JP2002044935A - チヤージポンプ回路 - Google Patents

チヤージポンプ回路

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JP2002044935A
JP2002044935A JP2000221800A JP2000221800A JP2002044935A JP 2002044935 A JP2002044935 A JP 2002044935A JP 2000221800 A JP2000221800 A JP 2000221800A JP 2000221800 A JP2000221800 A JP 2000221800A JP 2002044935 A JP2002044935 A JP 2002044935A
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春彦 西尾
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Abstract

(57)【要約】 【課題】クロックCLによりNOT回路N1,N2、レ
ベルシフタLS等を経て生成される互いに逆位相のクロ
ックφ,φ’B(Bはバー)で図外のMOSトランジス
タスイッチをゲート駆動して開閉し、直流入力電源Vi
nによって充電されたコンデンサC11の電荷をコンデ
ンサC21に転送することを繰り返すことで、C21に
本例では入力電圧Vinの−1倍の出力電圧Vout1
を生成して外部負荷へ供給するチヤージポンプ回路CP
1の負荷電流増加のためにC21等の容量を増してもV
out1の立上がり遅れを防ぐ。 【解決手段】チヤージポンプ回路CP1とは別に、コン
デンサ容量C12,C22が小さくてすむチャージポン
プ回路CP2を設けてその出力電圧Vout2を素早く
生成させ、チャージポンプ回路CP1,CP2のMOS
トランジスタのゲート駆動に用いることでCP1のMO
Sスイッチのオン抵抗も速く減少しコンデンサの充電を
早める。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路な
どに組み込まれるチヤージポンプ回路、即ちMOSトラ
ンジスタからなるスイッチを介して入力電源電圧により
コンデンサを充電してその充電電荷を他のコンデンサに
転送する動作を繰り返すことにより、入力電源電圧のほ
ぼ整数倍で、且つ入力電源電圧とは異なる電圧の出力を
得て外部の負荷に供給する回路に関するもので、特に出
力負荷電流の増加に応じてコンデンサ容量を増加して
も、出力電圧の立上がり時間の遅れを防ぎ得るようにし
たチヤージポンプ回路に関する。なお以下各図において
同一の符号は同一もしくは相当部分を示す。
【0002】
【従来の技術】図5はチャージポンプ回路の一例の概念
図である。同図においてVinは外部の直流電源からこ
のチャージポンプ回路へ供給される入力電圧、Vout
はこのチャージポンプ回路から外部の負荷へ供給される
出力電圧である。またSW1,SW4とSW2,SW3
とは、それぞれ互いに逆位相のクロック信号ΦとΦB
(但しΦBのBは信号Φの反転を示すバーを意味するも
のとする)を制御信号として開閉される半導体スイッ
チ、C1,C2はこれらの半導体スイッチSW1〜SW
4によって電荷の転送が行われるコンデンサである。
【0003】図5の回路の動作を述べると、クロック信
号Φが有効な(Hとする)フェーズではクロック信号Φ
Bは無効(L)であり、スイッチSW1,SW4がオ
ン、SW2,SW3がオフとなり、コンデンサC1が入
力電圧VinによりスイッチSW1側を正極として充電
される。次にクロック信号ΦBが有効な(Hの)フェー
ズではクロック信号Φは無効(L)であり、スイッチS
W1,SW4がオフ、SW2,SW3がオンとなって、
クロック信号Φの有効フェーズで溜まったコンデンサC
1の電荷がスイッチSW2側(従ってグランドGND
側)を正極としてコンデンサC2にCl,C2の容量比
に応じて分配される。
【0004】この動作を繰り返すことでコンデンサC2
の両端電圧としての出力電圧Voutは、入力電圧Vi
nのマイナス1倍の電圧に収束して行く。図8はスイッ
チSW1〜SW4のこのような開閉動作が開始されたの
ち、出力電圧Voutが立上がって収束する様子の例
を、クロック信号Φと共に示す。図4はチャージポンプ
回路の別の例の概念図である。同図の回路の動作を述べ
ると、クロック信号Φの有効なフェーズでは、スイッチ
SW1,SW4がオン、SW2,SW3がオフとなり、
コンデンサC1が入力電圧VinによりSW1側を正極
として充電される。
【0005】次にクロック信号ΦBの有効なフェーズで
は、スイッチSW1,SW4がオフ、SW2,SW3が
オンとなって、コンデンサC2には入力電圧Vinとコ
ンデンサC1の電圧が加わる形で印加され、このとき直
列となったコンデンサC1,C2の入力電圧Vinによ
る充電動作と、クロック信号Φの有効なフェーズで溜ま
ったコンデンサC1の電荷がコンデンサC2にCl,C
2の容量比に応じて分配される動作とが行われ、コンデ
ンサC2にはスイッチSW3側を正極とする充電が行わ
れる。
【0006】この動作を繰り返すことでコンデンサC2
の両端電圧としての出力電圧Voutは、入力電圧Vi
nの2倍の電圧に収束して行く。チャージポンプ回路と
してはこの他にも、出力電圧Voutが入力電圧Vin
の他の整数倍となるものが考えられる。この種のチャー
ジポンプ回路は半導体スイッチとしてMOSトランジス
タを用いた場合、その電圧降下が小さいので特に入力電
圧Vinとは異なる低電圧の電源を簡単に作るのに利用
される。
【0007】図6は図5の概念図を具体的な回路にした
図である。図6のチャージポンプ回路CPにおいて、1
と2はそれぞれ図5のスイッチSW1とSW2に対応す
るスイッチトランジスタとしてのPchMOSFETと
NchMOSFETであり、図6の3と4はそれぞれ図
5のスイッチSW3とSW4に対応するスイッチトラン
ジスタとしてのNchMOSFETである。
【0008】図6にはφとφ’B(Bはバーを意味す
る)の2つのクロック信号が記入されているが、φと
φ’Bは位相が互いに反転したクロック信号で、φ’B
はロジック電圧(つまり入力電圧Vin)の振幅を持
ち、φは図7で後述するように(入力電圧Vin)−
(出力電圧Vout)の振幅を持つクロック信号であ
る。(尚、φ’Bをφと同じ振幅にする例もある)。
【0009】図6ではNOT回路7,8は、(入力電圧
Vin)−(出力電圧Vout)を電源入力とし、(入
力電圧Vin)−(出力電圧Vout)の振幅を持つク
ロック信号φを順次縦続して反転しており、MOSトラ
ンジスタスイッチ3と4はそれぞれNOT回路7と8の
出力信号、従って電圧(Vin−Vout)の振幅を持
つ駆動信号によって開閉される。
【0010】なお、MOSトランジスタスイッチ4の基
板に接続されたNchMOSFET5と6は、MOSス
イッチ4がオンする場合とオフする場合とで、MOSス
イッチ4の主電極間の電圧が反転するため、MOSスイ
ッチ4の基板電位を、MOSスイッチ4のグランドGN
D側と非グランドGND側の主電極の電位に切り替える
役割を持つ。
【0011】即ち、MOSスイッチ4のオン(3のオ
フ)時、従ってNOT回路8の出力がH(つまり端子V
inの電位)で、NOT回路7の出力がL(つまり端子
Voutの電位)の時にはトランジスタ5がオフ、6が
オンとなってMOSスイッチ4の基板電位をグランドG
NDの電位とする。また、MOSスイッチ4のオフ(3
のオン)時、従ってNOT回路8の出力がL(つまり端
子Voutの電位)で、NOT回路7の出力がH(つま
り端子Vinの電位)の時にはトランジスタ5がオン、
6がオフとなってMOSスイッチ4の基板電位をその非
グランドGND側主電極の電位とすることで、MOSス
イッチ4の機能を維持する。
【0012】図7は図6のチャージポンプ回路CPを用
いた従来の電源回路の例を示す。但し図7のチャージポ
ンプ回路CPには図6のコンデンサC1とC2が外付の
形で示されている。図7においては、縦続接続のNOT
回路N1とN2がクロック信号CLを入力して、互いに
位相が反転したロジック電圧(つまり入力電圧Vin)
の振幅のクロック信号N1aとN2aを生成し、レベル
シフタLSへの入力とすると同時にクロック信号N1a
を図6に記したクロック信号φ’Bとする。
【0013】また、レベルシフタLSはさらに入力電圧
Vinと出力電圧Voutを入力し、図6で述べた電圧
(Vin−Vout)の振幅を持つクロック信号φを生
成する。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】図5のスイッチSW1
〜SW4が開閉動作を続ける定常状態において、クロッ
ク信号Φの1周期(Tとする)毎に、コンデンサC1,
C2(容量を一般にCとする)が入力電源Vin側から
受取り、負荷側へ転送する電荷は、コンデンサC1の電
荷転送毎の電圧変化分(充電後電圧−放電後電圧)をΔ
Vとすると、C・ΔVであり、この電荷は負荷電流をI
とすると、周期Tの期間に負荷側に流れる電荷I・Tに
対応する。ここで、電圧変化分ΔVは一定の許容レベル
に納める必要があるから、I∝C/T と考えることが
できる。
【0015】従って、負荷電流Iを大きくするために
は、クロック周期(換言すれば電荷転送周期)Tを小さ
くするかコンデンサ容量Cを大きくする必要があるが、
現実には後者の方法がとられる。また、スイッチSW1
〜SW4自身はMOSトランジスタなどで構成されるた
め実際的な半導体のサイズからして有限な抵抗値を持
つ。この抵抗をRとすると、スイッチSW1〜SW4を
介するコンデンサCの充電時間は時定数τ=C・Rに比
例するので実用的な電圧を得るにはτ=C・R<<Tに
設定する必要がある。
【0016】ところで、負荷電流Iを増やすためにコン
デンサ容量Cを増やすと、τ<<Tの条件が崩れてくる
ので、チャージポンプ回路が起動して後、出力電圧Vo
utが規定電圧に達するまでの立上がり時間が長くなっ
てくる。この様子を図9に示す。例えばコンデンサ容量
Cが1倍の出力電圧Voutの立上がりカーブaに対し
て、コンデンサ容量Cが2倍の立上がりカーブbの場
合、図のように時間△t分、立上がり時間が増大する。
【0017】チャージポンプ回路を内蔵するICの低消
費電力化の一方法として、チャージポンプ回路を必要な
時だけ起動し、間欠的に用いる方法がある。この時、間
題となるのは起動時間が掛かることである。また、上記
したことから明白なように原理的に電流をとる用途では
コンデンサ容量Cを大きくする必要があり、そのため立
上がり時間がより長くなるという問題がある。
【0018】本発明は、この問題を解消し、コンデンサ
容量を増加しても立上がり時間を短くすることができる
チャージポンプ回路を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに請求項1のチャージポンプ回路は、少なくとも直流
入力電源(Vin)によって充電されたコンデンサ(C
11,C12など)の電荷をMOSトランジスタからな
る複数のスイッチ(MOSトランジスタ11〜41、1
2〜42など)を介して他のコンデンサ(C21,C2
2など)に転送することを周期的に繰り返すことによ
り、出力段を形成するコンデンサ(C21,C22な
ど)の両端に入力電源の電圧のほぼ整数倍で、且つ入力
電源の電圧とは異なる(−1倍、2倍などの)電圧を生
成して出力電源(Vout1,Vout2)とする回路
としての、第1、第2のチヤージポンプ回路(CP1、
CP2)を備え、第1のチヤージポンプ回路の出力電源
(Vout1)が外部の負荷に供給され、第2のチヤー
ジポンプ回路の出力電源(Vout2)が前記第1及び
第2のチヤージポンプ回路内の前記スイッチの少なくと
も所定のいずれか(31,32、41,42など)のゲ
ートの駆動に用いられるようにする。
【0020】また請求項2のチヤージポンプ回路では、
請求項1に記載のチヤージポンプ回路において、前記第
2のチヤージポンプ回路の出力段のコンデンサを、駆動
対象のMOSトランジスタのゲートに寄生する容量とす
る。また請求項3のチヤージポンプ回路は、請求項1ま
たは2に記載のチヤージポンプ回路において、半導体集
積回路の少なくとも一部を構成するようにする。
【0021】本発明の作用は次の如くである。即ち、外
部負荷への出力電圧Vout1を生成する第1のチャー
ジポンプ回路CP1とは独立に、小容量のコンデンサを
用いて構成できる第2のチャージポンプ回路CP2を設
け、これを素早く立上げることで、チャージポンプ回路
CP2に生成される出力電圧Vout2をチャージポン
プ回路CP1のMOSトランジスタのゲート駆動に用い
るようにし、これにより、このMOSスイッチトランジ
スタのオン抵抗を速く低下させ、外部負荷へ大きな負荷
電流を供給するためにチャージポンプ回路CP1のコン
デンサ容量を大きくしても、チャージポンプ回路CP1
の立上がり時間を早め得るようにするものである。
【0022】
【発明の実施の形態】予め本発明の原理を説明する。チ
ャージポンプ回路の立上がり時間を短縮するためにコン
デンサ容量の充電時間を定めるMOSスイッチトランジ
スタの抵抗に着目すると、MOSトランジスタのオン抵
抗Ronは、MOSトランジスタのゲート・ソース間電
圧をVGS、同じくしきい値電圧をVth、同じくドレイ
ン・ソース間電圧をVDSとすると、次式(1)で表さ
れ、式(1)はさらに次式(1A)で近似することがで
きる。
【0023】
【数1】 Ron=1/K(VGS−Vth−VDS/2) ・・・(1) ≒1/K・VGS ・・・(1A) 但し、Kは定数である。
【0024】式(1A)から、MOSスイッチトランジ
スタのオン抵抗Ronを小さくするには、換言すればコ
ンデンサ容量の充電時間を短縮し、チャージポンプ回路
の立上がり時間を短縮するためにはMOSスイッチトラ
ンジスタのゲート・ソース間電圧VGSを充分大きくすれ
ばよいことがわかる。このような観点で図6,図7の従
来回路を見ると、MOSスイッチトランジスタ1,2,
4のオン時のゲート・ソース間電圧VGSは入力電圧Vi
nに等しく一定であるが、MOSスイッチトランジスタ
3のオン時のゲート・ソース間電圧V GSは(入力電圧V
in)−(出力電圧Vout)の振幅を持つ。
【0025】注)MOSスイッチトランジスタ4のオン
時のゲート駆動信号の振幅は(入力電圧Vin)−(出
力電圧Vout)であるが、ゲート駆動信号の電位は入
力電圧Vinのレベルであり、MOSトランジスタ4の
ソースがグランドGNDの電位であるため、実質のゲー
ト・ソース間電圧VGSは電圧Vinとなる。このゲート
電圧VGS=(入力電圧Vin)−(出力電圧Vout)
が十分に上がってくる前はMOSトランジスタ3のオン
抵抗Ronは充分小さくはならず、従ってその充電時定
数C・Ronも小さくはなく、チャージポンプ回路の立
上がり時間も長くなってしまう。
【0026】そこで本発明では、外部負荷への出力電圧
Vout1を生成するチャージポンプ回路CP1とは独
立に、チャージポンプ回路CP1のMOSトランジスタ
のゲート駆動のための出力電圧Vout2を生成するよ
うな、従って駆動負荷が小さいことから使用するコンデ
ンサの容量が小さくてすむ、チャージポンプ回路CP2
を設けてこれを素早く立上げるようにする。
【0027】図1は本発明の一実施例としてのチャージ
ポンプ回路を用いた電源回路の構成を示す。同図におい
ては、図6のチャージポンプ回路CPに対応する2つの
チャージポンプ回路CP1とCP2が設けられている。
図1において、外部の負荷へ電流を供給する本来のチャ
ージポンプ回路はCP1でその出力電圧はVout1で
あり、チャージポンプ回路CP2の出力電圧Vout2
はチャージポンプ回路CP1およびCP2のMOSスイ
ッチトランジスタのゲート駆動のみに用いられる。
【0028】チャージポンプ回路CP2とCP1の内部
の構成はそれぞれ図2と図3に示される。ここで図2の
12,22,・・・82の各手段は、それぞれ図6の
1,2,・・・8の各手段に対応しており、また図2の
コンデンサC12,C22はそれぞれ図6のコンデンサ
C1,C2に対応している。同様に図3の11,21,
・・・81の各手段は、それぞれ図6の1,2,・・・
8の各手段に対応しており、また図3のコンデンサC1
1,C21はそれぞれ図6のコンデンサC1,C2に対
応している。
【0029】但し図1では、図2と図3のコンデンサC
12,C22とC11,C21がそれぞれチャージポン
プ回路CP2とCP1の外付コンデンサの形で示されて
いる。チャージポンプ回路CP1とCP2へ供給される
クロック信号のうちφ’Bは、図7と同様にNOT回路
N1の出力N1aとしてのロジック電圧(つまり入力電
圧Vin)の振幅の信号で、それぞれチャージポンプ回
路CP1内のMOSトランジスタ11,21及びチャー
ジポンプ回路CP2内のMOSトランジスタ12,22
のゲートに与えられる。
【0030】他方、チャージポンプ回路CP1とCP2
へ供給されるクロック信号φは、チャージポンプ回路C
P2の出力電圧Vout2がレベルシフタLSに与えら
れることによって、レべルシフタLSから(入力電圧V
in)−(出力電圧Vout2)の振幅の信号としてそ
れぞれチャージポンプ回路CP1内のNOT回路71と
チャージポンプ回路CP2内のNOT回路72への入力
信号となる。
【0031】また、チャージポンプ回路CP1内のNO
T回路71,81及びチャージポンプ回路CP2内のN
OT回路72,82は(入力電圧Vin)−(出力電圧
Vout2)を電源電圧として入力し、NOT回路7
1,81はそれぞれチャージポンプ回路CP1内のMO
Sトランジスタ31,41,51,61のゲートを駆動
する電圧(Vin−Vout2)の振幅の信号を生成
し、同様にNOT回路72,82はそれぞれチャージポ
ンプ回路CP2内のMOSトランジスタ32,42,5
2,62のゲートを駆動する電圧(Vin−Vout
2)の振幅の信号を生成する。
【0032】この電圧(Vin−Vout2)の振幅の
信号が速く立上がることが望まれる訳であるが、チャー
ジポンプ回路CP2に使用されるコンデンサC12,C
22は、チャージポンプ回路CP2の最終負荷がチャー
ジポンプ回路CP1,CP2及びレベルシフタLS内の
各種のMOSトランジスタのゲートなので、チップ内に
作れる程度の小さな容量ですむ。
【0033】特に出力電圧Vout2が現れるコンデン
サC22については、この独立のコンデンサC22を省
略し、出力電圧Vout2によって駆動される負荷のM
OSトランジスタのゲート寄生容量をコンデンサC22
と見做すようにすることもできる。これにより従来回路
に比してチャージポンプ回路CP2が速く立上がるた
め、チャージポンプ回路CP1の出力端子Vout1か
ら外部負荷へ供給される電流をコンデンサC11,C2
1の容量を増加することにより増やしても、チャージポ
ンプ回路CPlの特にMOSスイッチトランジスタ31
のオン抵抗Ronを速やかに低下させることができるの
で、チャージポンプ回路CPlを従来より早く立上げる
ことができる。
【0034】
【発明の効果】本発明によれば、外部負荷への出力電圧
Vout1を生成する第1のチャージポンプ回路CP1
とは独立に、小容量のコンデンサで構成できる第2のチ
ャージポンプ回路CP2を設け、その出力電圧Vout
2を素早く生成させてチャージポンプ回路CP1のMO
Sトランジスタのゲート駆動に用いるようにしたので、
チャージポンプ回路CP1のMOSスイッチトランジス
タのオン抵抗を速やかに低下させることができ、外部負
荷への供給電流を大きくするためにチャージポンプ回路
CP1のコンデンサ容量を大きくしても、チャージポン
プ回路CP1の立上がり時間を従来より早めることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例としての電源回路の構成を示
すブロック回路図
【図2】図1のチャージポンプ回路CP2の内部の構成
例を示す回路図
【図3】図1のチャージポンプ回路CP1の内部の構成
例を示す回路図
【図4】チャージポンプ回路の一例の概念図
【図5】チャージポンプ回路の別の例の概念図
【図6】図5のチャージポンプ回路の従来の具現例を示
す回路図
【図7】図6のチャージポンプ回路を用いた従来の電源
回路の構成例を示すブロック回路図
【図8】チャージポンプ回路のクロックと出力電圧の立
上がりの例を示す波形図
【図9】チャージポンプ回路の負荷容量による出力電圧
の立上がり時間の違いの例を示す波形図
【符号の説明】
11,21〜61、12,22〜62 MOSスイ
ッチトランジスタ 71,72,81,82 NOT回路 C11,C12,C21,C22 コンデンサ CP1,CP1 チャージポ
ンプ回路 N1,N2 NOT回路 LS レベルシフ
タ Vin 入力電圧 Vout1,Vout2 出力電圧 CL,φ,φB クロック信

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも直流入力電源によって充電され
    たコンデンサの電荷をMOSトランジスタからなる複数
    のスイッチを介して他のコンデンサに転送することを周
    期的に繰り返すことにより、 出力段を形成するコンデンサの両端に入力電源の電圧の
    ほぼ整数倍で、且つ入力電源の電圧とは異なる電圧を生
    成して出力電源とする回路としての、第1、第2の2つ
    のチヤージポンプ回路を備え、 第1のチヤージポンプ回路の出力電源が外部の負荷に供
    給され、第2のチヤージポンプ回路の出力電源が前記第
    1及び第2のチヤージポンプ回路内の前記スイッチの少
    なくとも所定のいずれかのゲートの駆動に用いられるこ
    とを特徴とするチヤージポンプ回路。
  2. 【請求項2】請求項1に記載のチヤージポンプ回路にお
    いて、 前記第2のチヤージポンプ回路の出力段のコンデンサ
    を、駆動対象のMOSトランジスタのゲートに寄生する
    容量としたことを特徴とするチヤージポンプ回路。
  3. 【請求項3】請求項1または2に記載のチヤージポンプ
    回路において、 半導体集積回路の少なくとも一部を構成することを特徴
    とするチヤージポンプ回路。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012525206A (ja) * 2009-04-29 2012-10-22 プロテウス バイオメディカル インコーポレイテッド 移植可能なデバイスのためのリード線のための方法および装置
JP2017076752A (ja) * 2015-10-16 2017-04-20 東都興業株式会社 二端子定電流制御装置
JP2021071438A (ja) * 2019-11-01 2021-05-06 株式会社ミツトヨ エンコーダ及びエンコーダの検出ヘッド

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