Störungsarme integrierte kapazitive Spannungswandler

Abstract

Diese Arbeit befaßt sich mit Kleinspannungswandlern im Milliwattbereich, die (integrierte) Kondensatoren als Energiespeicher verwenden. Infolge von (teilweisen) Umladevorgängen werden Ladungen vom Eingang zum Ausgang transportiert ("Ladungspumpen"). Für diese Umladevorgänge werden Ventile (Dioden oder gesteuerte Schalter) eingesetzt.<br />Die Hauptanwendung dieser Wandler ist üblicherweise die Erzeugung der Programmierspannung in nichtflüchtigen EEPROM - Speicherbausteinen. Im gegebenen Fall wird die Erzeugung einer Vorspannung für eine mitintegrierte Fotodiode einer sogenannten OEIC-Schaltung (optoelektronische integrierte Schaltung, d.h. Fotodiode und Verstärker auf einem Chip) angestrebt, um die Ansprechzeiten derselben zu verkürzen. Gegenüber einer alternativen Lösung mit Hilfe eines konventionellen Schaltnetzteils liegt neben der Vermeidung von (zu integrierenden) Spulen in der Störungsarmut ein Hauptvorteil der kapazitiven Wandler.<br />Die Arbeit gliedert sich in vier Teile. Im ersten Abschnitt wird das stationäre Verhalten des sogenannten Dickson - Spannungswandlers behandelt. Mit Hilfe eines Modells ist es möglich, neben Ausgangsspannung und Innenwiderstand auch das Zustandekommen des Wirkungsgrades und dessen Optimierung zeigen zu können. Diese Theorie ist so allgemein gehalten, daß verschiedene, auch sehr störungsarme Realisierungsformen des Generators (gemeint ist damit die Ansteuerung), welche im zweiten Abschnitt erläutert werden, damit abgedeckt sind. Das dynamische Verhalten der Pumpe an sich, ebenfalls im ersten Abschnitt zu finden, wird mit Hilfe eines aus der Literatur entnommenen Modells untersucht. Es ist zur Auslegung von Regelschaltungen verwendbar (wobei hier allerdings auf eine theoretische Behandlung des dynamischen Verhaltens von Wandlern mit Regelung verzichtet wurde).<br />Der dritte Teil befaßt sich mit der Ausbreitung von Störungen auf dem Chip und deren Gegenmaßnahmen im allgemeinen, und im speziellen mit den Konsequenzen bei der Anwendung als Wandler für Fotodiodenverstärker.<br />Eine Abschätzung für die Auswirkung der Ausgangsspannungswelligkeit auf die Bitfehlerwahrscheinlichkeit einer derartigen Empfängerschaltung ist enthalten. Abschnitt Nummer vier beinhaltet letztlich die Meßergebnisse dreier unterschiedlicher Wandlertypen, welche durch Detailschaltpläne und Schaltungsbeschreibung dargelegt werden. Stationäres und dynamisches Verhalten werden ebenso wie die entstehenden Störungen untersucht.<br />Es zeigt sich, daß Störungsarmut, akzeptabler Wirkungsgrad und moderater Flächenbedarf durchaus nicht unvereinbar sind.<br />

This work concentrates on DC-DC converters used for applications in the power range of several mW which are based on (integrated) capacitances for energy storage. Charging and discharging these capacitances periodically, electrical charge is transferred from input to output ('charge pump'). For this charge transfer, switches are necessary (simply diodes or controlled types). The main application of these converters is the generation of the programming voltage of non-volatile EEPROM - memories. Here, the reverse voltage of an integrated photodiode (part of a so-called OEIC - optoelectronic integrated circuit, which contains both photodiode and amplifier) is raised in order to improve their response speed for applications in the range of several GHz. An adapted 0.6 µm - BiCMOS - process is used therefore. In order to leave the sensitivity of the receiver unaffected, low noise circuit topologies were preferred. Beside of the difficulties in realization of integrated inductances when designing a conventional switched power supply, low noise is one of the great advantages of charge pumps.<br />This work is divided into four parts. First, the stationary theory of the so-called Dickson - charge pump is described. Using an equivalent circuit, beside of output voltage and internal resistance, the formation of the efficiency and its optimization is discribed. The theory is put in general. Therefore, it can be applied for different types of generators (which means the driving circuit), including low noise versions described in chapter two. The dynamics of charge pump operation, also given in chapter one, uses a model from the literature.<br />It can be used to design regulated charge pumps (whereas an analysis of regulated charge pumps is not given here).<br />Part three concerns the propagation of switching noise on chip and how to prevent it in general. In particular, consequences in case of photoreceiver applications are presented. Furthermore, the effect of output ripple voltage on the receiver's bit error ratio is investigated.<br />Finally, part four presents three different types of charge pumps, including schematics and circuit description in detail. DC characteristics and dynamical response are shown together with the noise generated.<br />It was found out that low noise generation, acceptable efficiency and moderate area requirements are not necessarily contradicting.<br />