KR20020013896A - 전하 펌프 - Google Patents

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KR20020013896A
KR20020013896A KR1020017015174A KR20017015174A KR20020013896A KR 20020013896 A KR20020013896 A KR 20020013896A KR 1020017015174 A KR1020017015174 A KR 1020017015174A KR 20017015174 A KR20017015174 A KR 20017015174A KR 20020013896 A KR20020013896 A KR 20020013896A
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gate terminal
electrode
charge pump
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KR1020017015174A
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에스테르로베르트
브라운게오르크
Original Assignee
마이클 골위저, 호레스트 쉐퍼
인피네온 테크놀로지스 아게
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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Abstract

본 발명은 각각의 입력 클록 신호(A1, B1)를 위한 2개의 입력 단 및 펌핑 출력 전위(VPUMP)를 출력하기 위한 출력 단을 구비하는 전하 펌프에 관한 것이다. 입력 단에는 2개의 펌프 커패시터(CpumpA, CpumpB)가 접속된다. 펌프 커패시터의 제2 전극(VA1, VB1)은 제1 회로 유닛(T1, T4; D1, D4)을 경유하여 공급 전위(접지)에, 그리고 제2 회로 유닛(T2, T3; D2, D3)을 경유하여 출력 단에 각각 접속된다. 또한, 그것의 제어될 수 있는 섹션이 양 펌프 커패시터의 제2 전극(VA1, VB1) 사이에 배치되는 제어가 가능한 단락 소자(S)가 마련된다.

Description

전하 펌프{CHARGE PUMP}
US 4,740,715 A, US 5,126,590 A, US 5,202,588 A, 및 US 5,343,088 A에는 각종의 전하 펌프가 개시되어 있다. 이하, 도 1 및 도 2에 의거하여 전하 펌프의 기본적 동작 방식에 관해 설명하기로 한다.
도 1은 하나의 전극에 입력 클록 신호(A1, B1)를 각각 공급받는 2개의 펌프 커패시터(CpumpA, CpumpB)를 구비한 전하 펌프를 나타낸 것이다. 입력 클록 신호(A1, B1) 입력단의 이면에 있는 펌프 커패시터의 전극(VA1, VB1)은 트랜지스터(T1, T4)를 경유하여 접지에 접속되고, 다른 트랜지스터(T2, T3)를 경유하여 전하 펌프의 출력 단에 접속된다. 트랜지스터(T1 내지 T4)는 p-채널형의 것이다. 전하 펌프는 부하 커패시터(CL)를 구비한 부하에 급전한다. 트랜지스터(T1 내지 T4)의 게이트 단자는 각종의 제어 신호(DISA1, DISB1, A2, B2)에 접속된다.
도 2는 입력 클록 신호(A1, B1) 및 제어 신호(DISA1, DISB1, A2, B2)의 파형과, 회로 노드(VA1, VB1)에 걸리는 전위의 파형과, 전하 펌프의 출력 단에서의 펌핑 출력 신호(VPUMP)의 파형을 각각 나타낸 것이다. 입력 클록 신호(A1, B1)의 각각의 클록 에지(clock edge)에 의해, 입력 단의 이면에 있는 펌프 커패시터(CpumpA, CpumpB)의 전극이 재충전되게 된다. 그 경우, 하나의 전극은 출력 전위의 값으로부터 정(positive)의 값으로, 그리고 다른 하나의 전극은 0 V로부터 부(negative)의 값으로 각각 펌핑되어야 한다.
본 발명은 전하 펌프에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 첨부 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면 중에서,
도 1은 종래의 전하 펌프의 기본 구조를 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 전하 펌프에 대한 신호의 파형을 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 전하 펌프의 제1 실시예를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 3의 전하 펌프에 대한 신호의 파형을 나타낸 도면이며,
도 5는 본 발명에 따른 전하 펌프의 제2 실시예를 나타낸 도면이고,
도 6은 전하 펌프의 또 다른 실시예의 일부를 나타낸 도면이며,
도 7은 도 6의 전하 펌프에 대한 신호의 파형을 나타낸 도면이다.
본 발명의 목적은 보다 더 부의 출력 전위를 생성할 수 있는 전하 펌프를 제공하는 것이다.
그러한 목적은 청구항 1에 따른 전하 펌프에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 구성 및 추가의 구성은 바로 종속 청구항들의 주제이다.
본 발명에 따른 전하 펌프는 전하 펌프 입력 단의 이면에 있는 양 커패시터의 제2 전극 사이에 제어가능한 섹션이 배치되어 제어가 가능한 단락 소자를 구비한다. 그러한 단락 소자에 의해, 바람직하게도 원하는 시점에 양 펌프 커패시터의 제2 전극간의 전하 보상이 이뤄지는 것이 가능하게 된다.
단락 소자는 입력 클록 신호의 클록 에지에 바로 앞서 도전되어 전하 보상을 구현한 연후에 클록 에지가 발생하기 전에 다시 차단되도록 그것의 게이트 단자를 경유하여 트리거링되는 것이 특히 바람직하다. 각각의 펌핑 주기 동안, 펌프 커패시터의 제2 전극의 전위는 입력 클록 신호의 펌핑에 의해 그 레벨이 변경되기에 앞서 우선 단락 소자를 경유하여 그 산술 평균값으로 보상된다. 그 결과, 제2 전극에 걸리는 전위의 피크값이 절대값에 있어 증가되게 된다. 그 때문에, 본 발명에 의해 단락을 하지 않는 종래의 경우보다 절대값에 있어 더 큰 출력 전위가 얻어진다. 그와 같이 단락을 함으로써, 제2 전극에 걸리는 전위가 후속적으로 입력 클록 신호에 의해 생기는 전위 상승 또는 전위 강하에 상응하는 쪽으로 이미 얼마간 변경되어진다. 따라서, 후속적으로 입력 클록 신호의 펌핑 행정에 의해 절대값에 있어 보다 더 큰 전위가 제2 전극에 생성되게 된다.
추가의 구성에 따르면, 제1 및 제2 회로 유닛은 단락 소자가 도전될 때에는 언제나 도전되지 않게 된다. 그에 의해, 펌프 커패시터의 제2 전극의 단락 동안 공급 전위 및 펌핑 출력 전위에 영향이 미쳐지는 것이 방지된다.
제어 신호는 주기적인 것이 바람직하다. 그럼으로써, 본 발명에 따른 방식으로 각각의 펌핑 사이클이 행해지게 된다.
제1 및 제2 회로 유닛은 예컨대 트랜지스터 또는 다이오드와 같은 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
추가의 구성에 따르면, 전하 펌프는 단락 소자의 게이트 단자를 제1 펌프 커패시터의 제2 전극에 접속시키는 제1 스위칭 소자 및 단락 소자의 게이트 단자를 제2 펌프 커패시터의 제2 전극에 접속시키는 제2 스위칭 소자를 구비한다. 양 스위칭 소자는 단락 소자의 게이트 단자에 걸리는 전위가 원하는 시점에 양 제2 전극의 전위에 맞춰질 수 있도록 한다.
도 3에 따른 본 발명의 전하 펌프의 제1 실시예는 도 1에 의거하여 이미 전술된 소자를 구비한다. 그러한 제1 실시예에서는 펌프 커패시터(CpumpA, CpumpB)의 제1 전극이 전하 펌프의 입력 단에 접속되는데, 그 입력 단을 경유하여 입력 클록 신호(A1, B1)가 공급된다. 펌프 커패시터의 제2 전극(VA1, VB1)은 한편으로는 p-채널 트랜지스터(T1, T4)를 경유하여 접지에 접속되고, 다른 한편으로는 p-채널 트랜지스터(T2, T3)를 경유하여 전하 펌프의 출력 단에 접속되는데, 그 출력 단에는 펌핑 출력 전위(VPUMP)가 생성된다. 전하 펌프는 그 출력 단을 경유하여 용량 부하(CL)에 급전한다. 트랜지스터(T1 내지 T4)의 게이트 단자에는 제어 신호(DISA1, DISB1, A2, B2)가 공급된다. 추가로, 펌프 커패시터(CpumpA, CpumpB)의 제2 전극은 또 하나의 p-채널 트랜지스터의 형태의 단락 소자(S)를 경유하여 서로 접속된다. 단락 소자(S)의 게이트 단자에는 제어 신호(chan)가 공급된다.
도 4는 도 3에 따른 실시예에 대해 입력 클록 신호(A1, B1), 제어신호(DISA1, DISB1, A2, B2, chan), 펌프 커패시터(CpumpA, CpumpB)의 제2 전극(VA1, VB1)에 걸리는 전위, 및 전하 펌프의 출력 단에서의 펌핑 출력 전위(VPUMP)의 각각의 예시적 파형을 나타낸 것이다. 그로부터, 단락 소자(S)가 도전될 경우(제어 신호(chan)의 저 레벨)에 트랜지스터(T1 내지 T4)가 차단되는 것을 알 수 있다. 단락 소자(S)는 서로 반전된 입력 클록 신호(A1, B1)의 각각의 레벨 교대가 있기에 앞서 단시간 동안 도전되도록 접속되고, 그에 따라 펌프 커패시터의 제2 전극(VA1, VB1)간의 전하 보상이 이뤄지게 된다.
그러한 실시예의 전하 펌프는 부(negative)의 펌핑 출력 전위(VPUMP)를 생성하는 역할을 한다. 따라서, 제2 전극(VA1, VB1)에 걸리는 전위는 단락 소자(S)의 게이트 단자에 저 전위가 발생되기 전까지는 교호적으로 접지 전위(0 V) 또는 출력 전위(VPUMP)의 값을 취하게 된다. 그와 같이 되는 것은 하나의 펌프 커패시터(CpumpB)의 제2 전극(VB1)이 그에 대응하는 트랜지스터(T3)를 경유하여 전하 펌프의 출력에 도전 접속될 때에는 언제나 다른 펌프 커패시터(CpumpA)의 제2 전극(VA1)이 그에 대응하는 트랜지스터(T1)를 경유하여 접지에 도전 접속되고, 또한 그 역으로 되기 때문이다. 제2 전극(VA1, VB1)이 0 V 또는 출력 전위(VPUMP)의 값을 취하게 된 후에는 그에 대응하는 트랜지스터가 차단되고, 그에 따라 이어서 4개의 모든 트랜지스터(T1 내지 T4)가 차단되게 된다. 그것은 주기적 제어 신호(DISA1, DISB1, A2, B2)가 입력 클록 신호(A1, B1)와는 상반되게 비대칭의 클록이라는 것을 의미한다. 입력 클록 신호(A1, B1)의 다음 번 클록 에지에 앞서 4개의 트랜지스터(T1 내지 T4)가 차단되는 시간 간격 동안, 단락 소자(S)는 제어 신호(chan)에 의해 도전되도록 스위칭된다. 그리하여 펌프 커패시터의 제2 전극(VA1, VB1)간의 전하 보상이 이뤄짐으로써, 양자의 전극에는 출력 전위(VPUMP)의 실제값과 0 V와의 산술 평균값에 해당하는 전위가 생기게 된다. 늦어도 입력 클록 신호(A1, B1)의 다음 번 클록 에지에 의해 단락 소자(S)가 다시 차단되고, 그에 따라 제2 전극(VA1, VB1)간의 전위는 입력 클록 신호에 의해 상반된 최대치 또는 최소치로 펌핑되게 된다.
도 4는 출력 전위(VPUMP)가 아직 그 최종적인 부의 값을 취하지 않는 동안의 시간 부분을 나타낸 것이기 때문에, 제2 전극(VA1, VB1)에 걸리는 전위의 부의 피크가 입력 클록 신호(A1, B1)의 반쪽 주기에 의해 부의 방향으로 이동되어 있다. 그것은 단락 소자(S)의 도전 상태 동안 생기는 평균값에 대해서도 마찬가지이다.
도 5는 본 발명에 따른 전하 펌프의 제2 실시예를 나타낸 것이다. 그러한 제2 실시예는 p-채널 트랜지스터(T1 내지 T4)가 다이오드(D1 내지 D4)로 대체된 점에서 도 3의 실시예와 구별된다. 그럼으로써, 제어 신호(DISA1, DISB1, A2, B2)가 생략되게 된다. 입력 클록 신호(A1, B1) 및 단락 소자(S)의 제어 신호(chan)는 도 5에 도시된 실시예에 대해서도 역시 도 4에 도시된 파형을 나타낸다. 펌프 커패시터(CpumpA, CpumpB)의 제2 전극(VA1, VB1)에 걸리는 전위 및 출력 전위의 파형도 역시 도 4에 도시된 것과 유사하다. 다만, 제2 전극(VA1, VB1)에 걸리는 전위의 최대치(피크)는 절대값에 있어 다이오드(D1 내지 D4)의 초기 전압만큼 감소된다.
도 6은 본 발명에 따른 전하 펌프의 또 다른 실시예의 일부를 나타낸 것이다. 그러한 실시예는 도 3에 도시된 소자를 구비하고, 도 6에 도시된 소자를 추가로 구비한다. 도 6은 양 펌프 커패시터(CpumpA, CpumpB)의 제2 전극(VA1, VB1) 사이에 도 3의 단락 소자(S)를 도시하고 있다. 단락 소자(S)의 게이트 전극은 제5 트랜지스터(T5)를 경유하여 제1 펌프 커패시터(CpumpA)의 제2 전극(VA1)에 접속되고, 제6 트랜지스터(T6)를 경유하여 제2 펌프 커패시터(CpumpB)의 제2 전극(VB1)에 접속된다.
도 6에 도시된 부분 회로는 3개의 펌프 신호(A1cha1, cha, B1cha1)를 공급받는다. 제1 펌프 신호(A1cha1)는 제3 펌프 커패시터(CA1)를 경유하여 제5 트랜지스터(T5)의 게이트 단자에 접속된다. 제2 펌프 신호(cha)는 제4 펌프 커패시터(Ccha)를 경유하여 단락 소자(S)의 게이트 단자에 접속된다. 제3 펌프 신호(B1cha1)는 제5 펌프 커패시터(CB1)를 경유하여 제6 트랜지스터(T6)의 게이트 단자에 접속된다.
또한, 제5 트랜지스터(T5)의 게이트 단자는 제7 트랜지스터(T7)를 경유하여 접지에 접속되고, 제8 트랜지스터(T8)를 경유하여 제2 펌프 커패시터(CpumpB)의 제2 전극(VB1)에 접속된다. 제6 트랜지스터(T6)의 게이트 단자는 제9 트랜지스터(T9)를 경유하여 제1 펌프 커패시터(CpumpA)의 제2 전극(VA1)에 접속되고, 제10 트랜지스터(T10)를 경유하여 접지에 접속된다. 트랜지스터(T5 내지 T10)는 p-채널 트랜지스터이다.
제7 트랜지스터(T7) 및 제10 트랜지스터(T10)의 게이트 단자는 단락 소자(S)의 게이트 단자에 접속된다. 제8 트랜지스터(T8)의 게이트 단자는 제6 트랜지스터(T6)의 게이트 단자에 접속되고, 제9 트랜지스터(T9)의 게이트 단자는제5 트랜지스터(T5)의 게이트 단자에 접속된다.
도 7은 도 6에 기입된 신호의 파형을 나타낸 것이다. 그로부터, 단락 소자(S)가 도전된 동안(chan = 저 레벨) 제5 트랜지스터(T5) 및 제6 트랜지스터(T6)가 차단되는 것을 알 수 있다. 제2 전극(VA1, VB1)이 그에 대응하는 입력 클록 신호(A1, B1)에 의해 정(positive)의 값으로 펌핑되는(그러한 신호의 정의 클록 에지) 즉시, 그 제2 전극(VA1, VB1)에 접속된 트랜지스터(T5 또는 T6)가 도전되도록 스위칭된다. 그에 따라, 이어서 단락 소자(S)의 게이트 단자에 걸리는 전위가 그에 도전 접속된 제2 전극(VA1, VB1)에 걸리는 전위의 파형을 따르게 된다. 그럼으로써, 신호(chan)의 정의 피크가 발생된다. 그와 같이 하여, p-채널 트랜지스터인 단락 소자(S)가 확실하게 차단되는 것이 보장된다. 즉, 그와 같이 할 경우에는 적어도 소스 전위와 같은 정도로 높은 전위(chan)가 항상 단락 소자의 게이트 단자에 걸리게 된다.
제7 트랜지스터(T7) 및 제10 트랜지스터(T10)는 단락 소자(S)가 도전된 동안 제5 트랜지스터(T5) 또는 제6 트랜지스터(T6)가 확실하게 차단되도록 마련된 것이다. 그 경우(chan = 저 레벨), 제5 트랜지스터(T5) 및 제6 트랜지스터(T6)의 게이트 단자에는 제7 트랜지스터(T7) 및 제10 트랜지스터(T10)를 경유하여 접지가 인가된다. 즉, 그 경우에는 제5 및 제6 트랜지스터의 게이트-소스 전압이 정으로 되어 그 트랜지스터가 확실한 차단되게 된다.
제8 트랜지스터(T8)는 단락 소자(S)가 차단되고(chan = 고 레벨) 제6 트랜지스터(T6)가 도전된(B1cha = 저 레벨) 때에 제5 트랜지스터(T5)를 확실하게 차단시키는 역할을 한다. 제8 트랜지스터(T8)가 도전되면, 제2 펌프 커패시터(CpumpB)의 제2 전극(VB1)의 전위가 제5 트랜지스터(T5)의 게이트 단자에 인가된다. 그와 동시에, 단락 소자(S)의 게이트에 걸리는 전위(chan)가 제2 펌프 커패시터(CpumpB)의 제2 전극(VB1)에 도전 접속되기 때문에, 그 경우에 제5 트랜지스터(T5)의 게이트-소스 전압은 0과 같게 된다. 따라서, 제5 트랜지스터(T5)가 확실하게 차단된다.
제9 트랜지스터(T9)는 단락 소자(S)가 차단되고 제5 트랜지스터(T5)가 도전된 동안 마찬가지의 방식으로 제6 트랜지스터(T6)를 차단시키는 역할을 한다.
즉, 제5 트랜지스터(T5) 및 제 6 트랜지스터(T6)는 단락 소자(S)를 그것의 차단 상태 동안 확실하게 차단시키는 역할을 하는 반면에, 제7 내지 제10 트랜지스터(T7 내지 T10)는 제5 트랜지스터(T5) 또는 제6 트랜지스터(T6)를 그것의 상이한 차단 상태 동안 확실하게 차단시키는 역할을 한다. 그와 같이 하여 교란 누설 전류가 방지되기 때문에, 본 실시예의 전하 펌프는 펌프 커패시터(CpumpA, CpumpB)의 제2 전극(VA1, VB1)의 전위에 미치는 바람직하지 못한 영향을 미연에 방지하게 된다.

Claims (10)

  1. - 각각의 입력 클록 신호(A1, B1)를 위한 2개의 입력 단 및 펌핑 출력 전위(VPUMP)를 출력하기 위한 출력 단을 구비하고,
    - 제1 전극 및 제2 전극(VA1, VB1)이 각각 마련된 2개의 펌프 커패시터(CpumpA, CpumpB)를 구비하며,
    - 펌프 커패시터의 제1 전극은 각각의 입력 단에 접속되고,
    - 펌프 커패시터의 제2 전극(VA1, VB1)은 제1 회로 유닛(T1, T4; D1, D4)을 경유하여 공급 전위(접지)에, 그리고 제2 회로 유닛(T2, T3; D2, D3)을 경유하여 출력 단에 각각 접속되며,
    - 그것의 제어될 수 있는 섹션이 양 펌프 커패시터의 제2 전극(VA1, VB1) 사이에 배치되는 제어가 가능한 단락 소자(S)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전하 펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    단락 소자(S)는 그 단락 소자를 입력 클록 신호(A1, B1)의 클록 에지에 바로 앞서 도전되도록 스위칭하고 다시 차단시키는 제어 신호(chan)의 공급을 위한 게이트 단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 전하 펌프.
  3. 제2항에 있어서,
    단락 소자(S)가 도전된 때에는 언제나 제1 회로 유닛(T1, T4; D1, D4) 및 제2 회로 유닛(T2, T3; D2, D3)이 도전되지 않는 것을 특징으로 하는 전하 펌프.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    제어 신호(chan)는 주기적인 것을 특징으로 하는 전하 펌프.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    제1 회로 유닛(T1, T4; D1, D4) 및 제2 회로 유닛(T2, T3; D2, D3) 중의 하나 이상의 부분은 그것의 제어될 수 있는 섹션을 경유하여 펌프 커패시터(CpumpA, CpumpB)의 제2 전극(VA1, VB1)을 공급 전위(접지) 또는 출력 단에 접속시키는 스위칭 소자인 것을 특징으로 하는 전하 펌프.
  6. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    제1 회로 유닛(T1, T4; D1, D4) 및 제2 회로 유닛(T2, T3; D2, D3) 중의 하나 이상의 부분은 다이오드(D1, D2, D3, D4)인 것을 특징으로 하는 전하 펌프.
  7. 제1항에 있어서,
    단락 소자(S)의 게이트 단자를 제1 펌프 커패시터(CpumpA)의 제2 전극(VA1)에 접속시키는 제1 스위칭 소자(T5) 및 단락 소자(S)의 게이트 단자를 제2 펌프 커패시터(CpumpB)의 제2 전극(VB1)에 접속시키는 제2 스위칭 소자(T6)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전하 펌프.
  8. 제7항에 있어서,
    제5 스위칭 소자(T5)의 게이트 단자를 공급 전위(접지)에 접속시키는 제7 스위칭 소자(T7), 제5 스위칭 소자(T5)의 게이트 단자를 제2 펌프 커패시터(CpumpB)의 제2 전극(VB1)에 접속시키는 제8 스위칭 소자(T8), 제5 스위칭 소자(T5)의 게이트 단자를 제1 펌프 커패시터(CpumpA)의 제2 전극(VA1)에 접속시키는 제9 스위칭 소자(T9), 및 제5 스위칭 소자(T5)의 게이트 단자를 공급 전위(접지)에 접속시키는 제10 스위칭 소자(T10)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전하 펌프.
  9. 제8항에 있어서,
    제7 스위칭 소자(T7)의 게이트 단자 및 제10 스위칭 소자(T10)의 게이트 단자는 단락 소자(S)의 게이트 단자에 접속되고, 제8 스위칭 소자(T8)의 게이트 단자는 제6 스위칭 소자(T6)의 게이트 단자에 접속되며, 제9 스위칭 소자(T9)의 게이트 단자는 제5 스위칭 소자(T5)의 게이트 단자에 접속되는 것을 특징으로 하는 전하 펌프.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    하나의 전극이 제5 스위칭 소자(T5)의 게이트 단자에 접속되고 다른 전극이 제1 펌프 신호(A1cha1)에 접속되는 제3 펌프 커패시터(CA1), 하나의 전극이 단락 소자(S)의 게이트 단자에 접속되고 다른 전극이 제2 펌프 신호(cha)에 접속되는 제4 펌프 커패시터(Ccha), 및 하나의 전극이 제6 스위칭 소자(T6)의 게이트 단자에 접속되고 다른 전극이 제4 펌프 신호(B1cha1)에 접속되는 제5 펌프 커패시터(CB1)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전하 펌프.
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