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Dokumentenidentifikation DE102004060969A1 13.07.2006
Titel Integrierte Ladungspumpe
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Menke, Manfred, 82515 Wolfratshausen, DE
Vertreter Wilhelm & Beck, 80636 München
DE-Anmeldedatum 17.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004060969
Offenlegungstag 13.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2006
IPC-Hauptklasse H02M 3/07(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine integrierte Ladungspumpe, umfassend:
- eine Pumpkapazität (1) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss;
- eine Steuereinheit (2), die die Ladungspumpe in einem Wechsel zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase betreibt;
- eine erste Schalteinrichtung, um in der ersten Phase die Pumpkapazität mit einer Pumpspannung aufzuladen;
- eine zweite Schalteinrichtung, um in der zweiten Phase das Potential des ersten Anschlusses auf ein vorbestimmtes Potential zu ziehen und um den zweiten Anschluss der Pumpkapazität (1) auf einen Ausgangsknoten (A) anzulegen,
wobei die zweite Schalteinrichtung einen erstes Transistor (T1) aufweist, um den zweiten Anschluss der Pumpkapazität (1) mit den Ausgangsknoten (A) zu verbinden, wobei ein Substratanschluss des ersten Transistors fest mit den Ausgangsknoten verbunden ist; und wobei die zweite Schalteinrichtung den ersten Anschluss mit einem Gradienten auf das vorbestimmte Potential zieht, wobei der Gradient so gewählt ist, dass zu keinem Zeitpunkt eine Diodendurchbruchsspannung im ersten Transistor (T1) überschritten wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine integrierte Ladungspumpe, insbesondere zur Verwendung in integrierten Schaltungen mit reduzierter Stromaufnahme.

In integrierten Schaltungen werden üblicherweise neben der externen Versorgungsspannung weitere interne Spannungen benötigt, die nicht der externen Versorgungsspannung entsprechen und entweder größer, kleiner als die externe Versorgungsspannung sind oder mit anderem Vorzeichen versehen sind. Zum Wandeln der externen Versorgungsspannung in die jeweilige interne Versorgungsspannung ist eine geeignete Spannungsversorgungsquelle vorgesehen, die zur Spannungswandlung üblicherweise einen zusätzlichen Betriebsstrom z. B. für die Spannungsregelung benötigt, der sich in der Strombilanz der gesamten integrierten Schaltung bemerkbar macht. Dieser zusätzliche Strom ist im Wesentlichen konstant unabhängig davon, welcher Versorgungsstrom am Ausgang der Spannungsversorgungsquelle gezogen wird. Bei Low-Power-Anwendungen, bei denen die Spannungsversorgungsquellen sowohl in einen Normalbetrieb als auch in einem Standby-Betrieb betrieben werden, werden daher je nach Betriebsart unterschiedliche Versorgungsströme von der Spannungsversorgungsquelle gezogen, wobei die Effizienz der Spannungsversorgungsquelle bei sinkendem Versorgungsstrom sich verschlechtert, da, wie zuvor erwähnt, der zusätzliche z.B. für die Spannungsregelung benötigte Strom konstant bleibt. Daher ist es insbesondere bei Low-Power-Anwendungen wichtig, die Effizienz solcher Spannungsversorgungsquellen zu optimieren.

Im Falle von Ladungspumpen wird der Versorgungsstrom für die Versorgungsquellen in erheblichem Maße durch das Schalten von Transistoren zum Umschalten zwischen einem ersten und einem zweiten Zyklus bestimmt. So sind beispielsweise in einer Ladungspumpe Schalteinrichtungen vorgesehen, um den Betrieb der Ladungspumpe zu optimieren, z. B. eine Schalteinrichtung, die je nach Betriebszustand das Substrat (Backgate) eines Schalttransistors auf das jeweils niedrigste bzw. jeweils höchste Potential legt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Ladungspumpe bereitzustellen, die effizient und mit einem geringen Versorgungsstrom-Gesamtstrom-Verhältnis betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die integrierte Ladungspumpe nach Anspruch 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine integrierte Ladungspumpe vorgesehen, die eine Pumpkapazität mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss umfasst. Die Ladungspumpe weist weiterhin eine Steuereinheit auf, mit der die Ladungspumpe in einem Wechsel zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase betrieben werden kann. Es ist eine erste Schalteinrichtung vorgesehen, um in der ersten Phase die Pumpkapazitäten mit einer Pumpspannung aufzuladen und eine zweite Schalteinrichtung, um in der zweiten Phase das Potential des ersten Anschlusses auf ein vorbestimmtes Potential zu ziehen, und um den zweiten Anschluss der Pumpkapazität an einen Ausgangsknoten anzulegen. Die zweite Schalteinrichtung weist einen ersten Transistor auf, um den zweiten Anschluss der Pumpkapazität mit den Ausgangsknoten zu verbinden. Es ist weiterhin ein Substratanschluss des ersten Transistor fest mit der Ausgangsleitung verbunden. Die zweite Schalteinrichtung zieht den ersten Anschluss mit einem Spannungsänderungsgradienten auf das vorbestimmte Potential, so dass zu keinem Zeitpunkt eine Diodendurchbruchsspannung im ersten Transistor überschritten wird.

Die erfindungsgemäße Ladungspumpe zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Transistor, der den zweiten Anschluss der Pumpkapazität mit der Ausgangsleitung verbindet, einen Substratanschluss aufweist, der fest mit der Ausgangsleitung verbunden ist. Dies unterscheidet die erfindungsgemäße Ladungspumpe von Ladungspumpen gemäß dem Stand der Technik, bei denen der entsprechende Transistor mit vergleichbarer Funktion einen Substratanschluss aufweist, der abhängig von der Phase wechselweise mit der Ausgangsleitung und mit einem an den zweiten Anschluss der Pumpkapazität anliegenden Potential verbunden wird, um das jeweils höchste bzw. tiefste vorkommende Potential der gesamten Ladungspumpenschaltung an den Substratanschluss des ersten Transistors anzulegen, je nach Leitfähigkeitstyps des ersten Transistors. Damit dies möglich ist, und nicht zu einem Überschreiten der Diodendurchbruchsspannung in dem ersten Transistor beim Anliegen des vorbestimmten Potentials an den ersten Anschluss der Pumpkapazität führt, wird an den ersten Anschluss der Pumpkapazität das vorbestimmte Potential mit einem Gradienten angelegt, der so gewählt ist, dass zu keinem Zeitpunkt die Diodendurchbruchsspannung im ersten Transistor überschritten wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Schaltungsaufwand für eine solche Ladungspumpe deutlich zu reduzieren, da beispielsweise Transistoren zum Schalten des Substratanschlusses des ersten Transistors eingespart werden könnten, die üblicherweise synchron zum Wechsel zwischen der ersten und zweiten Phase geschaltet wird.

Dies kann gemäß einer Ausführungsform so erreicht werden, dass die zweite Schalteinrichtung einen zweiten Transistor aufweist, mit dem in der zweiten Phase der erste Anschluss mit dem vorbestimmten Potential über einen Widerstand verbunden wird. Der Widerstand kann ganz oder teilweise durch den Durchlasswiderstand des zweiten Transistors gebildet sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Kanalbreite des ersten Transistors größer sein, als die Kanalbreite des zweiten Transistors, so dass der Spannungsabfall über den Kanal des ersten Transistors in der zweiten Phase über das Breitenverhältnis erster zu zweiter Transistor beliebig klein gehalten werden kann und somit unter der Diodendurchbruchsspannung gehalten werden kann.

Vorzugsweise kann die erste Schalteinrichtung einen dritten Transistor aufweisen, um in der ersten Phase den zweiten Anschluss der Pumpkapazität mit einem Ladepotential zu verbinden, wobei der erste und der dritte Transistor mit dem selben Steuersignal angesteuert werden, und wobei der erste und der dritte Transistor eine inverse Schaltcharakteristik zueinander aufweisen. Auf diese Weise wird weiterhin erreicht, dass die Schaltung der integrierten Ladungspumpe mit einer reduzierten Anzahl von Transistoren ausgebildet werden kann, da ein separates Bereitstellen von Ansteuersignalen für den ersten und dritten Transistor nicht notwendig sind.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die erste Schalteinrichtung einen vierten Transistor aufweist, der in Reihe mit dem dritten Transistor angeschlossen ist, und wobei der vierte Transistor erst dann geschlossen wird, wenn der erste Transistor vollständig geöffnet ist. Dadurch wird vermieden, dass bei einem gleichzeitigen Schalten des ersten und dritten Transistors sich die Schaltkennlinien so überschneiden, dass eine Ladung von dem Ausgangsknoten in die Spannungsquelle für das Versorgungspotential abfließt und somit die Pumpwirkung vermindert. Insbesondere kann der vierte Transistor so angesteuert sein, dass er gleichzeitig oder vor dem Schließen des ersten Transistors geöffnet wird.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit an einem Eingang ein Taktsignal empfängt und aus dem Taktsignal Steuersignale für die erste und zweite Schalteinrichtung generiert. Insbesondere kann ein Pegelwandler vorgesehen sein, um einen Pegel des Steuersignals für den ersten und den dritten Transistor im Wesentlichen auf ein Ausgangspotential der Ausgangsleitung festzulegen.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen integrierten Ladungspumpe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; und

2 ein Signalzeitdiagramm für die Ansteuersignale der Transistoren der in 1 gezeigten Ladungspumpe.

In 1 ist ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Ladungspumpe dargestellt. Die Ladungspumpe weist eine Pumpkapazität 1 auf, die in einer ersten Phase aufgeladen wird und in einer zweiten Phase das Potential an einem Ausgangsknoten A anhebt, so dass ein Potential größer als das Versorgungsspannungspotential VDD erreicht wird. Dies erfolgt durch eine Anzahl von Transistoren T1, T2, T3, T4, T5, die mit entsprechenden Ansteuersignalen, die aus einem Taktsignal CLK gewonnen werden, angesteuert werden. Die Ansteuersignale werden in einer Steuereinheit 2 generiert, wie später näher beschrieben wird.

Die Pumpkapazität 1 ist mit einem ersten Anschluss an einem ersten Knoten K1 und mit einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Knoten K2 verbunden. Der zweite Knoten K2 ist mit einem ersten Anschluss eines ersten Transistors T1 verbunden, dessen zweiter Anschluss mit dem Ausgangsknoten A verbunden ist. Der zweite Knoten K2 ist ebenfalls mit einem ersten Anschluss eines dritten Transistors T3 verbunden, dessen zweiter Anschluss mit einem ersten Anschluss eines vierten Transistors T4 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss des vierten Transistors T4 ist mit einem ersten hohen Versorgungsspannungspotential VDD einer Spannungsversorgung verbunden. Der erste Knoten K1 ist mit einem ersten Anschluss eines zweiten Transistors T2 dessen zweiter Anschluss mit dem ersten hohen Versorgungsspannungspotential VDD oder alternativ mit einem weiteren hohen Versorgungspotential verbunden ist. Der erste Knoten K1 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss eines fünften Transistors T5 verbunden, dessen zweiter Anschluss mit einem zweiten niedrigen Versorgungsspannungspotential GND, vorzugsweise einem Massepotential verbunden ist.

Der erste, zweite und vierte Transistor T1, T2, T4 weisen gegenüber dem dritten und fünften Transistor T3, T5 ein inverses Schaltverhalten auf. Im dargestellten Beispiel sind der erste, zweite und vierte Transistor T1, T2, und T4 von einem p-Leitfähigkeitstyp und der dritte und fünfte Transistor T3, T5 von einem n-Leitfähigkeitstyp. Diese bilden eine Ladungspumpe, die ein gegenüber dem ersten hohen Versorgungsspannungspotential VDD erhöhtes Ausgangspotential erzeugt. Alternativ können die Leitfähigkeitstypen der Transistoren umgekehrt ausgebildet sein, und die Versorgungsspannungen in ihrer Polarität vertauscht sein, so dass eine Ladungspumpe für eine gegenüber dem niedrigsten bereitgestellten Potential erniedrigte Ausgangsspannung gebildet wird.

Um das Anliegen einer Diodendurchbruchsspannung an dem ersten Transistor T1 zu vermeiden, ist das Substrat (Backgate) des ersten Transistors T1 mit dem Ausgangsknoten A verbunden, so dass in dem gezeigten Ausführungsbeispiel das Substrat immer auf dem höchstmöglichsten Potential erhalten wird. Ist der erste Transistor T1 als n-Kanal-Feldeffekttransistor ausgebildet, wird das Substrat mit dem niedrigsten Potential der gesamten Ladungspumpe verbunden.

Die Steueranschlüsse (Gate-Anschlüsse) des ersten und dritten Transistors T1, T3 sind mit einem Ausgang eines Pegelwandlers 3 verbunden, der ein bereitgestelltes Taktsignal CLK zum Steuern der zyklischen ersten und zweiten Phasen empfängt. Der Pegelwandler 3 wandelt einen Pegel (High-Pegel) des Taktsignals CLK um, so dass dieser in diesem Zustand auf dem Pegel des Ausgangsknotens liegt. Im gezeigten Beispiel dient die Ladungspumpe dazu, am Ausgangsknoten A ein gegenüber der ersten hohen Versorgungsspannung VDD erhöhtes Potential bereitzustellen. Liegt das Taktsignal auf einem High-Pegel, so wird nun das Potential des High-Pegels an das erhöhte Potential des Ausgangsknotens A angepasst, so dass der erste und der dritte Transistor T1, T3 als High-Pegel ein Potential erhalten, dass dem erhöhten Potential an dem Ausgangsknoten A entspricht, so dass der erste und der dritte Transistor T1, T3 so angesteuert werden, dass sie entsprechend dem anliegenden High-Pegel vollständig geöffnet sind, bzw. vollständig sperren. Liegt am Transistor T1 ein High-Pegel an, so sperrt dieser vollständig, wenn die Gatespannung größer ist als das Potential am Ausgangsknoten A verringert um die Schwellspannung des ersten Transistors T1.

Eine solche Ladungspumpe wird in zwei Phasen betrieben. In einer erste Phase wird die Pumpkapazität 1 aufgeladen, in dem die Transistoren T3, T4 und T5 geschlossen werden, so dass von dem ersten hohen Versorgungsspannungspotential VDD der zweite Knoten K2 und von dem zweiten niedrigen Versorgungsspannungspotential GND der erste Knoten K1 die Pumpkapazität 1 entsprechend auflädt. In einer zweiten Phase werden der dritte, vierte und fünfte Transistor T3, T4, T5 entsprechend geöffnet. Mit dem Öffnen des Transistors T3 wird auch der Transistor T1 geschlossen, bevor der Transistor T2 geschlossen wird. Nun wird der zweite Transistor T2 durchgeschaltet, so dass das Potential des ersten Knotens angehoben wird und damit im gleichen Maße das Potential des zweiten Knotens K2 anhebt. Mit dem schon eingeschaltetem Transistor T1 wird nun in der zweiten Phase erreicht, dass die gespeicherte Ladung der Pumpkapazität 1 auf den Ausgangsknoten A abfließen kann, so dass sich dort eine Ladungsspannung aufbaut, die gegenüber dem ersten hohen Versorgungsspannungspotential VDD erhöht ist.

Wird das Potential an dem Knoten K1 deutlich schneller angehoben, als die Ladung von dem Knoten K2 über den ersten Transistor T1 auf den Ausgangsknoten A abfließen kann, so ist die höchste, an dem ersten Transistor T1 anliegende Spannung an dem Drain-Anschluss des ersten Transistors T1, die dann die Diodendurchbruchsspannung übersteigen kann. Dies kann dazu führen, dass zwischen dem Drain-Anschluss und dem Substrat des ersten Transistors T1 ein Diodenstrom fließt, was zu einem Latch-Up-Effekt führen kann. Aus diesem Grunde ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Anschluss der Pumpkapazität 1 an dem ersten Knoten K1 nicht unmittelbar und schnellstmöglich über den zweiten Transistor T2 mit dem ersten hohen Versorgungsspannungspotential VDD zu verbinden, so dass die Spannung am zweiten Knoten erheblich die an dem Ausgangsknoten A anliegenden Spannung übersteigt. Stattdessen wird das Potential am ersten Knoten K1 mit einem vorgegebenen maximalen Spannungsänderungsgradienten ansteigen gelassen. Der Gradient ist u.a. abhängig von dem Durchlasswiderstand des ersten Transistors T1, wodurch bestimmt wird, wie schnell ein Ladungspotential auf dem zweiten Knoten K2 auf den Ausgangsknoten A abfließen kann. Um einen Latch-Up-Effekt am ersten Transistor T1 zu vermeiden, ist es notwendig, die Spannungsdifferenz wischen dem zweiten Knoten K2 und dem Ausgangsknoten A nicht größer als die Schwellenspannung des sich zwischen dem Drain und dem Substratanschluss bildenden pn-Übergang werden zu lassen.

Der zweite Transistor T2 ist vorzugsweise so dimensioniert, dass das erste hohe Versorgungsspannungspotential VDD im geschlossenen Zustand des zweiten Transistors T2 mit dem dem zweiten Transistor T2 immanenten Durchlasswiderstand an den ersten Knoten K1 angelegt wird. Durch eine geeignete Dimensionierung insbesondere der Kanalweite des ersten und zweiten Transistors T1, T2 ist es möglich, dafür zu sorgen, dass das Ladungspotential am zweiten Knoten K2 bezüglich des Potentials am Ausgangsknoten A die Schwellenspannung nicht übersteigt. Dies ermöglicht es, den Substratanschluss des ersten Transistors T1 fest mit dem Ausgangsknoten A zu verbinden, da weitere zusätzliche Ansteuerungen zur Vermeidung eines Latch-Up-Effekt nicht vorgesehen werden müssen. Insbesondere sind der erste und zweite Transistor T1, T2 so zu dimensionieren, dass die Kanalweite des ersten Transistors deutlich größer ist als die Kanalweite des zweiten Transistors, vorzugsweise um etwa den Faktor 10 größer.

Der erste Transistor T1 und der dritte Transistor T3 werden vorzugsweise mit inversem Schaltverhalten gewählt und mit demselben Ansteuersignal angesteuert. Auf diese Weise ist der erste Transistor T1 geschlossen, während der dritte Transistor T3 geöffnet ist und umgekehrt. Damit nicht kurzzeitig ein Strom zwischen dem ersten hohen Versorgungspotential VDD und dem Ausgangsknoten A fließen kann, während sich der erste und der dritte Transistor T1, T3 im Übergang zwischen zwei Zuständen befinden, ist der vierte Transistor T4 vorgesehen, der erst dann geschlossen wird, wenn der erste Transistor T1 sicher geöffnet ist.

In 2 ist ein Signalzeitdiagramm für das Taktsignal CLK und die Ansteuersignale PRP, BOOST und PRN, die von der Steuereinheit 2 bereitgestellt werden, dargestellt. Ein Betriebszyklus der Ladungspumpe ist in sechs Zeitfenster (in 2 durch eingekreiste Nummern gekennzeichnet) unterteilt, in denen jeweils verschiedene Pegel der Ansteuersignale an den Transistoren T1 bis T5 anliegen. Das PRP-Signal ist an einen Steuereingang des vierten Transistors T4, das PRN-Signal an einen Steuereingang des fünften Transistors T5 und das BOOST-Signal an einen Steuereingang des zweiten Transistors T2 angelegt. An den Steuereingängen (Gate-Anschlüssen) des ersten und dritten Transistors T1, T3 liegt das bereitgestellte Taktsignal CLK an, bei dem ein Pegel entsprechend dem Zustand des Taktsignals CLK auf das Potential des Ausgangsknotens A gelegt ist. Das erste Zeitfenster ist gekennzeichnet durch einen Low-Pegel des PRP-Signals, einen High-Pegel des PRN-Signals, einen High-Pegel des BOOST-Signals und einen High-Pegel des Taktsignals CLK. Das erste Zeitfenster beginnt mit einem Pegelwechsel des PRP-Signals und des PRN-Signals. Dadurch werden der vierte und der fünfte Transistor T4 und T5 durchgeschaltet (geschlossen) und aufgrund des High-Pegels des Taktsignals CLK ist der dritte Transistor T3 ebenfalls durchgeschaltet, so dass der erste Knoten K1 mit dem zweiten niedrigen Versorgungspotential GND und der zweite Knoten K2 mit dem ersten hohen Versorgungspotential VDD verbunden ist. Dadurch wird die Pumpkapazität 1 aufgeladen, bis am Ende des ersten Zeitfensters durch Pegelwechsel des PRP-Signals und des PRN-Signals der vierte und fünfte Transistor T4, T5 geöffnet werden, so dass das Laden der Pumpkapazität 1 beendet wird.

In einem zweiten Zeitfenster, das vom Ende des ersten Zeitfensters bis zu einem Pegelwechsel des Taktsignals reicht, ist vorgesehen, sicherzustellen, dass keine Ladung von dem Ausgangsknoten A zu dem ersten hohen Versorgungspotential VDD abfließen kann, wenn in einer Übergangsphase der erste, dritte und vierte Transistor T1, T3, T4 geöffnet sind. Durch das Vorsehen des zweiten Zeitfensters wird sichergestellt, dass der vierte Transistor zuverlässig geschlossen ist, bevor durch den Pegelwechsel des Taktsignals CLK in einem nachfolgenden dritten Zeitfenster der erste Transistor T1 geschlossen wird und der dritte Transistor T3 geöffnet wird.

Das dritte Zeitfenster dient dazu, sicherzustellen, dass der erste Transistor T1 vollständig geschlossen ist, d. h. dass der Durchlasswiderstand des ersten Transistors möglichst gering ist, bevor in einem nachfolgenden vierten Zeitfenster durch den Low-Pegel des BOOST-Signal der zweite Transistor T2 durchgeschaltet wird, und das Potential des ersten Knotens K1 in Richtung des ersten hohen Versorgungspotentials VDD angehoben wird. Wie zuvor erwähnt, sollten die Kanalweiten des ersten Transistors T1 und T2 so gewählt sein, dass die Kanalweite des ersten Transistors T1 deutlich größer ist, als die des zweiten Transistors T2. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass BOOST-Signal nicht als digitales, sondern als analoges Ansteuersignal vorzusehen, und während der BOOST-Phase, d. h. während des vierten Zeitfensters den zweiten Transistor T2 nicht vollständig durchzuschalten, sondern nur so durchzuschalten, dass bei einem geschlossenen ersten Transistor T1 die Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Knoten K2 und dem Ausgangsknoten A die Schwellspannung (Diodendurchflussspannung) nicht übersteigt, um einen Latch-Up-Effekt auszuschließen.

Alternativ kann zwischen dem ersten hohen Versorgungspotential VDD und dem ersten Knoten K1 auch ein zusätzlicher Widerstand (nicht gezeigt) eingesetzt werden, um den Ladungsfluss auf den ersten Anschluss der Pumpkapazität 1 zu begrenzen.

In dem fünften Zeitfenster, das bei einem zyklischen Betrieb auf das vierte Zeitfenster folgt, wird der zweite Transistor T2 wieder abgeschaltet. Dieser wird vorzugsweise vor dem Transistor T1 geöffnet, um einen hohen Spannungssprung an den zweiten Knoten K2 zu vermeiden, wenn der erste Transistor T1 zuerst geöffnet werden würde. In einem anschließenden sechsten Zeitfenster wird der erste Transistor T1 abgeschaltet, wobei kein Spannungssprung an dem zweiten Knoten K2 auftreten kann, da die parasitären Kapazitäten zwischen dem ersten und zweiten Knoten im Vergleich zu der Überkoppelkapazität zwischen dem Steueranschlüssen des ersten und dritten Transistors T1, T3 und dem zweiten Knoten groß sind.

Ein Vorteil der vorgeschlagenen Ladungspumpenschaltung besteht darin, dass die höchste in der Schaltung vorkommende Spannung im Wesentlichen das Potential an dem Ausgangsknoten A ist, so dass sich die Wannenanschlüsse (Substratanschlüsse) des ersten und des vierten Transistors T4 fest mit dem Ausgangsknoten verbinden lassen. Weiterhin können der erste und der dritte Transistor T1, T3 mit demselben Ansteuersignal angesteuert werden, so dass statt zwei getrennte Pegelwandler nur noch ein Pegelwandler 3 benötigt wird, der beide Steueranschlüsse des ersten und des dritten Transistors T1 und T3 ansteuert. Die zweiten, dritten, fünften und sechsten Zeitfenster sollten so klein wie möglich gewählt sein, um die Ladezeit der Pumpkapazität nicht unnötig einzuschränken, jedoch ausreichend groß, um die beschriebenen Effekte zu erreichen.

1Pumpkapazität 2Steuereinheit 3Pegelwandler T1erster Transistor T2zweiter Transistor T3dritter Transistor T4vierter Transistor T5fünfter Transistor K1erster Knoten K2zweiter Knoten AAusgangsknoten VDDerstes Versorgungspotential GNDzweites Versorgungspotential CLKTaktsignal BOOSTBOOST-Signal PRNPRN-Signal PRPPRP-Signal

Anspruch[de]
  1. Integrierte Ladungspumpe umfassend:

    – eine Pumpkapazität (1) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss;

    – eine Steuereinheit (2), die die Ladungspumpe in einem Wechsel zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase betreibt;

    – eine erste Schalteinrichtung (T3, T5), um in der ersten Phase die Pumpkapazität mit einer Pumpspannung aufzuladen;

    – eine zweite Schalteinrichtung (T1, T2), um in der zweiten Phase das Potential des ersten Anschlusses auf ein vorbestimmtes Potential zu ziehen, und um den zweiten Anschluss der Pumpkapazität (1) auf einen Ausgangsknoten (A) anzulegen,

    wobei die zweite Schalteinrichtung einen ersten Transistor aufweist, um den zweiten Anschluss der Pumpkapazität (1) mit den Ausgangsknoten (A) zu verbinden,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass ein Substratanschluss des ersten Transistors (T1) fest mit den Ausgangsknoten verbunden ist; und

    dass die zweite Schalteinrichtung den ersten Anschluss mit einem Spannungsänderungsgradienten auf das vorbestimmte Potential zieht, wobei der Gradient so gewählt ist, dass zu keinem Zeitpunkt eine Diodendurchbruchsspannung im ersten Transistor (T1) überschritten wird.
  2. Ladungspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schalteinrichtung einen zweiten Transistor (T2) aufweist, mit dem in der zweiten Phase der erste Anschluss mit dem vorbestimmten Potential über einen Widerstand verbunden wird.
  3. Ladungspumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand ganz oder teilweise durch den Durchlasswiderstand des zweiten Transistors (T2) gebildet ist.
  4. Ladungspumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalweite des ersten Transistors (T1) größer ist als die Kanalweite des zweiten Transistors (T2), so dass der Spannungsabfall über den Kanal des ersten Transistors (T1) in der zweiten Phase unter der Diodendurchbruchsspannung des Transistors (T1) bleibt.
  5. Ladungspumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Transistor (T1, T2) einen gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen.
  6. Ladungspumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinrichtung einen dritten Transistor (T3) aufweist, um in der ersten Phase den zweiten Anschluss der Pumpkapazität (1) mit einem Ladepotential zu verbinden, wobei der erste und der dritte Transistor mit demselben Steuersignal angesteuert werden, und wobei der erste und der dritte Transistor (T1, T3) eine inverse Schaltcharakteristik zueinander aufweisen.
  7. Ladungspumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinrichtung einen vierten Transistor (T4) aufweist, der in Reihe mit dem dritten Transistor (T3) angeschlossen ist, und dass der vierte Transistor (T4) erst dann geschlossen wird, wenn der erste Transistor (T1) geöffnet ist.
  8. Ladungspumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Transistor (T4) gleichzeitig oder vor dem Schließen des ersten Transistors (T1) geöffnet wird.
  9. Ladungspumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) an einem Eingang ein Taktsignal (CLK) empfängt und aus dem Taktsignal Steuersignale für die erste und die zweite Schalteinrichtung generiert.
  10. Ladungspumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pegelwandler (3) vorgesehen ist, um einen Pegel des Steuersignals für den ersten und den dritten Transistor (T1, T3) im Wesentlichen auf ein Ausgangspotential des Ausgangsknotens (A) festzulegen.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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