DE69316088T2

DE69316088T2 - Ladungspumpe mit geschalteter Kapazität sowie Sägezahnoszillator mit einer solchen Ladungspumpe

Info

Publication number: DE69316088T2
Application number: DE69316088T
Authority: DE
Inventors: Franciscus A C M Schoofs
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1993-06-08
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2013-06-09
Also published as: TW318292B; KR940001210A; FI932694A0; FI932694A; ATE162023T1; EP0574982B1; NL9201053A; US5387882A; DE69316088D1; EP0574982A1; ES2113472T3; SG48293A1; JPH0661803A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltkapazität-Ladungspumpe mit
- einem Kondensator mit einer ersten Kondensatorklemme und einer zweiten Kondensatorklemm,
- mit der ersten Kondensatorklemme gekoppelten Ladungsmitteln zum Aufladen des Kondensators,
- einem mit der ersten und mit der zweiten Kondensatorklemme gekoppelten Ladungsschalter zum wiederholten Entladen des Kondensators durch Schließen und Öffnen des Entladungsschalters in Beantwortung eines ersten bzw. zweiten Wertes eines zyklischen Binärtaktsignals aus einer Taktsignalquelle.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Sägezahnoszillator mit einer derartigen Schaltkapazität-Ladungspumpe.
Eine Schaltkapazität-l-adungspumpe dieser Art ist aus Proceedings of the IEEE, Vol 71, Nr.8, August 1983, S. 941...965 von R. Gregorian et al., "Switched- Capacitor Circuit Design", Fig. 1(b) bekannt. Die Auflademittel in diesem Dokument bestehen aus einem Schalter mit der Möglichkeit zum Verbinden der ersten Kondensatorklemme mit einer ersten Spannungsquelle, die die Spannung V1 führt. Die zweite Kondensatorklemme ist mit einer zweiten Spannungsquelle verbunden, die die Spannung V2 führt. In jedem Zyklus des Taktsignals wird der Kondensator zunächst mittels des Entladungsschalters entladen und lädt sich darauf auf einen Spannungsunterschied zwischen V1 und V2 auf. Im Zykluszeitintervall T fließt eine Ladung dQ gleich C*(V1-V2), worin C die Kondensatorkapazität ist. Wenn der Kondensator sich auflädt, wird die erste Spannungsquelle aufgeladen, sodass die Spannung V1 und damit die Ladung dQ sich ändern. Das Aufladen der ersten Spannungsquelle ist mittels einer Pufferstufe reduzierbar, d.h. mit einem ersten als Spannungsfolger angeordneten Operationsverstärker Die zweite Spannungsquelle ist üblicherweise der Inversionseingang eines rückgekoppelten zweiten Operationsverstarkers, dessen Nichtinversionseingang mit der zweiten Spannung V2 verbunden ist. Am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers steht ein Signal zur Verfügung, das ein Maß für die Ladung dQ ist. Die zweite Spannungsquelle mit der Spannung V2 könnte durch die Wahl dieser Spannung gleich dem Erdpotential entfallen. Jedoch muß in diesem Fall eine in Bezug auf Erdpotential negative Speisespannung am zweiten Operationsverstärker zur Verfügung stehen. Die Verwirklichung einer genauen Ladungspumpe, d.h. einer Anordnung zum Ausgeben einer vorgegebenen Ladung dQ in jedem Zyklusintervall T an ihren Ausgang, erweist sich nicht einfach.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltkapazität- Ladungspumpe zu schaffen, in der obige Nachteile beseitigt sind.
Erfindungsgemäß ist eine Schaltkapazität-Ladungspumpe eingangs erwähnter Art dadurch gekennzeichnet, dass
- die Auflademittel eine erste mit der ersten Kondensatorklemme gekoppelte Stromquelle zum Ausgeben eines ersten Stroms zum Kondensator enthalten, und dass die Schaltkapazität-Ladungspumpe außerdem folgende Elemente enthält:
- eine Bezugsspannungsquelle,
- einen Komparator, von dem ein erster Eingang mit der ersten Kondensatorklemme verbunden ist, ein zweiter Eingang mit der Bezugsspannungsquelle verbunden ist und ein Ausgang ein wesentlich binäres Vergleichssignal ausgibt, von dem ein erster bzw. ein zweiter Wert angeben, dass die Spannung am ersten Eingang kleiner bzw. größer ist als die Spannung am zweiten Eingang,
- eine zweite Stromquelle zum Ausgeben eines zweiten Stromes,
- eine Ausgangsklemme,
- einen Stromschalter zum Durchlassen des zweiten Stromes zur Ausgangsquelle in Beantwortung eines Übergangs vom ersten Wert auf den zweiten Wert des Taktsignals und zum Verhindern des Durchflusses des zweiten Stromes zur Ausgangsklemme in Beantwortung eines Übergangs vom ersten zum zweiten Wert des Vergleichssignals.
Die erste Stromquelle lädt den Kondensator mit dem ersten Strom I1 auf, während der Stromschalter den zweiten Strom I2 zum Ausgang durchlässt. Wenn die Spannung am Kondensator gleich der Bezugsspannung Vref an der Bezugsspannungsquelle beträgt, verhindert der Stromschalter dem zweiten Strom I2 den Durchgang zum Ausgang. Auf diese Weise führt der Ausgang einen mit dem Taktsignal zeitlich pulsierenden Strom, der eine Ladung dQ = (I2/I1)*C*Vref im Zeitintervall T des Taktsignals erzeugt. Die Bezugsspannungsquelle wird kaum oder gar nicht vom Komparator aufgeladen. Es ist dabei kein Puffer notwendig. Das Verhältnis zwischen den Strömen I2 und I1 kann, insbesondere bei einer integrierten Ausführung, vom Entwurf genau definiert werden. Die erste Kondensatorklemme kann an Erde gelegt werden und der Stromschalter kann eine Stromstrecke enthalten, für die keine negative Speisespannung in Bezug auf Erde erforderlich ist.
Der Komparator und der Stromschalter können auf verschiedene Weisen verwirklicht werden. Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemaßen Schaltkapazität-Ladungspumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator und der Stromschalter folgende Elemente enthalten:
Einen ersten und einen zweiten Transistor in Differentialpaaranordnung sowie einen dritten Transistor, wobei jeder Transistor eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode enthält, wobei die ersten Hauptelektroden der ersten und zweiten Transistoren mit der zweiten Stromquelle gekoppelt sind, die Steuerelektroden der ersten und zweiten Transistoren mit der ersten Kondensatorklemme bzw. mit der Bezugsspannungsquelle, die zweite Hauptelektrode des zweiten Transistors mit einer ersten Klemme zum Erzeugen eines festen Potentials, die zweite Hauptelektrode des ersten Transistors mit der Ausgangsklemme und die erste Hauptelektrode, die zweite Hauptelektrode und die Steuerelektrode des dritten Transistors mit der zweiten Hauptelektrode des ersten Transistors, mit einer zweiten Klemme zum Erzeugen eines festen Potentials bzw. mit der Taktsignalquelle gekoppelt sind.
Das Differentialpaar kombiniert die Funktionen von Komparator und Stromschalter. Infolgedessen ist die Ladungspumpe nicht nur einfach, sondern auch sehr schnell. Wenn der zweite Transistor den zweiten Strom aus dem ersten Transistor übernimmt, wird die Stromschalterfunktion nicht stufenweise, sondern allmählich ausgeführt. Jedoch ist dies nicht nachteilig. Über eine Zeit T bleibt die Ladung dQ unverändert. Der dritte Transistor laßt den Strom durch den ersten Transistor zur zweiten Klemme mit einem festen Potential beim Entladen des Kondensators über den Entladungsschalter durch. Wenn die Aufladepumpe zum Aufladen eines weiteren Kondensators benutzt wird, würde dieser weitere Kondensator vom dritten Transistor entladen werden. Dies kann mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Schaltkapazität-Ladungspumpe nach der Erfindung vermieden werden, in der der Ausgang mit der zweiten Hauptelektrode des ersten Transistors uber eine Diode gekoppelt ist. Die Diode verhindert das Entladen des weiteren Kondensators. Der gleiche Effekt kann mit einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltkapazität-Ladungspumpe verwirklicht werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator und der Stromschalter folgende Elemente enthalten:
Einen ersten und einen zweiten Transistor in einer Differentialpaaranordnung, und einen dritten Transistor, wobei jeder Transistor eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode enthält, die ersten Hauptelektroden der ersten und zweiten Transistoren mit der zweiten Stromquelle verbunden sind, die Steuerelektroden der ersten und zweiten Transistoren mit der ersten Kondensatorklemme bzw. mit der Bezugsspannungsquelle verbunden sind, die zweite Hauptelektrode des zweiten Transistors mit einer ersten Klemme zum Erzeugen eines festen Potentials, die zweite Hauptelektrode des ersten Transistors mit der ersten Hauptelektrode des dritten Transistors und die zweite Hauptelektrode und die Steuerelektrode des dritten Transistors mit der Ausgangsklemme bzw. mit der Taktsignalquelle gekoppelt sind.
Der dritte Transistor wird nunmehr mit dem ersten Transistor in Reihe geschaltet, sodass jedes Entladen eines weiteren Kondensators vermieden wird.
Die erfindungsgemäße Schaltkapazität-Ladungspumpe kann jetzt für allerhand Anwendungen benutzt werden. Kondensatoren können mit dieser Aufladepumpe mittels verhältnismäßig kleiner Ladungsanteile ohne die Verwendung von Stromquellen aufgeladen werden, die absolut geringe Stromwerte führen. In dieser Beziehung spielt in obiger Formel für dQ nur das Verhältnis zwischen dem zweiten Strom I2 zum ersten Strom I1 eine Rolle. Der Mittelwert des Ausgangsstroms der Aufladepumpe kann durch die Wahl des Verhältnisses I2/I1, des Zeitintervalls T und also auch der Frequenz f = 1/T des Taktsignals, der Kapazität C des Kondensators und/oder des Wertes Vref der Bezugsspannung bestimmt werden. Es können so lange Zeitkonstanten beispielsweise in Steuerschleifen für spannungsgesteuerte Oszillatoren verwirklicht werden.
Die Schaltkapazität-Ladungspumpe eignet sich schlechthin für Verwendung in einem Sägezahnoszillator mit folgenden Elementen:
- Einem Kondensator mit einer ersten Kondensatorklemme und einer zweiten Kondensatorklemme,
- einem ersten als Stromquelle geschalteten Transistor, von dem ein Hauptleitweg mit der ersten Kondensatorklemme zum Aufladen des Kondensators gekoppelt ist,
- einem ersten Enfladungstransistor mit einer ersten und einer zweiten Hauptelektrode, die mit der zweiten bzw. der ersten Kondensatorklemme gekoppelt sind, und mit einer Steuerelektrode in Verbindung zum Empfangen eines binären zyklischen Taktsignals zum wiederholten Entladen des Kondensators mittels Aufsteuerung und Sperrung des ersten Entladetransistors in Beantwortung eines ersten bzw. eines zweiten Wertes des Taktsignals,
- Mitteln zum Erzeugen des Taktsignals in Beantwortung einer Spannung am Kondensator.
Sägezahnoszillatoren dieser Art werden beispielsweise in Zeitgeberschaltungen verwendet. Die Mittel zum Erzeugen des Taktsignals können in der Praxis auf verschiedene Weisen angeordnet werden, aber sie enthalten immer einen Komparator zum Vergleichen der Spannung am Kondensator mit der Bezugsspannung, und dieser Komparator erzeugt ein Entladungssignal zum Zeitpunkt des Erreichens der Bezugsspannung. Durch Umschalten der Bezugsspannung oder unter Verwendung eines zusätzlichen Komparators (Fensterkomparator) und einer zweiten Bezugsspannung wird die Schaltung selbstschwingend. Die Schwingungsfrequenz wird dabei zum Beispiel von der erforderlichen Zeit zum Aufladen des Kondensators in Bezug auf die Bezugsspannung mit Hilfe des ersten Transistors bestimmt. Sogar wenn der Kondensator an sich einen genauen Wert hat, beispielsweise weil er als diskreter Bauteil mit einem weiterhin integrierten Sägezahnoszillator verbunden ist, ist die Streukapazität an der ersten Kondensatorklemme immer noch eine Ungenauigheitsquell; umsomehr wenn der externe Kondensator einen verhältnismäßig geringen Wert haben soll. Die Streukapazität Cpar wird von den Abmessungen und Eigenschaften insbesondere des ersten Transistors in der Anordnung als Stromquelle und von der Miller-Kapazität des ersten Entladungstransistors bestimmt. Außerdem spielen die Verdrahtungskapazität und die Eingangskapazität des Komparators eine Rolle, der mit der ersten Kondensatorklemme verbunden ist. Hierdurch ist die Frequenz des bekannten Sägezahnoszillators nicht ganz festgesetzt infolge von Entwurfs- und Verfahrenstoleranzen.
Die Folgen können erfindungsgemäß nunmehr dadurch verringert werden, dass der Sägezahnoszillator folgende Elemente weiter noch enthält:
- Einen zweiten Transistor vom gleichen Typ wie der erste Transistor, mit einem Hauptstromweg mit einer abgeblockten Stromübertragung,
- einen zweiten Enfladungstransistor vom gleichen Typ wie der des ersten Entladetransistors, mit einer zweiten Hauptelektrode, die in einem Knotenpunkt zum Hauptstromweg des zweiten Transistors gekoppelt ist, und eine erste Hauptelektrode sowie eine Steuerelektrode enthält, die mit der ersten Hauptelektrode bzw. mit der Steuerelektrode des ersten Entladungstransistors verbunden ist,
- eine erste mit dem Knotenpunkt gekoppelte Stromquelle zum Erzeugen eines ersten Stromes,
- eine Bezugsspannungsquelle,
- einen Komparator mit einem mit dem Knotenpunkt verbundenen ersten Eingang, mit einem mit der Bezugsspannungsquelle verbundenen zweiten Eingang und mit einem Ausgang zum Aufgeben eines wesentlich binären Vergleichssignals, von dem ein erster bzw. zweiter Wert angibt, dass die Spannung am ersten Eingang kleiner bzw. größer ist als die Spannung am zweiten Eingang,
- eine zweite Stromquelle zum Erzeugen eines zweiten Stromes,
- einen Stromschalter zum Durchlassen des zweiten Stromes zur ersten Kondensatorklemme in Beantwortung eines Übergangs vom ersten Wert auf den zweiten Wert des Taktsignals und zum Verhindern des Durchflusses des zweiten Stromes von der ersten Kondensatorklemme in Beantwortung eines Ubergangs vom ersten nach dem zweiten Wert des Vergleichssignals.
Der zweite Transistor und der zweite Entladungstransistor sind Kopien des ersten Transistors bzw. des ersten Enfladungstransistors, sodass die Streukapazität am Knotenpunkt im Wesentlichen gleich der Streukapazität an der ersten Kondensatorklemme ist. Der zweite Transistor ist derart angeordnet, dass ihn kein Strom durchfließt und dass er als blinder Bauteil arbeitet. Der zweite Transistor und der zweite Entladungstransistor mit der ersten Stromquelle, der Bezugsstromquelle, dem Komparator, der zweiten Stromquelle und dem Stromschalter zusammen bilden eine Aufiadepumpe, die mit einem wesentlich gleich großen Ausgleichsladung jene Ledung ausgleicht, die in die Streukapazität Cpar verschwinden würde. Der Effekt der Streukapazität Cpar wird dabei wesentlich beseitigt. Die Ladepumpenelemente in Verbindung mit dem Knotenpunkt, insbesondere der zweite Transistor und der zweite Entladungstransistor, können auch skalierte Ausführungen der entsprechenden Bauteile des Sägezahnoszillators sein. Hierdurch wird die Streukapazität am Knotenpunkt um einen spezifischen Skalierfaktor reduziert, aber dies kann mit einem eingestellten Verhältnis des zweiten Stromes I2 zum ersten Strom I1 ausgeglichen werden. Der Effekt der Eingangskapazität des Komparators auf die Mittel zum Erzeugen des Taktsignals können durch die Wahl eines Komparators für die Aufladepumpe entfernt werden, der eine ungefähr gleich große Eingangskapazität hat.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Funktionschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltkapazität- Ladungspumpe,
Fig. 2 Signalablaufdiagramme zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 1 dargestellten Schaltkapazität-Ladungspumpe,
Fig. 3 und Fig. 4 Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Schaltkapazität-Ladungspumpe,
Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 Einzelheiten abgewandelter Ausführungen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4, und
Fig. 8 einen Sägezähnoszillator mit einer erfindungsgemäßen Schaltkapazität-Ladungspumpe.
In dieser Zeichnung werden Bauteile oder Elemente gleicher Funktion oder Bedeutung mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
In Fig. 1 ist das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ladungspumpe dargestellt. Eine Anzahl von Signalen, deren Formen in Fig. 2 dargestellt sind, erscheinen in der Ladungspumpe. Eine erste Kondensatorklemme 2 eines Kondensators 4 ist mit einer ersten Stromquelle 6 verbunden, die den Kondensator 4 mit einem ersten Strom I1 auflädt, wobei die Kondensatorspannung Vc am Kondensator 4 zeitlich ansteigt. Die zweite Kondensatorklemme 8 ist an Erde gelegt. Die erste Kondensatorklemme 2 ist mit einem ersten Eingang 10 eines Komparators verbunden, dessen zweiter Eingang 14 an eine Bezugsspannungsquelle 16 angeschlossen ist, die eine Bezugsspannung Vref gegen Erde liefert. Der Komparator 12 hat einen Ausgang 18 zum Ausgeben eines binären Vergleichssignals Vcomp, das einen niedrigen bzw. einen hohen Wert annimmt, wenn die Kondensatorspannung Vc am ersten Eingang 10 kleiner bzw. größer ist als die Bezugsspannung Vref am zweiten Eingang 14. Der Kondensator 4 wird periodisch über einen Entladungsschalter 20 entladen, der an die erste Kondensatorklemme 2 und an die zweite Kondensatorklemme 8 angeschlossen ist. Der Entladungsschalter 20 wird von einem Taktsignal CS aus einer Taktsignalquelle 22 gesteuert, während ein hoher bzw. niedriger Wert des Taktsignals CS den Entladungsschalter schließt bzw. öffnet. Ein Stromschalter 24 enthält einen Stromeingang 26, eine Ausgangsklemme 28 zum Ausgeben eines Ausgangsstroms Iout und einen ersten Steuereingang 30 sowie einen zweiten Steuereingang 32, an die das Vergleichssignal Vcomp bzw. das Taktsignal CS angelegt wird. Der Stromeingang 26 ist mit einer zweiten Stromquelle 34 verbunden, die einen zweiten Strom I2 dem Stromschalter 24 zuführt.
Der Stromschalter 24 läßt den zweiten Strom I2 zur Ausgangsklemme 28 nach einer Rückflanke des Taktsignals CS durch, d.h. nach dem Zeitpunkt, indem der Kondensator 4 sich aus der ersten Stromquelle 6 neu auflädt Der Ausgangsstrom but hat dabei den Wert I2. Der Stromschalter 24 sperrt die Stromzufuhr zur Ausgangsklemme 28 bei einer Vorderflanke des Vergleichssignals Vcomp, d.h. wenn die Kondensatorspannung Vc die Bezugsspannung Vref übersteigt. Der Ausgangsstrom Iout fällt dabei wieder auf Null. Dieser Abfall kann sprunghaft oder allmählich vor sich gehen; der Strom Iout muß bei der folgenden Rückflanke des Taktsignals CS bei irgendeiner Geschwindigkeit auf Null gefallen sein. Der Zeitverlauf zwischen zwei Rückflanken im Taktsignal CS ist die Taktzeit T. Zwischen der Rückflanke des Taktsignals CS bis zur Vorderflanke des Vergleichssignals Vcomp fließt ein Strom I1 zum Kondensator 4, während die Kondensatorspannung Vc auf Vref ansteigt. Die Ladung dQ im Kondensator 4 ist dabei gleich C*Vref, worin C die Kapazität des Kondensators 4 ist. In dieser Zeit ist der Ausgangsstrom Iout proportional dem ersten Strom I1, da in solchem Fall folgendes gilt: Iout = I2 = (I2/I1)*I1. In jeder Taktzeit T stellt der Ausgangsstrom Iout daher einen Ladungsanteil dQ gleich dQ = C*Vref*(I2/I1) dar.
Der Abfall des Ausgangsstromes Iout vom Wert I2 auf Null kann auch einen allmählichen Verlauf haben. Wenn dieser Verlauf bei der Vorderflanke des Vergleichssignals Vcomp symmetrisch ist, beeinflußt er nicht die Größe des Ladungsanteils dQ, da das Integral des Ausgangsstroms Iout in der ganzen Taktzeit T nicht von ihr geändert wird.
In Fig. 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Ladungspumpe dargestellt. Die erste Stromquelle 6 und die zweite Stromquelle 34 aus dem Schaltbild nach Fig. 1 sind hier als PMOS-Transistor 36 und PMOS-Transistor 38 als Stromquellen angeordnet, und zusammen mit einem PMOS-Transistor 40 in Diodenanordnung bilden sie eine Stromspiegelschaltung. Die Quellen der PMOS-Transistoren 36, 38 und 40 werden an eine positive Speiseklemme 42 gelegt, und sowohl die Steuerelektroden dieser Transistoren als auch die Drain des PMOS-Transistors 40 sind mit einer Vorspannungsstromquelle 44 verbunden, die einen Strom Ib erzeugt. Durch Einskalieren der PMOS-Transistoren 36, 38 und 40 kann das gegenseitige Verhältnis zwischen dem Strom I1 durch den PMOS-Transistor 36 und dem Strom I2 durch den PMOS-Transistor 38 bestimmt werden. Die Drain-Elektrode des PMOS-Transistors 36 wird mit der ersten Kondensatorklemme 2 des Kondensators 4 verbunden, dessen zweite Kondensatorklemme 8 an Erde gelegt wird. Der Entladungsschalter 20 aus dem Blockschaltbild nach Fig. 1 wird als NMOS-Transistor 46 angeordnet, dessen Source, Drain und Gate mit der zweiten Kondensatorklemme 8, mit der ersten Kondensatorklemme 2 bzw. mit der Taktsignalquelle 22 zum Empfangen des Taktsignals CS verbunden werden. Die Ladungspumpe enthält außerdem eine Bezugsspannungsquelle 16 und einen Komparator 12, der gleich denen in Fig. 1 angeordnet werden. Der Stromschalter 24 nach Fig. 1 enthält die PMOS-Transistoren 48 und 50 und den NMOS-Transistor 52. Die Quellen der PMOS-Transistoren 48 und 50 werden mit der Drain-Elektrode des PMOS-Transistors 38 verbunden. Die Steuerelektrode des PMOS- Transistors 48 wird mit dem Ausgang 18 des Komparators 12 verbunden. Die Steuerelektrode des PMOS-Transistors 50 wird mit dem Ausgang 18 über eine Umkehrstufe 54 verbunden, sodass nur eine von beiden PMOS-Transistoren 48 und 50 leitet. Die Drain-Elektrode des PMOS-Transistors 48 wird mit dem Ausgang 28 verbunden und die Drain-Elektrode des PMOS-Transistors 50 wird an Erde gelegt. Die Source-, Drain- und Steuerelektroden des NMOS-Transistors 52 werden an Erde gelegt, bzw. mit der Drainelektrode des PMOS-Transistors 48 und dem Taktsignalgenerator 22 verbunden, um das Taktsignal CS zu erhalten. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass das Vergleichssignal Vcomp beim Entladen des Kondensators 4 niedrig wird, sodass der Strom I2 vom PMOS-Transistor 48 an die Ausgangsklemme 28 gelangt. Der NMOS- Transistor 52 schließt jedoch die Stromversorgung nach Erde kurz, wenn der Kondensator 4 sich entlädt. Dies ergibt, dass der Strom Iout an der Ausgangsklemme 28 die Form nach Fig. 2 annimmt.
Das Ausführungssbeispiel der Ladungspumpe nach Fig. 3 kann dadurch vereinfacht werden, dass die PMOS-Transistoren 48 und 50 die Möglichkeit haben, sowohl als Komparator als auch als Stromschalter zu arbeiten. Das Ergebnis ist in Fig. 4 dargestellt. Die Steuerelektrode des PMOS-Transistors 48 wird jetzt direkt an die erste Kondensatorklemme 2 angeschlossen, und die Steuerelektrode des PMOS- Transistors 40 wird mit der Bezugsspannungsquelle 16 direkt verbunden. Ein von der Ladungspumpe mit den Ladungsanteilen dQ aufgeladener Kondensator 56 wird beispielsweise an den Ausgang 28 angeschlossen. In diesem Fall verhindert eine Diode 58, dass der Kondensator 56 sich ungewollt über den NMOS-Transistor 52 entlädt. Sobald der Kondensator 56 sich aufgeladen hat, kann er wieder nach Bedarf mittels Ladungsanteile dQ wieder entladen werden. Dies erfolgt über die NMOS-Transistoren 60, 62 und 64 und den Wählschalter 66. Die NMOS-Transistoren 62 und 64 sind als Stromspiegel angeordnet, während die Drainelektrode des NMOS-Transistors 64, die als Ausgang des Stromspiegels arbeitet, mit der Ausgangsklemme 28 verbunden wird. Die Drainelektrode des NMOS-Transistors 62, die als Eingang des Stromspiegels arbeitet, wird mit der Drainelektrode des PMOS-Transistors 48 über den Hauptstromweg des NMOS-Transistors 60 verbunden. Die Steuerelektrode des NMOS-Transistors 60 kann mit Hilfe des Wählschalters 66 an Erde gelegt werden (Position a) oder mit der positiven Speiseklemme 42 verbunden werden (Position b). In der Position b leitet der NMOS-Transistor 60 und der Strom I2 duchfließt den Stromspiegel zur Ausgangsklemme 28, sodass der Kondensator 56 sich entlädt. In Position a ist der Stromspiegel außer Betrieb und der Kondensator 56 ist aufgeladen.
In Fig. 5 ist eine erste Abwandlung der Schaltung nach Fig. 4 dargestellt, in der die Drainelektrode des PMOS-Transistors 48 über den Hauptstromweg eines PMOS-Transistors 68 an die Ausgangsklemme 28 angeschlossen ist. Die Steuerelektrode des PMOS-Transistors 68 ist mit dem Taktsignal CS verbunden, sodass dieser Transistor als Reihenschaltung dient, der die Stromversorgung zur Ausgangsklemme 28 abblockt, wenn der Kondensator 4 sich entlädt.
In Fig. 6 ist eine zweite Abwandlung der Schaltung nach Fig. 4 dargestellt. Das Abblocken der Stromzufuhr zur Ausgangsklemme 28 erfolgt jetzt mit Hilfe eines NMOS-Transistors 70, dessen Source-, Drain- und Steuerelektroden an Erde gelegt, bzw. mit der Drainelektrode des PMOS-Transistors 38 und dem Taktsignal CS verbunden sind.
In Fig. 7 ist eine dritte Abwandlung der Schaltung nach Fig. 4 dargestellt. Das Abblocken der Stromzufuhr zur Ausgangsklemme 28 erfolgt hier mit Hilfe eines PMOS-Transistors 72, dessen Source-, Drain- und Steuerelektroden mit der Drainelektrode des PMOS-Transistors 38, mit den Source-Elektroden der PMOS- Transistoren 48 und 50 bzw. mit dem Taktsignal CS verbunden sind. Außerdem ist hier dargestellt, dass der Strom Iout mit Hilfe eines Stromspiegels 74 nach Bedarf abgezweigt werden kann.
In Fig. 8 ist ein Sägbezahnoszillator dargestellt, in dem die Ladungspumpe ausgenutzt wird. Der momentane Sägezahnoszrnator ist vom Typ nach dem Stand der Technik und enthält einen PMOS-Transistor 80 in Stromquellenanordnung, einen Kondensator 82, der eine erste Kondensatorklemme 84 und eine zweite Kondensatorklemme 86 enthält, einen NMOS-Transistor 88 zum Entladen des Kondensators 82, eine Bezugsspannungsquelle 90 und einen Taktsignalgenerator 92, der ein Taktsignal CS erzeugt. Der Taktsignalgenerator 92 enthält einen Komparator 94 zum Vergleichen der Spannung an der ersten Kondensatorklemme 84 mit der Bezugsspannung Vref der Bezugsspannungsquelle 90. Der Komparator 94 triggert einen monostabilen Generator 96, dessen Ausgangssignal als Taktsignal dient. Statt des Komparators 94 und des monostabilen Generators 96 kann auf andere Weise ein Fensterkomparator in bekannter Weise verwendet werden. Die Source- und Drain-Elektroden des PMOS-Transistors 80 werden mit der ersten Kondensatorklemme 84 bzw. mit der positiven Speiseklemme 42 verbunden. Die Steuerelektrode des PMOS-Transistors 80 kann mit einer Spannung genauso versorgt werden, wie die für den PMOS-Transistor 36 nach Fig. 3. Die zweite Kondensatorklemme 86 ist mit Erde verbunden. Die Drain-, Source- und Steuerelektroden des NMOS-Transistors 88 werden mit der zweiten Kondensatorklemme 86, mit der ersten Kondensatorklemme 84 bzw. mit dem Taktsignal CS des Taktsignal-25 generators 92 verbunden. Die Taktzeit T und also auch die Frequenz des Sägezahnoszillators werden beispielsweise anhand der erforderlichen Zeit zum Aufladen des Kondensators 82 bis zum Bezugsspannungspegel Vref bestimmt. Der Aufladestrom Ich des PMOS-Transistors 80 in Stromquellenanordnung gelangt nicht nur zum Kondensator 82, sondern auch teilweise zu einem Streukondensator 98 in der ersten Kondensatorklemme 84. Die Taktzeit T wird also länger als erwartet sein. Dieser Effekt ist offensichtlicher, wenn die Kapazität des Streukondensators 98 nicht länger in Bezug auf die Kapazität des Kondensators 82 übersehen werden kann. Die Streukapazität wird u.a. aus der Ausgangskapazität des PMOS-Transistors 80, aus der Miller-Kapazität des NMOS-Transistors 88 und aus der Verdrahtungskapazität gebildet.
Die Ladungspumpe enthält den NMOS-Transistor 46, die erste Stromquelle 6, den Komparator 12, die zweite Stromquelle 34 und den Stromschalter 24, die zwischen Erde und der positiven Speiseklemme 42 genauso verbunden sind, wie die nach Fig. 1 und 3. Die Ausgangsklemme 28 ist mit der ersten Kondensatorklemme 84 verbunden. Der NMOS-Transistor 46 ist in einem Knotenpunkt 100 mit der ersten Stromquelle 6, dem ersten Eingang 10 des Komparators 12 und mit der Drainelektrode eines PMOS-Transistors 102 verbunden, dessen Source- und Steuerelektroden mit der positiven Speiseklemme 42 verbunden sind. Der PMOS-Transistor 102 ist eine Kopie des PMOS-Transistors 80, beliefert den Knotenpunkt 100 jedoch nicht mit Speisestrom. Der NMOS-Transistor 46 ist eine Kopie des NMOS-Transistors 88. Die Kapazität des Streukondensators 104 am Knotenpunkt 100 wird dabei im Wesentlichen gleich der Kapazität des Streukondensators 98 der ersten Kondensatorklemme 84. Der Streukondensator 98 wird bis zum Bezugsspannungspegel Vref aufgeladen. Unter Verwendung derselben Bezugsspannung in der Ladungspumpe wird der Streukondensator 104 eine gleiche Ladung haben wie der Streukondensator 98. Durch Zuleiten des Stromes Iout zur ersten Kondensatorklemme 84 wird die Ladung, die sonst in den Streukondensator 98 fließen würde, für die Ladungspumpe ausgeglichen. Auf diese Weise wird der Einfluß des Streukondensators stark verringert.
Die Ladungspumpe kann mit Hilfe der bereits dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele verwirklicht werden. Wenn die Ladungspumpe nach Fig. 4 verwendet wird, werden die Diode 58 und die Transistoren 60, 62 und 64 überflüssig. Das gilt auch für den NMOS-Transistor 52, weil der NMOS-Transistor 88 dieselbe Funktion hat. Wenn die Ladungspumpe nach Fig. 6 verwendet wird, wird die Diode 58 überflüssig.
Durch die Wahl der Komparatoren 94 und 12 vom gleichen Typ wird die gegenseitige Gleichheit der Streukondensatoren 98 und 104 sogar weiter vergrößert so wie die Genauigkeit, mit der der Einfluß des Streukondensators 98 verringert wird. Der NMOS-Transistor 46 und der PMOS-Transistor 102 können ebenfalls skalierte Ausführungsformen der entsprechenden Transistoren 88 und 80 sein. Gleiches ist möglich mit den Komparatoren 94 und 12. Die gleichzeitige Kapazitätsverringerung des Streukondensators 104 kann durch die Wahl eines geeigneten Verhältnisses zwischen den Strömen I2 und I1 eingestellt werden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele Statt oder in Verbindung mit den dargestellten Unipolartransistoren können auch Bipolartransistoren verwendet werden, wobei dann der Emitter, der Kollektor und die Basis die Source-, Drain- und Steuerelektroden ersetzen.

Claims

1. Schaltkapazität-Ladungspumpe mit

- einem Kondensator (4) mit einer ersten Kondensatorklemme (2) und einer zweiten Kondensatorklemme (8),

- mit der ersten Kondensatorklemme (2) gekoppelten Ladungsmitteln (6) zum Aufladen des Kondensators (4),

- einem mit der ersten Kondensatorklemme (2) und mit der zweiten Kondensatorklemme (8) gekoppelten Ladungsschalter (20) zum wiederholten Entladen des Kondensators (4) durch Schließen und Öffnen des Entladungsschalters (20) in Beantwortung eines ersten bzw. zweiten Wertes eines zyklischen Binäraktsignals (CS) aus einer Taktsignalquelle (22),

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Auflademittel eine erste mit der ersten Kondensatorklemme (2) gekoppelte Stromquelle (6) zum Ausgeben eines ersten Stroms (I1) zum Kondensator (4) enthalten, und dass die Schaltkapazität-Ladungspumpe außerdem folgende Elemente enthält:

- eine Bezugsspannungsquelle (16),

- einen Komparator (12), von dem ein erster Eingang (10) mit der ersten Kondensatorklemme (2) verbunden ist, ein zweiter Eingang (14) mit der Bezugsspannungsquelle (16) verbunden ist und ein Ausgang (18) ein wesentlich binäres Vergleichssignal (Vcomp) ausgibt, von dem ein erster bzw. ein zweiter Wert angeben, dass die Spannung (Vc) am ersten Eingang (10) kleiner bzw. größer ist als die Spannung am zweiten Eingang (14),

- eine zweite Stromquelle (34, 38) zum Ausgeben eines zweiten Stromes (I2),

- eine Ausgangsklemme (28),

- einen Stromschalter (24) zum Durchlassen des zweiten Stromes (I2) zur Ausgangsquelle (28) in Beantwortung eines Übergangs vom ersten Wert auf den zweiten Wert des Taktsignals (CS) und zum Verhindern des Durchflusses des zweiten Stromes (I2) zur Ausgangsklemme (28) in Beantwortung eines Übergangs vom ersten zum zweiten Wert des Vergleichssignals (Vcomp).

2. Schaltkapazität-Ladungspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (12) und der Stromschalter (24) folgende Elemente enthalten: Einen ersten Transistor (48) und einen zweiten Transistor (50) in Differentialpaaranordnung sowie einen dritten Transistor (52), wobei jeder Transistor eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode enthält, wobei die ersten Hauptelektroden des ersten Transistors (48) und des zweiten Transistors (50) mit der zweiten Stromquelle (38) gekoppelt sind, die Steuerelektroden des ersten Transistors (48) und des zweiten Transistors (50) mit der ersten Kondensatorklemme (2) bzw. mit der Bezugsspannungsquelle (16), die zweite Hauptelektrode des zweiten Transistors (50) mit einer ersten Klemme (8) zum Erzeügen eines festen Potentials, die zweite Hauptelektrode des ersten Transistors (48) mit der Ausgangsklemme (28) und die erste Hauptelektrode, die zweite Hauptelektrode und die Steuerelektrode des dritten Transistors (52) mit der zweiten Hauptelektrode des ersten Transistors (48), mit einer zweiten Klemme (8) zum Erzeugen eines festen Potentials bzw. mit der Taktsignalquelle (22) gekoppelt sind.

3. Schaltkapazität-Ladungspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (12) und der Stromschalter (24) folgende Elemente enthalten: Einen ersten Transistor (48) und einen zweiten Transistor (50) in Differentialpaaranordnung sowie einen dritten Transistor (52), wobei jeder Transistor eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode enthält, wobei die ersten Hauptelektroden des ersten Transistors (48) und des zweiten Transistors (50) mit der zweiten Stromquelle (38) gekoppelt sind, die Steuerelektroden des ersten Transistors (48) und des zweiten Transistors (50) mit der ersten Kondensatorklemme (2) bzw. mit der Bezugsspannungsquelle (16), die zweite Hauptelektrode des zweiten Transistors (50) mit einer ersten Klemme zum Erzeugen eines festen Potentials (8), die zweite Hauptelektrode des ersten Transistors (48) mit der ersten Hauptelektrode des dritten Transistors (68), und die zweite Hauptelektrode und die Steuerelektrode des dritten Transistors (68) mit der Ausgangsklemme (28) bzw. mit der Taktsignalquelle (22) gekoppelt sind.

4. Schaltkapazität-Ladungspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (12) und der Stromschalter (24) folgende Elemente enthalten: Einen ersten Transistor (48) und einen zweiten Transistor (50) in Differentialpaaranordnung sowie einen dritten Transistor (70), wobei jeder Transistor eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode enthält, wobei die ersten Hauptelektroden des ersten Transistors (48) und des zweiten Transistors (50) mit der zweiten Stromquelle (38) an einem Knotenopunkt gekoppelt sind, die Steuerelektroden des ersten Transistors (48) und des zweiten Transistors (50) mit der ersten Kondensatorklemme (2) bzw. mit der Bezugsspannungsquelle (16), die zweite Hauptelektrode des zweiten Transistors (50) mit einer ersten Klemme zum Erzeugen eines festen Potentials (8), die zweite Hauptelektrode des ersten Transistors (48) mit der Ausgangsklemme (28), und die erste Hauptelektrode, die zweite Hauptelektrode und die Steuerelektrode des dritten Transistors (70) mit dem Knotenpunkt, mit einer zweiten Klemme (8) zum Erzeugen eines festen Potentials bzw. mit der Taktsignalquelle (22) gekoppelt sind.

5. Schaltkapazität-Ladungspumpe nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (28) über eine Diode (58) mit der zweiten Hauptelektrode des ersten Transistors (48) verbunden ist.

6. Sägezahnoszillator mit folgenden Elementen:

- Einem Kondensator (82) mit einer ersten Kondensatorklemme (84) und einer zweiten Kondensatorklemme (86),

- einem ersten als Stromquelle geschalteten Transistor (80), von dem ein Hauptleitweg mit der ersten Kondensatorklemme (84) zum Aufladen des Kondensators (82) gekoppelt ist,

- einem ersten Entladungstransistor (88) mit einer ersten und einer zweiten Hauptelektrode, die mit der zweiten Kondensatorklemme (86) bzw. mit der ersten Kondensatorklemme (84) gekoppelt sind, und mit einer Steuerelektrode in Verbindung zum Empfangen eines binären zyklischen Taktsignals (CS) zum wiederholten Entladen des Kondensators (82) mittels Aufsteuerung und Sperrung des ersten Endadetransistors (88) in Beantwortung eines ersten bzw. eines zweiten Wertes des Taktsignals (CS),

- Mitteln (92) zum Erzeugen des Taktsignals (CS) in Beantwortung einer Spannung am Kondensator (82), dadurch gekennzeichnet, daß der Sägezahnoszillator folgende Elemente weiter noch enthält:

- Einen zweiten Transistor (102) vom selben Typ wie der erste Transistor (80), mit einem Hauptstromweg mit einer abgeblockten Stromübertragung,

- einen zweiten Entladungstransistor (46) vom selben Typ wie der des ersten Entladetransistors (88), mit einer zweiten Hauptelektrode, die in einem Knotenpunkt (100) zum Hauptstromweg des zweiten Transistors (102) gekoppelt ist, und eine erste Hauptelektrode sowie eine Steuerelektrode enthält, die mit der ersten Hauptelektrode bzw. mit der Steuerelektrode des ersten Enfladungstransistors (88) verbunden ist,

- eine erste mit dem Knotenpunkt (100) gekoppelte Stromquelle (6) zum Erzeugen eines ersten Stromes (I1),

- eine Bezugsspannungsquelle (90),

- einen Komparator (12) mit einem mit dem Knotenpunkt (100) verbundenen ersten Eingang (10), mit einem mit der Bezugsspannungsquelle (90) verbundenen zweiten Eingang (14) und mit einem Ausgang (18) zum Ausgeben eines wesentlich binären Vergleichssignals (Vcomp), von dem ein erster bzw. zweiter Wert angibt, dass die Spannung am ersten Eingang (10) kleiner bzw. größer ist als die Spannung am zweiten Eingang (14),

- eine zweite Stromquelle (34) zum Erzeugen eines zweiten Stromes (I2),

- einen Stromschalter (24) zum Durchlassen des zweiten Stromes (I2) zur ersten Kondensatorklemme (84) in Beantwortung eines Übergangs vom ersten Wert auf den zweiten Wert des Taktsignals (CS) und zum Verhindern des Durchflusses des zweiten Stromes (12) von der ersten Kondensatorklemme (84) in Beantwortung eines Übergangs vom ersten nach dem zweiten Wert des Vergleichssignals (Vcomp).