Kapazitiver Wandler

Als Ladungspumpe (engl. charge pump) bezeichnet man eine elektronische Schaltung zur Erzeugung einer positiven oder negativen Spannung, die meist höher ist als die zur Verfügung stehende Spannung.

Schaltung einer Hochspannungskaskade zur Spannungsvervielfachung

Ladungspumpen transportieren Ladung mit Kapazitäten von einem niedrigen Potential zu einem höheren, ähnlich wie Wasser mit Eimern von einem niedrigen Ort zu einem höheren befördert wird. Die Ladungspumpe stellt eine Alternative zum DC-DC-Wandler (Aufwärtswandler, engl. Stepup- oder Boostkonverter) dar, bei dem die höhere Spannung mit einer Induktivität erzeugt wird.

Ladungspumpen kommen zum Einsatz, wenn keine großen Ausgangströme erforderlich sind oder wenn keine geeigneten Induktivitäten zur Verfügung stehen (z. B. auf einem Chip). Der maximale Ausgangsstrom wird durch die Frequenz und die Größe der Kapazitäten bestimmt.

Funktionsweise

Schaltschema einer zweistufigen Ladungspumpe

(siehe auch Hochspannungskaskade#Funktion_und_Aufbau)

Das Schema rechts zeigt den prinzipiellen Aufbau einer zweistufigen Ladungspumpe. I₁ sind beliebige und I₂ sind invertierende Verstärker (z. B. logische Gatter). In S₀ wird ein Rechtecksignal eingespeist, welches die Verstärkerkette I₁, I₂ treibt. Die Versorgungsspannung ist V_dd, mit der auch die Verstärker versorgt werden. Der obere und untere Bildteil zeigen jeweils die Zustände während der zwei Takte.

Die jeweils anliegenden Spannungen sind grün angegeben, die Stromflüsse rot.

Im ersten Takt wird C₁ über D₁ auf V_dd aufgeladen. Die Ausgangskapazität C₃ wird von C₂ auf 3 V_dd über D₃ aufgeladen. D₂ sperrt.

Während der zweiten Phase wird C2 von C1 über D2 auf 2 V_dd aufgeladen. D1 und D3 sperren. Sind die Schalter D1 bis D3 ideal und wird dem Ausgang X3 kein Strom entnommen, erscheint an X3 die dreifache Eingangsspannung.

Bei dieser Art von Ladungspumpe können beliebig viele Inverter hintereinander geschaltet werden. Die Anzahl der Inverter bestimmt dabei den Spannungsvervielfachungs-Faktor.

Weitere Arten

Es gibt weitere Anwendungen von Ladungspumpen, z. B. Hochspannungskaskaden und die Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltungen nach Villard und Greinacher, die mit Wechselspannungen gespeist werden.

Schaltungen zur Erzeugung einer negativen Spannung aus einer positiven Spannung gleichen Betrages können häufig mit den gleichen integrierten Schaltkreisen realisiert werden, die auch für eine Spannungsverdopplung geeignet sind. Auch Bootstrap-Schaltungen arbeiten nach dem Prinzip der Ladungspumpe.

Alle Ladungspumpen haben das gemeinsame Merkmal, dass mit Kapazitäten und Schaltern bzw. einer Wechselspannung eine Ladung auf ein anderes Spannungspotential befördert wird.

Anwendungsbeispiele

RS232-Pegelwandlung

Zur Kommunikation über eine serielle Schnittstelle nach RS232 sind Signalpegel von ±12 V erforderlich. Viele digitale Schaltungen arbeiten aber mit einer Versorgungsspannung von nur 5 V. Um auf eine zusätzliche Spannungsquelle von 12 V verzichten zu können, kommen Pegelwandler-IC, die nach dem Prinzip der Ladungspumpe funktionieren, zum Einsatz. Dabei werden aus den 5 V Betriebsspannung zunächst durch Verdoppeln 10 V gewonnen und durch einen ebenfalls mit einer Ladungspumpe arbeitenden Spannungsinverter die benötigten −10 V erzeugt. Die erzeugten Spannungen von ±10 V liegen innerhalb des Toleranzfeldes der RS232 und sind daher ausreichend.

Solche Pegelwandler-ICs enthalten in der Regel alle Komponenten der Ladungspumpe mit Ausnahme der Kondensatoren, die in der erforderlichen Kapazität nicht in monolithischen Schaltkreisen integriert werden können. Der am weitesten verbreitete Schaltkreis dieser Art ist der MAX232 und seine Nachfolgetypen.

Programmierspannungserzeugung

Eine weitere Anwendung von Ladungspumpen ist die Erzeugung der für die Programmierung von Flash-Speicher notwendigen Programmierspannung im Bereich von 10 V bis 15 V. Zum Beschreiben der Floating Gates der einzelnen Speicherzellen werden höhere Spannungen benötigt als die üblicherweise von außen dem Speicherchip zugeführten 3,3 V. Diese höhere Programmierspannung wird dabei direkt auf dem Speicherchip in Form einer kleinen Ladungspumpe mit integrierten Kondensatoren erzeugt. Die Kapazitäten der Kondensatoren sind dabei vergleichsweise klein und bewegen sich im Bereich einiger pF – für den Schreibvorgang werden allerdings auch nur geringe Ströme benötigt. Der schaltungstechnische Vorteil besteht darin, dass die Speicherchips mit Hilfe der integrierten Ladungspumpen mit nur einer einzigen Versorgungsspannung versorgt werden können.

Spannungserzeugung im DRAM

DRAMs werden üblicherweise mit nur einer Versorgungsspannung VDD betrieben, die je nach Standard bei z. B. 1,5 V für DDR3 liegt. Im DRAM-Chip werden vor allem zur Ansteuerung des Speicherfeldes mehrere unterschiedliche Spannungen benötigt, die teilweise oberhalb der Versorgungsspannung liegen oder negativ sind. Insbesondere sind dies die Spannungen für die Wortleitungen, VPP und VNWL (V ‚pumped‘ und V ‚negative word line‘). Diese Spannungen liegen in Bereichen von ca. 2,5–3,5 V für VPP und ca. −1 bis 0 V für VNWL (je nach Prozess und Hersteller). Für beide Spannungen werden Ströme bis in den Bereich von 10–100 mA benötigt. Insbesondere für die VPP-Ladungspumpen, die aufgrund der Spannungsverhältnisse in DDR2 oder DDR3-Speichern zwei- oder dreistufig sein müssen, wird daher im Vergleich zu anderen Spannungsgeneratoren relativ viel Chipfläche benötigt.^[1]

Treiber- und bootstrap-Schaltungen

Ladungspumpen sind in vielen Schaltungen enthalten, in denen höhere Spannungen als die Eingangsspannung benötigt werden oder diese Spannungen ein veränderliches Bezugspotential haben müssen, z. B. in Treiberschaltkreisen zur Ansteuerung von Leistungshalbleiter-Schaltern (Stichworte level shifter, high side switches).

Das ist z. B. dann der Fall, wenn im oberen Schaltzweig einer Brückenschaltung ein NPN- bzw NMOS-Transistor verwendet werden soll. Oft wird die Ladungspumpenschaltung hierbei aus der ohnehin vorhandenen Ausgangswechselspannung gespeist und besteht dann nur aus einer Diode und einem Kondensator. Sie wird auch als Bootstrap-Schaltung bezeichnet bzw. der zugehörige Kondensator als Bootstrap-Kondensator. Siehe hierzu Bootstrapping (Elektrotechnik).

Die Diode ist oft mit im IC integriert. Bootstrap-Schaltungen werden auch oft in Audioverstärker-Schaltungen und -ICs verwendet, um die Aussteuerbarkeit näher an die obere Betriebsspannung heran zu bringen und dadurch den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Erzeugung negativer Spannungen

Zur Spannungsverdopplung entworfene integrierte Schaltkreise können meist bei geeigneter Außenbeschaltung auch zur Erzeugung negativer Spannungen eingesetzt werden. Eine zusätzliche, gegenüber dem Bezugspotential negative Spannung ist oft erforderlich, um Operationsverstärker oder digitale Messgeräte zu speisen, wenn deren Ein- oder Ausgangsspannungen nahe oder unterhalb des Bezugspotentials liegen. Eine als klassisch zu bezeichnende, da schon seit Mitte der 1980 Jahre auf dem Markt, integrierte Ladungspumpe für die Erzeugung von −5 V aus +5 V ist die integrierte Schaltung ICL7660. ^[2]

Einzelnachweise

1. ↑ Brent Keeth, R. Jacob Baker, Brian Johnson: DRAM Circuit Design: Fundamental and High-Speed Topics. 2. Auflage. Wiley & Sons, 2007, ISBN 0-470-18475-2.
2. ↑ Datenblatt der Ladungspumpe ICL7660 von Intersil/MAXIM (engl.)