal-Transistoren T2, T3 andererseits mit einem Ausgang der Ladungspumpe verbunden, an dem ein gepumptes Ausgangspotential VPUMP erzeugt wird. Über den Ausgang speist die Ladungspumpe eine kapazitive Last CL. Den Steueranschlüssen der Transistoren T1 bis T4 werden Steuersignale DISA1, DISB1, A2, B2 zugeführt. Zusätzlich sind die zweiten Elektroden der Pumpkondensatoren CpumpA, CpumpB über ein Kurzschlußelement S in Form eines weiteren p-Kanal-Transistors miteinander verbunden. Dem Steueranschluß des Kurzschlußelements S wird ein Steuersignal chan zugeführt.
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4 zeigt für das Ausführungsbeispiel gemäß 3 beispielhafte Verläufe der Eingangstaktsignale A1, B1, der Steuersignale DISA1, DISB1, A2, B2, chan, der Potentiale an den zweiten Elektroden VA1, VB1 der Pumpkondensatoren CpumpA, CpumpB sowie des gepumpten Ausgangspotentials VPUMP am Ausgang der Ladungspumpe. Zu erkennen ist, daß bei leitendem Kurzschlußelement S (niedriger Pegel des Steuersignals chan) die Transistoren T1 bis T4 gesperrt sind. Das Kurzschlußelement S wird vor jedem Pegelwechsel der zueinander inversen Eingangstaktsignale A1, B1 kurzzeitig leitend geschaltet, so daß ein Ladungsausgleich zwischen den zweiten Elektroden VA1, VB1 der Pumpkondensatoren erfolgt.
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Die Ladungspumpe dieses Ausführungsbeispiels dient zur Erzeugung eines negativen gepumpten Ausgangspotentials VPUMP. Daher nehmen die Potentiale an den zweiten Elektroden VA1, VB1 vor Eintreten des niedrigen Potentials am Steueranschluß des Kurzschlußelements S alternierend Massepotential (0 V) beziehungsweise den Wert des Ausgangspotentials VPUMP an. Dies liegt daran, daß die zweite Elektrode VA1 des einen Pumpkondensators CpumpA über den entsprechenden Transistor T1 immer dann leitend mit Masse verbunden ist, wenn die zweite Elektrode VB1 des anderen Pumpkondensators CpumpB über den entsprechenden Transistor T3 leitend mit dem Ausgang der Ladungspumpe verbunden ist, und umgekehrt. Nachdem die Potentiale der zweiten Elektroden VA1, VB1 0 V beziehungsweise den Wert des Ausgangspotentials VPUMP angenommen haben, werden die entsprechenden Transistoren gesperrt, so daß anschließend alle vier Transistoren T1 bis T4 gesperrt sind. Das bedeutet, daß die periodischen Steuersignale DISA1, DISB1, A2, B2 im Gegensatz zu den Eingangstaktsignalen A1, B1 unsymmetrische Takte sind. Während der Zeitspanne vor der nächsten Taktflanke der Eingangstaktsignale A1, B1, während der die vier Transistoren T1 bis T4 gesperrt sind, wird das Kurzschlußelement S über das Steuersignal chan leitend geschaltet. Durch den nun erfolgenden Ladungsausgleich zwischen den zweiten Elektroden VA1, VB1 der Pumpkondensatoren stellt sich an den beiden Elektroden ein Potential ein, das dem arithmetischen Mittelwert zwischen dem aktuellen Wert des Ausgangspotentials VPUMP und 0 V entspricht. Spätestens mit der nächsten Flanke der Eingangstaktsignale A1, B1 ist das Kurzschlußelement S wieder gesperrt, so daß die Potentiale der zweiten Elektroden VA1, VB1 durch die Eingangstaktsignale auf entgegengesetzte Maximal- bzw. Minimalwertewerte gepumpt werden.
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Da 4 einen Zeitausschnitt darstellt, während dem das Ausgangspotential VPUMP noch nicht seinen endgültigen negativen Wert angenommen hat, verschieben sich die positiven und negativen Spitzen der Potentiale an den zweiten Elektroden VA1, VB1 mit jeder Halbperiode der Eingangstaktsignale A1, B1 in negativer Richtung. Das gleiche gilt für den sich während der leitenden Phase des Kurzschlußelements S einstellenden Mittelwert.
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5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladungspumpe. Dieses unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel aus 3 darin, daß die p-Kanal-Transistoren T1 bis T4 durch Dioden D1 bis D4 ersetzt sind. Dadurch entfallen die Steuersignale DISA1, DISB1, A2, B2. Die Eingangstaktsignale A1, B1 sowie das Steuersignal chan des Kurzschlußelements S haben auch für das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel den in 4 gezeigten Verlauf. Auch die Potentiale an den zweiten Elektroden VA1, VB1 der Pumpkondensatoren CpumpA, CpumpB und des Ausgangspotentials sind ähnlich, wie in der 4 dargestellt. Allerdings sind die Maximalwerte (Spitzen) der Potentiale an den zweiten Elektroden VA1, VB1 betragsmäßig um den Wert der Einsetzspannungen der Dioden D1 bis D4 reduziert.
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6 zeigt einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ladungspumpe. Dieses Ausführungsbeispiel weist die in 3 dargestellten Komponenten auf und zusätzlich die in der 6 gezeigten. 6 zeigt zwischen den zweiten Elektroden VA1, VB1 der beiden Pumpkondensatoren CpumpA, CpumpB das Kurzschlußelement S aus 3. Der Steueranschluß des Kurzschlußelements S ist über einen fünften Transistor T5 mit der zweiten Elektrode VA1 des ersten Pumpkondensators CpumpA und über einen sechsten Transistor T5 mit der zweiten Elektrode VB1 des zweiten Pumpkondensators CpumpB verbunden.
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Der in 6 gezeigten Teilschaltung werden drei Pumpsignale A1cha1, cha, B1cha1 zugefuhrt. Das erste Pumpsignal A1cha1 ist über einen dritten Pumpkondensator CA1 mit dem Steueranschluß des fünften Transistors T5 verbunden. Das zweite Pumpsignal cha ist über einen vierten Pumpkondensator Ccha mit dem Steueranschluß des Kurzschlußelements S verbunden. Das dritte Pumpsignal B1cha1 ist über einen fünften Pumpkondensator CB1 mit dem Steueranschluß des sechsten Transistors T6 verbunden.
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Außerdem ist der Steueranschluß des fünften Transistors T5 über einen siebten Transistor T7 mit Masse und über einen achten Transistor T8 mit der zweiten Elektrode VB1 des zweiten Pumpkondensators CpumpB verbunden. Der Steueranschluß des sechsten Transistors T6 ist über einen neunten Transistor T9 mit der zweiten Elektrode VA1 des ersten Pumpkondensators CpumpA und über einen zehnten Transistor T10 mit Masse verbunden. Die Transistor T5 bis T10 sind p-Kanal-Transistoren.
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Ein Steueranschluß des siebten Transistors T7 und des zehnten Transistors T10 sind mit dem Steueranschluß des Kurzschlußelements S verbunden. Ein Steueranschluß des achten Transistors T8 ist mit dem Steueranschluß des sechsten Transistors T6 und ein Steueranschluß des neunten Transistors T9 ist mit dem Steueranschluß des fünften Transistors T5 verbunden.
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7 zeigt Verläufe der in 6 eingezeichneten Signale. Zu erkennen ist, daß der fünfte Transistor T5 und der sechste Transistor T6 sperren, solange das Kurzschlußelement S leitend ist (chan = niedriger Pegel). Sobald eine der zweiten Elektroden VA1, VB1 durch das entsprechende Eingangstaktsignal A1, B1 auf einen positiven Wert gepumpt wird (positive Flanke dieser Signale), wird der mit dieser zweiten Elektrode verbundene Transistor T5 beziehungsweise T6 leitend geschaltet. Somit folgt anschließend das Potential chan am Steueranschluß des Kurzschlußelements S dem Verlauf des Potentials an der mit ihm leitend verbundenen zweiten Elektrode VA1, VB1. Hierdurch entstehen die positiven Spitzen des Signals chan. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß das Kurzschlußelement S, das ein p-Kanal-Transistor ist, sicher sperrt. An seinem Steueranschluß liegt dann nämlich immer ein Potential chan, das wenigstens so hoch ist, wie sein Source-Potential.
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Der siebte Transistor T7 und der zehnte Transistor T10 sorgen dafür, daß der fünfte Transistor T5 beziehungsweise der sechste Transistor T6 sicher sperren, während das Kurzschlußelement S leitend ist. In diesem Fall (chan = niedriger Pegel) liegt über den siebten Transistor T7 und den zehnten Transistor T10 an den Steueranschlüssen des fünften Transistors T5 und sechsten Transistors T6 Masse an. Somit ist die Gate-Source-Spannung der letztgenannten Transistoren dann positiv, so daß sie sicher sperren.
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Der achte Transistor T8 dient dazu, den fünften Transistor T5 sicher zu sperren, wenn das Kurzschlußelement S gesperrt ist (chan = hoher Pegel) und der sechste Transistor T6 leitend ist (B1cha = niedriger Pegel). Wenn der achte Transistor T8 leitet, liegt das Potential der zweiten Elektrode VB1 des zweiten Pumpkondensators CpumpB am Steueranschluß des fünften Transistors T5 an. Da das Potential chan am Gate des Kurzschlußelements S gleichzeitig leitend mit der zweiten Elektrode VB1 des zweiten Pumpkondensators CpumpB verbunden ist, ist die Gate-Source-Spannung des fünften Transistors T5 dann gleich 0. Er sperrt also sicher.
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Der neunte Transistor T9 dient in analoger Weise dem Sperren des sechsten Transistors T6, während das Kurzschlußelement S gesperrt und der fünfte Transistor T5 leitend ist.
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Während also der fünfte Transistor T5 und der sechste Transistor T6 dazu dienen, das Kurzschlußelement S während seiner Sperrphase sicher zu sperren, dienen die Transistoren T7 bis T10 dazu, den fünften Transistor T5 beziehungsweise den sechsten Transistor T6 während ihrer unterschiedlichen Sperrphasen sicher zu sperren. Auf diese Weise vermeidet die Ladungspumpe dieses Ausführungsbeispiels eine unerwünschte Beeinflussung der Potentiale der zweiten Elektroden VA1, VB1 der Pumpkondensatoren CpumpA, CpumpB, weil störende Verlustströme vermieden werden.