JP2006500898A - フィボナッチ数増倍を有する電荷ポンプ - Google Patents

Abstract

電荷ポンプは複数のコンデンサを含み、これらのコンデンサが交互に充電され、かつ直列に接続されている。直列に接続されたとき、所定のコンデンサにかかる電圧はその負端子の電圧と前段のコンデンサにかかる電圧とに等しい。

Description

本発明は、一般的には電荷ポンプの分野に関し、より詳しくは、フィボナッチ数列による電圧増大を実行するように配置されたステージを有する電荷ポンプに関する。

電荷ポンプは、スイッチングプロセスを用いて、その直流入力電圧より大きな直流出力電圧を提供する。一般に、電荷ポンプは入力と出力との間のスイッチに接続されたコンデンサを有する。一つのクロックハーフサイクル、充電ハーフサイクルの間、コンデンサは入力に並列に接続して、入力電圧まで充電する。第２のクロックサイクル、転送ハーフサイクルの間、充電されたコンデンサは入力電圧と直列に接続して、入力電圧のレベルの二倍の出力電圧を提供する。図１Ａおよび１Ｂにこのプロセスが例示されている。図１Ａでは、コンデンサ５は、充電ハーフサイクルを例示するために、入力電圧Ｖ_INと並列に配置されている。図１Ｂでは、充電されたコンデンサ５は、転送ハーフサイクルを例示するために、入力電圧と直列に配置されている。従って、図１ｂから分かるように、充電したコンデンサ５の正端子は接地に対して２^＊Ｖ_INになる。

前述した一般的な電荷ポンプは、入力電圧ＶＣＣの二倍を超えない出力電圧を提供する。その全体が本願明細書において参照により援用されている米国特許第５，４３６，５８７号（特許文献１）には、電圧加算ステージとそれに続く複数の電圧二倍化ステージとを有し、これらのステージがＶＣＣの二倍より著しく高い出力電圧が得られるようにカスケード接続される電荷ポンプが開示されている。電圧加算ステージは出力電圧信号あたりコンデンサを１個だけ用いるが、電圧二倍化ステージは各出力電圧信号あたり２個のコンデンサを必要とするため、製造コストが増大する。しかし、すべての電圧二倍化ステージを電圧加算ステージで置き換えると、直列抵抗が実質的に増大してしまうことになる。

従って、当該分野において、ステージあたり１個のコンデンサだけを必要とする効率的な電荷ポンプが必要とされている。
米国特許第５，４３６，５８７号

本発明の一つの態様によれば、電荷ポンプは複数の電圧ステージを含み、各電圧ステージはコンデンサを含む。動作時には、電荷ポンプはコンデンサを充電し、第１の電圧ステージの充電されたコンデンサの正端子が第２の電圧ステージの充電されたコンデンサの負端子に接続されるなどのようにコンデンサを直列に接続する。電荷ポンプは、１より大きい整数ｋに対して、第ｋ番目の電圧ステージのコンデンサにかかる電圧が実質的にその負端子の電圧と第（ｋ−１）番目の電圧ステージのコンデンサにかかる電圧とに等しくなるようにコンデンサを充電する。

本発明の別の態様によれば、電圧を発生させる方法には、複数のコンデンサを交互に充電し、複数の充電されたコンデンサを直列に接続する動作が含まれる。充電されたコンデンサは、複数のコンデンサのうちの第１のコンデンサの正端子が複数のコンデンサのうちの第２のコンデンサの負端子に接続するなどのように直列に接続される。コンデンサは、１より大きい整数ｋに対して、そのコンデンサにかかる電圧が実質的にその負端子の電圧と第（ｋ−１）番目のコンデンサにかかる電圧とに等しくなるように充電される。

以下の説明および図面によって、本発明のその他の態様および利点を開示する。

本発明のさまざまな態様および特徴は、添付の図面を検討することによってさらに理解が深まるものと考えられる。

本発明は、ステージあたり１個のコンデンサを用いる電荷ポンプを提供する。各ステージは、各ステージによって発生される電圧信号および整数の増大がフィボナッチ数列の一部分に従うように、電源電圧を整数倍する。フィボナッチ数列では、数列中の第ｋ番目の数（ともに１に等しい一番目および二番目の数を除く）は第（ｋ−１）番目の数と第（ｋ−２）番目の数との和に等しくなる。従って、あるフィボナッチ数列は、１，１，２，３，５，８，１３，２１などである。

次に、図２を参照して、６個のステージＡからＦを有する電荷ポンプ１０の例を示す。ステージがどのクロック信号を受け取るかによってステージを編成することもできる。ステージＡからＣが、クロック信号ＣＬＫを受け取る一方で、ステージＤからＦは、クロック補信号ＣＬＫＢＡＲを受け取る。両方のクロック信号は、接地（ロー（ＬＯＷ））と入力電源電圧ＶＣＣ（ハイ（ＨＩＧＨ））との間で振動させてもよい。代わりに、クロック信号のハイ状態はＶＣＣとは異なるようにしてもよい。このハイ状態の振幅が制御の対象であるトランジスタを切り替えるために十分であることが重要な点である。一般性を失うことなく、ＣＬＫ信号はローである第１のクロックハーフサイクルで始まり、ハイである第２のクロックハーフサイクルと続き、次いでローである第３のクロックハーフサイクルに続くなどのように仮定することができる。従って、奇数番目のクロックハーフサイクルの間、ＣＬＫ信号はローであり、偶数番目のクロックハーフサイクルの間、ＣＬＫ信号はハイである。同様に、ＣＬＫＢＡＲ信号は、奇数番目のクロックハーフサイクルの間、ハイであり、偶数番目のクロックハーフサイクルの間、ローである。

各ステージの構造を同じものとすることができる。例えば、ステージＡ内では、ｐ−ｍｏｓＦＥＴ１２のソースとｎ−ｍｏｓＦＥＴ１４のドレインは、コンデンサ１６の負端子に接続している。コンデンサ１６の正端子は、ｎ−ｍｏｓＦＥＴ１８のソースに接続している。ステージＤでは、ｐ−ｍｏｓＦＥＴ２０のソースとｎ−ｍｏｓＦＥＴ２２のドレインは、コンデンサ２４の負端子に接続している。コンデンサ２４の正端子は、ｎ−ｍｏｓＦＥＴ２６のソースに接続している。ステージＢでは、ｐ−ｍｏｓＦＥＴ２８のソースとｎ−ｍｏｓＦＥＴ３０のドレインは、コンデンサ３２の負端子に接続している。コンデンサ３２の正端子は、ｎ−ｍｏｓＦＥＴ３４のソースに接続している。ステージＥでは、ｐ−ｍｏｓＦＥＴ３６のソースとｎ−ｍｏｓＦＥＴ３８のドレインは、コンデンサ４０の負端子に接続している。コンデンサ４０の正端子は、ｎ−ｍｏｓＦＥＴ４２のソースに接続している。ステージＣでは、ｐ−ｍｏｓＦＥＴ４４のソースとｎ−ｍｏｓＦＥＴ４６のドレインは、コンデンサ４８の負端子に接続している。コンデンサ４８の正端子は、ｎ−ｍｏｓＦＥＴ５０のソースに接続している。最後に、ステージＦでは、ｐ−ｍｏｓＦＥＴ５２のソースとｎ−ｍｏｓＦＥＴ５４のドレインは、コンデンサ５６の負端子に接続している。コンデンサ５６の正端子は、ｎ−ｍｏｓＦＥＴ５８のソースに接続している。

ステージＡからＣ内のコンデンサ１６、３２および４８は、ＣＬＫ信号の奇数ハーフサイクルで、直列に接続する。この時間の間、直列に接続されたコンデンサからの電圧を用いて、ステージＤからＦ内のコンデンサ２４、４０および５６を充電している。同様に、ステージＤからＦ内のコンデンサ２４、４０および５６は、ＣＬＫ信号の偶数ハーフサイクルで、直列に接続する。これらの偶数ハーフサイクルの間、直列に接続されたコンデンサからの電圧を用いて、ステージＡからＣ内のコンデンサ１６、３２および４８を充電している。

図３は、直列接続および充電ハーフサイクルを例示する。明瞭にするために、各電圧ステージ内のコンデンサだけを示し、対応する文字ＡからＦによって特定する。ＣＬＫ信号の偶数ハーフサイクルの間、ステージＡからＣのコンデンサを、ＶＣＣ、３^＊ＶＣＣおよび８^＊ＶＣＣボルトにそれぞれ充電する。ＣＬＫ信号の奇数ハーフサイクルの間、これらの充電されたコンデンサが直列に接続され、電圧ステージＡのコンデンサの負端子がＶＣＣに充電される。その結果、ステージＡからＣのコンデンサの正端子の電圧は、それぞれ２^＊ＶＣＣ、５^＊ＶＣＣおよび１３^＊ＶＣＣボルトになる。この奇数ハーフサイクルの間、これらの同じ電圧を用いて、ステージＤからＦのコンデンサを充電する。従って、ステージＤのコンデンサは２^＊ＶＣＣに充電され、ステージＥのコンデンサは５^＊ＶＣＣに充電され、ステージＦのコンデンサは（後述するように、ダイオードドロップを差し引いた）１３^＊ＶＣＣボルトに充電される。

同様に、ＣＬＫ信号の偶数ハーフサイクルの間、ステージＤからＦの充電されたコンデンサは、直列に接続される。ステージＤの充電されたコンデンサの負端子は、ＶＣＣボルトに充電される。その結果、ステージＤからＦのコンデンサの正端子の電圧は、それぞれ３^＊ＶＣＣ、８^＊ＶＣＣおよび２１^＊ＶＣＣボルトになる。次いで、これらの電圧を用いて、残りのステージを以下のように充電する。ステージＡは「開始」ステージなので、ステージＤからＦからの充電電圧を受け取らない代わりに、ＶＣＣボルトに充電される。しかし、ステージＤからの電圧は、ステージＢのコンデンサを３^＊ＶＣＣボルトに充電し、ステージＥからの電圧は、ステージＣのコンデンサを８^＊ＶＣＣボルトに充電する。

ステージが直列に接続されるとき、このように作り出された電圧によるパターンに留意されたい。明瞭にするために、ＶＣＣ項は無視して、１，２^＊ＶＣＣを２などのようにＶＣＣは表記される。ステージＡについてコンデンサの負端子から開始すると、このノードは、１である。ステージＡのコンデンサにかかる電圧は、別の１である。ステージＡのコンデンサの正端子の電圧は、２を提供する。各コンデンサについて、コンデンサの負端子の電圧、コンデンサにかかる電圧、およびコンデンサの正端子の電圧を続けて順に挙げると、ステージＡからＣについて、１，１，２，３，５，８，と１３のパターンが発生することに続いて留意されたい。この数列は、前述したように、フィボナッチ数列の一部分を形成する。ステージＤからＦについて観測された電圧も同様である。すなわち、１，２，３，５，８，１３，と２１である。この数列も第２の「１」から始まるフィボナッチ数列の一部分を形成する。

これらの電圧は、以下の方法で作り出される。再び図２を参照すると、ステージＡについてＣＬＫ信号の奇数ハーフサイクル（この信号がローのとき）の間、ｎ−ｍｏｓトランジスタ１４はオフとなり、ｐ−ｍｏｓトランジスタ１２はオンとなる。従って、コンデンサ１６の負端子はＶＣＣに充電される。コンデンサ１６は既にＶＣＣに充電されていたと仮定すると、コンデンサ１６の正端子の電圧信号Ｖ２１は実質的に２^＊ＶＣＣに等しくなる。電圧信号Ｖ２１は、ＣＬＫ信号の奇数ハーフハーフサイクルでは２^＊ＶＣＣに等しく、ＣＬＫ信号の偶数ハーフサイクルでは１^＊ＶＣＣに等しいので、Ｖ２１と表示される。類似の信号も、第１の数がＣＬＫ信号の奇数ハーフサイクルではＶＣＣの倍数に等しく、第２の数が偶数ハーフサイクルでは倍数に等しいので、同じ術語に従うこととする。コンデンサ１６はＶＣＣに充電されていたが、電荷共有、容量結合、および／または漏れおよびその他の関連するプロセスによって電荷が失われることは当業者にとっては明らかである。従って、本願明細書中で用いられている所定の電圧レベルに「実質的に等しい」とは任意のそのような損失を含むものであることが理解されよう。ステージＤでは、ＣＬＫ信号の奇数ハーフサイクルの間、クロック補信号ＣＬＫＢＡＲはハイになり、それによりｎ−ｍｏｓＦＥＴ２２をオンに切り替え、ｐ−ｍｏｓＦＥＴ２０をオフに切り替える。従って、コンデンサ２４の負端子の電圧信号Ｖ０１は接地に引き寄せられる。同様に、ステージＥおよびＦの電圧信号Ｖ０３およびＶ０８も接地される。

次に、電圧信号Ｖ０１はステージＢのｐ−ｍｏｓトランジスタ２８のゲートを制御し、それによりこのトランジスタをオンに切り替え、コンデンサ３２の負端子の信号Ｖ２０を電圧２^＊ＶＣＣに引き寄せる。コンデンサ３２が既に３^＊ＶＣＣに充電されていたと仮定すると、コンデンサ３２の正端子の電圧信号Ｖ５３は実質的に５^＊ＶＣＣに等しくなる。ステージＣでは、ｎ−ｍｏｓＦＥＴ４６がＣＬＫ信号のロー状態からオフに切り替えられていれば、ローである電圧信号Ｖ０３はｐ−ｍｏｓＦＥＴ４４をオンに切り替え、電圧信号Ｖ５３がコンデンサ４８の負端子の電圧信号Ｖ５０を５^＊ＶＣＣに充電することを可能にする。コンデンサ４８が８^＊ＶＣＣに充電されていたと仮定すると、コンデンサ４８の正端子の電圧信号Ｖ１３−８は実質的に１３^＊ＶＣＣに等しくなる。このように、ＣＬＫ信号の奇数ハーフサイクルの間、ステージＡ、ＢおよびＣのコンデンサ１６、３２および４８は、それぞれ直列に接続される。

図３に関連して説明したように、ＣＬＫ信号の奇数ハーフサイクルの間、これらの直列に接続されたコンデンサからの電圧を用いて、残りのステージのコンデンサを充電する。例えば、ステージＤでは、ｎ−ｍｏｓＦＥＴ２６は、電圧信号Ｖ２１をそのドレインで受け取る。このＦＥＴは、電圧信号Ｖ５０をそのゲートで受け取るので、オンに切り替えられ、コンデンサ２４をその接地された負端子に対して２^＊ＶＣＣに充電する。すると、電圧信号Ｖ２３も、２^＊ＶＣＣに充電される。同様に、ステージＥでは、ｎ−ｍｏｓＦＥＴは、電圧信号Ｖ１３−８をそのゲートで受け取るので、オンに切り替えられ、電圧信号Ｖ５３がコンデンサ４０をその接地された負端子に対して５^＊ＶＣＣに充電することを可能にする。すると、電圧信号Ｖ５８も、５^＊ＶＣＣに充電される。最後に、ステージＦでは、ダイオード接続されたｎ−ｍｏｓＦＥＴ５８は、電圧信号Ｖ１３−８によってオンに切り替えられ、この電圧信号がコンデンサ５６をその接地された負端子に対して（ダイオードドロップを差し引いた）１３^＊ＶＣＣに充電することを可能にする。すると、電圧信号Ｖ１３−２１も、１３^＊ＶＣＣに充電される。

同様に、ＣＬＫ信号の偶数ハーフサイクルの間、ステージＤ、ＥおよびＦのコンデンサ２４、４０および５６は、それぞれ直列に接続される。これらの偶数ハーフサイクルの間、ＣＬＫＢＡＲ信号はローになり、それによりｎ−ｍｏｓＦＥＴ２２、３８および５４をオフに切り替え、直列に接続されたコンデンサの対応する負端子が接地されることを防ぐ。同時に、ＣＬＫ信号はハイ状態なので、ステージＡ、ＢおよびＣのｎ−ｍｏｓＦＥＴ１４、３０および４６が、それぞれオンに切り替えられ、それによりコンデンサ１６、３２および４８の対応する負端子の信号Ｖ１０、Ｖ２０およびＶ５０を接地に引き寄せる。ステージＤでは、ｐ−ｍｏｓＦＥＴ２０がオンに切り替えられ、電源電圧ＶＣＣがコンデンサ２４の負端子の信号Ｖ０１をＶＣＣに充電することを可能にする。コンデンサ２４は２^＊ＶＣＣに充電されているので、コンデンサ２４の正端子の電圧信号Ｖ２３はこの時点で実質的に３^＊ＶＣＣに等しくなる。トランジスタ２６は、そのゲートを制御する信号Ｖ５０がロー状態なので、オフに切り替えられ、電圧信号Ｖ２３がこのトランジスタを通して後方に放電することを防ぐ。次いで、電圧信号Ｖ２３は、ステージＥのｐ−ｍｏｓＦＥＴ３６のソースに接続する。このトランジスタは、この時点でローである電圧信号Ｖ２０をそのゲートで受け取るので、ｐ−ｍｏｓＦＥＴ３６はオンに切り替えられ、コンデンサ４０の負端子の信号Ｖ０３を３^＊ＶＣＣに充電する。コンデンサ４０が既に５^＊ＶＣＣに充電されているとすると、コンデンサ４０の正端子の電圧信号Ｖ５８は実質的に８^＊ＶＣＣに等しくなる。ｎ−ｍｏｓＦＥＴ４２が、電圧信号Ｖ１３−８の電圧８^＊ＶＣＣによってオフに切り替えられているので、電圧信号Ｖ５８はｎ−ｍｏｓＦＥＴ４２を通して後方へ放電することはない。次いで、電圧信号Ｖ５８は、ステージＦのｐ−ｍｏｓＦＥＴ５２のソースに接続される。このトランジスタは、電圧信号Ｖ５３のロー状態をそのゲートで受け取るので、オンに切り替えられ、それによりコンデンサ５６の負端子の電圧信号Ｖ０８を８^＊ＶＣＣに充電する。コンデンサ５６は、（トランジスタ５８のダイオードドロップを差し引いた）１３^＊ＶＣＣに充電されているので、コンデンサ５６の正端子の電圧信号Ｖ１３−２１は実質的に２１^＊ＶＣＣに等しくなる。ダイオード接続されたトランジスタ５８のソースがそのドレインより高い電位にあるとすると、ダイオード接続されたトランジスタ５８はオフに切り替えられ、電圧信号Ｖ１３−２１がこのトランジスタを通して後方へ放電することを防ぐ。

図３に関連して説明したように、ＣＬＫ信号の偶数ハーフサイクルの間、ステージＤおよびＥの直列に接続されたコンデンサからの電圧を用いて、ステージＢおよびＣのコンデンサを充電する。開始ステージであるステージＡは、この時点で供給電圧ＶＣＣを用いてそのコンデンサ１６を以下のように充電する。電圧信号Ｖ０８の電位８^＊ＶＣＣを、ｎ−ｍｏｓトランジスタ１８のゲートに接続し、それによりｎ−ｍｏｓトランジスタ１８をオンに切り替え、電圧信号Ｖ２１をＶＣＣに導き、コンデンサ１６をその接地端子に対してＶＣＣに充電する。同様に、電圧信号Ｖ０８は、ステージＢのｎ−ｍｏｓＦＥＴ３４もオンに切り替え、電圧信号Ｖ２３がコンデンサ３２をその接地端子に対して３^＊ＶＣＣに充電することを可能にし、電圧信号Ｖ５３も３^＊ＶＣＣに導く。最後に、電圧信号Ｖ１３−２１が、ステージＣのｎ−ｍｏｓＦＥＴ５０をオンに切り替え、電圧信号Ｖ５８がコンデンサ４８を８^＊ＶＣＣに充電することを可能にし、電圧信号Ｖ１３−８も８^＊ＶＣＣに導く。偶数および奇数クロックハーフサイクルの両方の間、ｐ−ｍｏｓＦＥＴ２８、３６、４４および５２ならびにｎ−ｍｏｓＦＥＴ１８、２６、３４、４２および５０に対するすべてのゲート信号はすべて自己発生していることに留意されたい。しかし、ステージＦのｎ−ｍｏｓＦＥＴ５８は問題を提起している。ここで、ＣＬＫ信号の奇数ハーフサイクルの間、コンデンサ５６は１３^＊ＶＣＣに充電される。従って、この充電プロセスの間、ｎ−ｍｏｓＦＥＴ５８をオンに切り替えたままにしておくために、１３^＊ＶＣＣとしきい値電圧のゲート電圧とが必要になる。しかし、この時点では、１３^＊ＶＣＣの電圧が電荷ポンプ１０から得られる最高電圧である。従って、一つの解決方法は、このトランジスタを例示するようにダイオード接続することである。代わりに、別の出力ステージ（図示せず）を実装して、１３^＊ＶＣＣと（少なくとも）しきい値電圧とでゲート制御電圧を提供することもできる。例えば、米国特許第５，４３６，５８７号（特許文献１）には、電圧信号Ｖ１３−２１を受け取り、適するゲート制御電圧を提供するように変更可能な出力ステージが開示されている。このような実施形態は追加の構成部品を必要とするが、図２の電圧信号Ｖ１３−２１によって起こったダイオードドロップの問題は免れる。

図２および３を検討すると、任意の１／２クロックサイクルの間、任意の数Ｎの直列に接続されたコンデンサを有する電荷ポンプを構築するために一般化を行うことができる。このような電荷ポンプでが、Ｎ個のステージからなる第１の複数のステージが、第１ステージ、第２ステージなどを含み、各ステージはコンデンサを含んでいる。Ｎ個のステージからなる第２の複数のステージは、第（Ｎ＋１）番目のステージで始まり、第（Ｎ＋２）番目のステージなどが続き、各ステージもコンデンサを含んでいる。クロック信号の奇数ハーフサイクルの間、第１のステージのコンデンサの正端子は、第２のステージのコンデンサの負端子に接続するなどのように接続している。クロック信号の偶数ハーフサイクルの間、第（Ｎ＋１）番目のステージのコンデンサの正端子は、第（Ｎ＋２）番目のステージのコンデンサの負端子に接続するなどのように接続している。第１の複数のステージのうちの第２のステージ以降および第２の複数のステージの第（Ｎ＋２）番目のステージ以降に関して、あるステージの任意の所定のコンデンサにかかる電圧は、実質的に所定のコンデンサの負端子の電圧と前段のステージのコンデンサにかかる電圧とに等しい。奇数ハーフサイクルの間、第１の複数のステージのコンデンサの正端子の電圧を用いて、第２の複数のステージの対応するコンデンサを充電する。言い換えると、第１のステージのコンデンサの正端子の電圧は、第（Ｎ＋１）番目のステージのコンデンサを充電し、第２のステージのコンデンサの正端子の電圧は、第（Ｎ＋２）番目のステージのコンデンサを充電するなどのように充電している。偶数ハーフサイクルの間、第（Ｎ＋１）番目のステージのコンデンサの正端子の電圧が、第２のステージのコンデンサを充電するなどのように充電するので、第（２^＊Ｎ−１）番目のステージのコンデンサの正端子の電圧は、第Ｎ番目のステージのコンデンサを充電することになる。

図２の電荷ポンプ１０に関連して前述したように、適切なゲート電圧を提供するために、このような配置の最終ステージが、発生電圧中にダイオードドロップを招来するダイオード接続されたトランジスタ、あるいは追加の構成部品を必要とする出力ステージのいずれかを必要とすることがある。いずれの代替案も回避するために、第１の複数のステージのうちの第Ｎ番目のステージおよび第２の複数のステージのうちの第２^＊Ｎ番目のステージを変更して、各変更されたステージが他のステージにゲート電圧を提供するようにする。このような実施形態では、第２^＊Ｎ番目のステージは、ダイオードドロップを招来せず、あるいは追加の出力ステージも必要としない。

次に、図４を参照すると、電荷ポンプ７０はこの変形例を示している。ステージＡからＦは、図２に関連して前述したように、同じ構成部品を有することができる。ここで、ステージＡからＦのコンデンサは、ＣＬＫ信号の奇数ハーフサイクルの間、コンデンサＡからＣは直列に接続し、直列に接続されたコンデンサからの電圧を用いて残りのコンデンサを充電するという意味で、前と同様に直列に接続される。同様に、ＣＬＫ信号の偶数ハーフサイクルの間、コンデンサＤからＦは直列に接続し、これらの直列に接続されたコンデンサからの電圧を用いて残りのコンデンサを充電する。しかし、ステージＣおよびＦのコンデンサは、前述したようには充電されない。

この差異を例示するために、図４の電荷ポンプ７０の直列接続および充電ハーフサイクルを図５に示す。明瞭にするために、各電圧ステージ内のコンデンサだけを示し、対応する文字ＡからＦによって特定する。ＣＬＫ信号の偶数ハーフサイクルの間、ステージＡからＣのコンデンサは、ＶＣＣ、３^＊ＶＣＣおよび３^＊ＶＣＣボルトにそれぞれ充電される。ＣＬＫ信号の奇数ハーフサイクルの間、これらの充電されたコンデンサは直列に接続され、電圧ステージＡのコンデンサの負端子はＶＣＣに充電される。その結果、ステージＡからＣのコンデンサの正端子の電圧は、それぞれ２^＊ＶＣＣ、５^＊ＶＣＣおよび８^＊ＶＣＣボルトになる。この奇数ハーフサイクルの間、これらの同じ電圧を用いて、ステージＤからＦのコンデンサを充電する。しかし、ステージＣのコンデンサの正端子の８^＊ＶＣＣ電圧は用いない。その代わりに、ステージＢのコンデンサの正端子の５^＊ＶＣＣ電圧を二度用いる。従って、ステージＤのコンデンサは２^＊ＶＣＣに充電され、ステージＥのコンデンサは５^＊ＶＣＣに充電され、ステージＦのコンデンサは５^＊ＶＣＣボルトに充電される。

同様に、ＣＬＫ信号の偶数ハーフサイクルの間、ステージＤからＦの充電されたコンデンサは、直列に接続される。ステージＤの充電されたコンデンサの負端子は、ＶＣＣボルトに充電される。その結果、ステージＤからＦのコンデンサの正端子の電圧は、それぞれ３^＊ＶＣＣ、８^＊ＶＣＣおよび１３^＊ＶＣＣボルトになる。次いで、これらの電圧を用いて、残りのステージを以下のように充電する。ステージＡは「開始」ステージなので、ステージＤからＦからの充電電圧を受け取らない代わりに、ＶＣＣボルトに充電される。しかし、ステージＤからの電圧は、ステージＢおよびＣのコンデンサを３^＊ＶＣＣボルトにそれぞれ充電する。前のハーフサイクル中でステージＣからの電圧を用いなかったのと同じように、最終ステージＦからの電圧を充電には用いなかった。

ステージが直列に接続されるとき、このように作り出された電圧によるパターンに留意されたい。図３に関連して説明したように、ＶＣＣ項は無視して、１，２^＊ＶＣＣを２などのようにＶＣＣは表記される。ステージＡについてコンデンサの負端子から開始すると、このノードは、１である。ステージＡのコンデンサにかかる電圧は、別の１である。ステージＡのコンデンサの正端子の電圧は、２を提供する。各コンデンサについて、コンデンサの負端子の電圧、コンデンサにかかる電圧、およびコンデンサの正端子の電圧を続けて順番に挙げると、ステージＡからＢについて、１，１，２，３，５のパターンが発生することに続いて留意されたい。この数列は、前述したように、フィボナッチ数列の一部分を形成する。ステージＤからＥについて観測される電圧も同様である。すなわち、１，２，３，５，８である。この数列も、第２の「１」から始まるフィボナッチ数列の一部分を形成する。最終ステージＣおよびＦは、図２の表現に対して変更されているので、これらのステージからの電圧はどちらの場合にもフィボナッチ数列を継続しない。

再び図４を参照すると、ステージＡ、ＤおよびＢのコンデンサ１６、２４および３２の充電は、図２と関連して説明したように、それぞれ行なわれる。ＣＬＫ信号の奇数ハーフサイクルの間、ステージＢからの電圧信号Ｖ５３は、ステージＤのコンデンサ４０の負端子に接続している。コンデンサ４８は、その負端子に対して５^＊ＶＣＣに充電されていると仮定すると、この時点でコンデンサ４８の正端子の電圧信号Ｖ８３は実質的に８^＊ＶＣＣに等しくなる。電圧信号Ｖ８３は、ｎ−ｍｏｓＦＥＴ４２のゲートに接続し、それによりｎ−ｍｏｓＦＥＴ４２をオンに切り替えるので、ステージＢからの電圧信号Ｖ５３はコンデンサ４０をその接地された負端子に対して５^＊ＶＣＣに充電することができる。すると、コンデンサ４０の正端子の電圧信号Ｖ５８も、５^＊ＶＣＣに等しくなる。ステージＥから、電圧信号Ｖ８３の８^＊ＶＣＣ電圧によってオンに切り替えられたｎ−ｍｏｓＦＥＴ５８を通して接続し、電圧信号Ｖ５８を用いてステージＦのコンデンサ５６を充電する。ダイオード接続されたトランジスタがまったく必要なくなり、それによりコンデンサ５６のための充電電圧中のダイオードドロップが完全に取り除かれる点に留意されたい。この時点で、コンデンサ５６の負端子は、オンに切り替えられたｎ−ｍｏｓＦＥＴ５４を通して接地に引き寄せられる。

ＣＬＫ信号の偶数ハーフサイクルの間、ステージＤのコンデンサ２４の正端子の電圧信号Ｖ２３は、実質的に３^＊ＶＣＣに等しくなる。この電圧信号は、ステージＢのコンデンサ３２およびステージＣのコンデンサ４８の両方を充電する。電圧信号Ｖ５８は、実質的に８^＊ＶＣＣに等しくなり、ステージＦの充電されたコンデンサ５６の負端子に接続される。従って、この時点で、電圧信号Ｖ５−１３は、実質的に１３^＊ＶＣＣに等しくなる。

図４および５を検討すると、任意の１／２クロックサイクルの間、任意の数Ｎの直列に接続されたコンデンサを有する電荷ポンプを構築するために、一般化を行なうことがあり、その場合、第Ｎ番目のコンデンサからの電圧を他のコンデンサを充電するためには使用しない。このような電荷ポンプでは、Ｎ個のステージからなる第１の複数のステージは第１のステージ、第２のステージなどを含み、各ステージはコンデンサを含む。Ｎ個のステージからなる第２の複数のステージは、第（Ｎ＋１）番目のステージで始まり、第（Ｎ＋２）番目のステージなどが続き、各ステージもコンデンサを含む。クロック信号の奇数ハーフサイクルの間、第１のステージのコンデンサの正端子は、第２のステージのコンデンサの負端子に接続するなどのように接続している。クロック信号の偶数ハーフサイクルの間、第（Ｎ＋１）番目のステージのコンデンサの正端子は、第（Ｎ＋２）番目のステージのコンデンサの負端子に接続するなどのように接続している。奇数ハーフサイクルの間、第１の複数のステージのコンデンサの正端子の電圧を用いて、第２の複数のステージの対応するコンデンサを充電している。言い換えると、第（Ｎ−１）番目のステージのコンデンサの正端子の電圧が、第（２^＊Ｎ−１）番目の電圧ステージのコンデンサを充電するまで、第１のステージのコンデンサの正端子の電圧は、第（Ｎ＋１）番目のステージのコンデンサを充電し、第２のステージのコンデンサの正端子の電圧は、第（Ｎ＋２）番目のステージのコンデンサを充電するなどのように充電している。ここで、パターンは破られるので、第（２^＊Ｎ）番目の電圧ステージのコンデンサは、（第Ｎ番目の電圧ステージではなく）第（Ｎ−１）番目の電圧ステージのコンデンサの正端子からも充電電圧を受け取る。

偶数ハーフサイクルの間、第（２^＊Ｎ−２）番目の電圧ステージのコンデンサの正端子の電圧が、第（Ｎ−１）番目の電圧ステージのコンデンサを充電するまで、第１の電圧ステージは、電源電圧ＶＣＣから充電し、第（Ｎ＋１）番目のステージのコンデンサの正端子の電圧は、第２のステージのコンデンサを充電し、第（Ｎ＋２）番目のステージのコンデンサの正端子の電圧は、第３のステージのコンデンサを充電するなどのように充電している。ここで、パターンは破られるので、第Ｎ番目の電圧ステージのコンデンサは、（第（２^＊Ｎ−１）番目のステージではなく）第（２^＊Ｎ−２）番目の電圧ステージのコンデンサの正端子からも充電電圧を受け取る。このような配置では、さまざまな電圧ステージは、図４に示すような構造を有するので、第２^＊Ｎ番目の電圧ステージはそのコンデンサの正端子にｎ−ｍｏｓＦＥＴ（ｎ−ｍｏｓＦＥＴ５８に類似する）を有することがある。電圧ステージの数にかかわらず、第Ｎ番目の電圧ステージのコンデンサの正端子の電圧は、常にこのｎ−ｍｏｓＦＥＴをオンに切り替えるために十分に高いので、第２^＊Ｎ番目の電圧ステージのコンデンサを充電することができる。このようにすれば、図２のダイオード接続されたトランジスタ５８を回避することができる。

特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、これら説明は本発明の応用例に過ぎず、限定として解釈するべきものではない。従って、開示された実施形態の特徴のさまざまな適応および組み合わせは、添付の特許請求の範囲によって包含される本発明の範囲内にある。

一般的な電荷ポンプの充電ハーフサイクルの簡略化回路図である。 一般的な電荷ポンプの転送ハーフサイクルの簡略化回路図である。 本発明の一実施形態によるフィボナッチ数増倍に関して配置された電圧増大を有する電荷ポンプの回路図である。 図２の電荷ポンプのコンデンサに対する直列接続ハーフサイクルを例示する簡略化回路図である。 最終電圧ステージの充電でダイオードドロップがまったく起こらない図２の電荷ポンプの変形である。 図４の電荷ポンプ中のコンデンサに対する直列接続ハーフサイクルを例示する簡略化回路図である。

Claims (17)

1. 電荷ポンプにおいて、
   第１の複数の電圧ステージであって、各電圧ステージはコンデンサを含み、前記電圧ステージは、コンデンサを充電し、かつ第１の電圧ステージのコンデンサの正端子が第２の電圧ステージのコンデンサの負端子に接続されるなどのようにコンデンサを直列に接続するように構成され、さらにコンデンサは充電され、１より大きい整数ｋに対して、第ｋ番目の電圧ステージのコンデンサにかかる電圧が実質的にその負端子の電圧と第（ｋ−１）番目の電圧ステージのコンデンサにかかる電圧とに等しくなるように直列に接続された第１の複数の電圧ステージを含む電荷ポンプ。
2. 第２の複数の電圧ステージであって、第２の複数の電圧ステージのうちの各電圧ステージはコンデンサを含み、これらの電圧ステージは、コンデンサを充電し、かつ第１の電圧ステージのコンデンサの正端子が第２の電圧ステージのコンデンサの負端子に接続されるなどのように充電されたコンデンサを直列に接続するように構成され、さらにコンデンサは充電され、１より大きい整数ｍに対して、第ｍ番目の電圧ステージのコンデンサにかかる電圧が実質的にその負端子の電圧と第（ｍ−１）番目の電圧ステージのコンデンサにかかる電圧とに等しくなるように直列に接続される第２の複数の電圧ステージをさらに含む請求項１記載の電荷ポンプ。
3. 第１の複数の電圧ステージのコンデンサの直列接続は、クロック信号の第１相の間に行なわれる請求項２記載の電荷ポンプ。
4. 第２の複数の電圧ステージのコンデンサの直列接続は、クロック信号の第２相の間に行なわれる請求項３記載の電荷ポンプ。
5. クロック信号の第１相の間、第２の複数の電圧ステージのうちの電圧ステージのコンデンサは、第１の複数の電圧ステージの直列に接続されたコンデンサの正端子の電圧から充電される請求項４記載の電荷ポンプ。
6. クロック信号の第１相の間、第１の複数の電圧ステージのうちの第１の電圧ステージのコンデンサの正端子の電圧は第２の複数の電圧ステージのうちの第１の電圧ステージのコンデンサを充電し、第１の複数の電圧ステージのうちの第２の電圧ステージのコンデンサの正端子の電圧は第２の複数の電圧ステージのうちの第２の電圧ステージのコンデンサを充電するなどのように充電する請求項５記載の電荷ポンプ。
7. クロック信号の第２相の間、第１の複数の電圧ステージのうちの第１の電圧ステージは電源電圧ＶＣＣから充電し、第２の複数の電圧ステージのうちの第１の電圧ステージのコンデンサの正端子の電圧は第１の複数の電圧ステージのうちの第２の電圧ステージのコンデンサを充電し、第２の複数の電圧ステージのうちの第２の電圧ステージのコンデンサの正端子の電圧は第１の複数の電圧ステージのうちの第３の電圧ステージのコンデンサを充電するなどのように充電する請求項６記載の電荷ポンプ。
8. 第１の複数の電圧ステージのうちの最終電圧ステージのコンデンサの正端子の電圧は、第２の複数の電圧ステージのうちの最終電圧ステージのコンデンサを充電するように、ダイオードとして接続されたトランジスタを通して接続される請求項７記載の電荷ポンプ。
9. 第１および第２の複数の電圧ステージはＮ個の電圧ステージをそれぞれ有し、複数の電圧ステージは別の電圧ステージとそれぞれ関連し、別の電圧ステージの各々はコンデンサを含み、さらにクロック信号の第１相の間、第１の複数の電圧ステージの第Ｎ番目の電圧ステージのコンデンサの正端子は第１の複数の電圧ステージと関連する前記別の電圧ステージのコンデンサの負端子に接続し、クロック信号の第２相の間、第２の複数の電圧ステージの第Ｎ番目の電圧ステージのコンデンサの正端子は第２の複数の電圧ステージと関連する前記別の電圧ステージのコンデンサの負端子に接続する請求項７記載の電荷ポンプ。
10. クロック信号の第１相の間、第１の複数の電圧ステージの第Ｎ番目の電圧ステージのコンデンサの正端子の電圧が第２の複数の電圧ステージと関連する前記別の電圧ステージのコンデンサを充電する請求項９記載の電荷ポンプ。
11. クロック信号の第２相の間、第２の複数の電圧ステージの第（Ｎ−１）番目の電圧ステージのコンデンサの正端子の電圧が第１の複数の電圧ステージと関連する前記別の電圧ステージのコンデンサを充電する請求項１０記載の電荷ポンプ。
12. 複数のコンデンサと、
    前記複数のコンデンサを充電する手段と、
    複数のコンデンサの第１のコンデンサの負端子が電源電圧ＶＣＣに接続し、第１のコンデンサの正端子が複数のコンデンサの第２のコンデンサの負端子に接続するなどのように充電されたコンデンサを直列に接続する手段であって、前記複数のコンデンサを充電する手段は、複数のコンデンサが直列に接続されたとき１より大きい整数ｋに対して、第ｋ番目のコンデンサにかかる電圧がその負端子の電圧と第（ｋ−１）番目のコンデンサにかかる電圧とに等しくなるようにコンデンサを充電するように構成される電荷ポンプ。
13. 前記複数のコンデンサを充電する手段は、クロック信号の第１相の間、複数のコンデンサを充電するように構成される請求項１２記載の電荷ポンプ。
14. 前記充電されたコンデンサを直列に接続する手段は、クロック信号の第２相の間、充電されたコンデンサをに直列に接続するように構成される請求項１３記載の電荷ポンプ。
15. 電圧を発生する方法において、
    （ａ）第１の複数のコンデンサを充電するステップと、
    （ｂ）第１の複数のコンデンサの中で、充電された第１のコンデンサの正端子が充電された第２のコンデンサの負端子に接続するなどのように第１の充電された複数のコンデンサを直列に接続するステップと、
    （ｃ）第１の充電され、直列に接続された複数のコンデンサによって作り出された電圧から第２の複数のコンデンサを充電するステップと、
    （ｄ）第２の複数のコンデンサの中で、充電された第１のコンデンサの正端子が充電された第２のコンデンサの負端子に接続するなどのように第２の充電された複数のコンデンサを直列に接続するステップであって、前記第１の複数のコンデンサを充電するステップは第２の直列に接続された複数のコンデンサによって作り出された電圧を用い、動作（ｂ）の間、１より大きい整数ｋに対して、第１の複数のコンデンサの第ｋ番目のコンデンサにかかる電圧がその負端子の電圧と第１の複数のコンデンサの第（ｋ−１）番目のコンデンサにかかる電圧とに等しいものである複数のコンデンサを直列に接続するステップと、
    を含む電圧を発生する方法。
16. 動作（ｄ）の間、整数ｋに対して、第２の複数のコンデンサの第ｋ番目のコンデンサにかかる電圧は、その負端子の電圧と第２の複数のコンデンサの第（ｋ−１）番目のコンデンサにかかる電圧とに等しい請求項１５記載の方法。
17. 動作（ｂ）および（ｃ）は、クロック信号の第１相の間に行なわれ、動作（ａ）および（ｄ）はクロック信号の第２相の間に行なわれる請求項１６記載の方法。

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