CN101212174A - 一种应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无源射频身份识别(RFID)技术领域,公开了一种应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,包括:时钟产生电路,用于产生高频振荡时钟信号,并输出给buffer驱动电路;buffer驱动电路,用于对接收自时钟产生电路的高频振荡时钟信号的时钟波形进行方波整形处理,产生互为反相的时钟信号和CLK,输出给升压电路;升压电路,用于在接收的反相时钟信号和CLK的作用下,将接收的低电压转换为高电压输出,并在维持此高电压输出的同时对电可擦除可编程只读存储器EEPROM编程提供编程电流。利用本发明,为无源射频身份识别系统提供了一种低压升高压的高效率、低功耗DC-DC电荷泵电路,获得的高压实现了对RFID系统中EEPROM的内容进行编程。
Description
技术领域
本发明涉及无源射频身份识别(RFID)技术领域,尤其涉及一种应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路。
背景技术
电荷泵是集成电路中常用的电压转换电路,较小的直流或者交流电压通过电荷泵可以转变为不同电平的直流电压。现在已经广泛用于电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器(Flash Memory)以及射频身份识别(RFID)等电路中。
根据输入电压类型的不同,电荷泵分为直流电压-直流电压(DC-DC)型和交流电压-直流电压(AC-DC)型。其中,DC-DC电荷泵的电路结构比较多样,升压的原理与转换效率各有不同。大致有如下几种常见实用的结构:基于Dickson结构的NCP电荷泵、SP电荷泵和基于电压倍增(Voltage-doubler)原理的几种电荷泵。
NCP电荷泵的电路结构如图1所示,图1为现有技术中NCP电荷泵的电路结构原理图。该电路在级数较少、输出电压要求较低的情况下,有不错的升压效率;但如果要求输出电压达到8V以上,由于这种电路结构受体效应的影响非常大,并且各个节点的寄生电容很大,导致升压效率很低。
SP电荷泵的电路结构如图2所示,图2为现有技术中SP电荷泵的电路结构原理图。该电路利用一个额外的栅偏置电路来控制升压电路,有较高的升压效率;但反相电荷共享问题和制造工艺的复杂性问题制约了这种结构电荷泵的应用。
电压倍增电荷泵的电压倍增单元如图3所示,图3为现有技术中电压倍增电荷泵的电路结构原理图。很多电荷泵都基于这种结构,具有很高的升压效率。但这种电路结构过于复杂,过多的晶体管导致寄生电容很大,最重要的是它要求驱动时钟电路可以提供很强的驱动能力和很大的输入功率,这在无源射频身份识别芯片(RFID)系统中是很难实现的。
在无源射频身份识别芯片(RFID)系统中,由于没有独立的有较强驱动能力的高频时钟源(100M左右),所以需要设计独立的时钟产生电路,并尽量增大时钟的驱动能力。而且输入功率、输入电压非常低,同时要求输出的电压比较高且能负载几十uA的编程电流,建立时间要非常短等原因,上述的这些DC-DC电荷泵并不能很好的达到系统的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,为无源射频身份识别系统提供一种低压升高压的高效率、低功耗的DC-DC电荷泵电路,获得高压以实现对无源射频身份识别系统中EEPROM的内容进行编程。
(二)技术方案
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,该电荷泵电路包括:
时钟产生电路,用于产生高频振荡时钟信号,并输出给互补式金属氧化层半导体反相器(buffer)驱动电路;
buffer驱动电路,用于对接收自时钟产生电路的高频振荡时钟信号的时钟波形进行方波整形处理,产生互为反相的时钟信号CLK和CLK,输出给升压电路;
升压电路,用于在接收的反相时钟信号CLK和CLK的作用下,将接收的低电压转换为高电压输出,并在维持此高电压输出的同时对电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)编程提供编程电流。
所述时钟产生电路为由奇数级的互补式金属氧化层半导体(CMOS)反相器串连而成的环形振荡器电路。
所述时钟产生电路采用9级的CMOS反相器串连而成的环形振荡器电路,各个反相器的栅宽、栅长都采用所用工艺的最小尺寸。
所述时钟产生电路所需的输入电源电压为1.5V,输出频率为100M以上、未经整形的、驱动能力弱的单相高频振荡时钟信号。
所述buffer驱动电路由一系列CMOS反相器阵列组成,所述的buffer驱动电路输入端连接时钟产生电路输出的高频振荡时钟信号,经过几级的buffer阵列,产生相同个数的互为反相的时钟信号CLK和CLK输出给升压电路,用于驱动升压电路中的耦合电容。
所述反相的时钟信号CLK和CLK为方波整形过的1.5V的方波信号,具有较强的驱动能力;
所述的buffer驱动电路中的各个CMOS反相器的宽长比取值采取以一定的倍数倍增的方式,用于增强buffer的驱动能力。
所述升压电路的耦合电容数量为14个,为14级升压电路,被互为反相的幅值为1.5V的7个时钟信号CLK和7个时钟信号CLK所驱动;所述升压电路的电源电压为1.5V,在几个us的时间内,使输出电压达到14V以上的高压,并且在维持此高压的同时对EEPROM编程提供几十uA的编程电流。
所述升压电路中耦合电容的电容值取为2pf,输出负载电容取值为7.5pf。
所述升压电路在电源电压为1.5V,输入最大电流不超过10mA的条件下,在3个us的时间内,使输出电压达到15.8V,并且在维持14V以上高压的同时,提供50uA以上的对EEPROM进行编程的编程电流。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果:
1、利用本发明,为无源射频身份识别系统提供了一种低压(1.5V)升高压(14V)的高效率、低功耗DC-DC电荷泵电路,获得的高压实现了对RFID系统中EEPROM的内容进行编程。
2、本发明提供这种应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,可以减小电荷传输管的阈值电压降,有效地消除体效应的影响,提高升压电路的增益,因此可以获得比其他电荷泵电路更高效率的升压效果。
3、本发明提供这种应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,采用衬底与PMOS传输管的漏端相连的方式。模拟结果显示,这种连接方式可以获得比浮阱工艺或者其他几种复杂的衬底连接方式更高的升压效率,而且可以消除浮阱器件可能带来的衬底电流的影响。
附图说明
图1为现有技术中NCP电荷泵的电路结构原理图;
图2为现有技术中SP电荷泵的电路结构原理图;
图3为现有技术中电压倍增电荷泵的电路结构原理图;
图4为本发明提供的MOS型高效低压低功耗DC-DC电荷泵电路结构框图;
图5为本发明提供的电荷泵电路中一个九级环形振荡器时钟产生电路的示意图;
图6为本发明提供的电荷泵电路中buffer阵列时钟驱动电路的示意图;
图7为本发明提供的一个四级(即只有四个耦合电容)的升压电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
本发明提供这种应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路采用Chartered Semiconductor Manufacturing(CSM)公司的0.35um n-well/p-typesubstrate CMOS工艺制备,当采用14级充电耦合电容,在输入电压为1.5V、最大输入电流不超过10mA的条件下,在3个us的时间内,使输出电压达到15.8V的高压,并且在维持14V以上电压的同时,可以提供50uA以上的对EEPROM进行编程的编程电流。
如图4所示,图4为本发明提供的MOS型高效低压低功耗DC-DC电荷泵电路结构框图,该电荷泵电路包括时钟产生电路10、互补式金属氧化层半导体反相器(buffer)驱动电路20和升压电路30。
其中,时钟产生电路10用于产生高频振荡时钟信号,并输出给buffer驱动电路20。
buffer驱动电路20用于对接收自时钟产生电路10的高频振荡时钟信号的时钟波形进行方波整形处理,产生互为反相的时钟信号CLK和CLK,输出给升压电路30。
升压电路30用于在接收的反相时钟信号CLK和CLK的作用下,将接收的低电压转换为高电压输出,并在维持此高电压输出的同时对电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)编程提供编程电流。
所述时钟产生电路10为由奇数级的互补式金属氧化层半导体(CMOS)反相器串连而成的环形振荡器电路,提供升压电路所必需的上百兆的高频时钟源。一般采用9级的CMOS反相器串连而成的环形振荡器电路,各个反相器的栅宽、栅长都采用所用工艺的最小尺寸。
如图5所示,图5为本发明提供的电荷泵电路中一个九级环形振荡器时钟产生电路的示意图。该时钟产生电路所需的输入电源电压为1.5V,输出频率为100M以上、未经整形的、驱动能力弱的单相高频振荡时钟信号。在Chartered Semiconductor Manufacturing(CSM)公司的0.35umn-well/p-type substrate CMOS工艺条件下,可以获得频率达160M的高频时钟信号。
所述buffer驱动电路20由一系列CMOS反相器阵列组成,所述的buffer驱动电路输入端连接时钟产生电路输出的高频振荡时钟信号,经过几级的buffer阵列,产生相同个数的互为反相的时钟信号CLK和CLK输出给升压电路,增大时钟驱动升压电路中耦合电容的驱动能力,用于驱动升压电路中的耦合电容,并且同时对时钟波形进行方波整形处理。所述反相的时钟信号CLK和CLK为方波整形过的1.5V的方波信号,具有较强的驱动能力。所述的buffer驱动电路中的各个CMOS反相器的宽长比取值采取以一定的倍数倍增的方式,用于增强buffer的驱动能力。
如图6所示,图6为本发明提供的电荷泵电路中buffer阵列时钟驱动电路的示意图。该buffer阵列时钟驱动电路由CMOS反相器构成,用来产生互为反相的时钟信号CLK和CLK,增大时钟驱动升压电路中耦合电容的驱动能力,并且同时对时钟波形进行整形处理。根据对最终输出电压的要求不同,所需要的升压级数即耦合电容的数量也不同,buffer阵列所输出的互为反相的时钟信号CLK和CLK的数量也就相应的变化,以达到每一个耦合电容(2pf)都被一个时钟信号buffer驱动的目的。
电荷泵的主体部分升压电路30在输入电压为1.5V、最大输入电流不超过10mA的条件下,在几个us的时间内,使输出电压达到14V以上的高压,并且在维持此高压的同时,可以提供几十uA的对EEPROM进行编程的编程电流。下面再详细分析一下本发明电荷泵的主体部分,即升压电路的工作原理,
如图7所示,图7为本发明提供的一个四级(即只有四个耦合电容)的升压电路示意图。升压电路的充电时钟采用buffer电路输出的互不交叠的时钟信号CLK和CLK,该时钟信号有着与电源电压同样的幅度1.5V。PMOS晶体管MTi是主要的电荷传输管,NMOS晶体管MNi和PMOS晶体管MPi是作为电荷的传输开关用来控制电荷传输管MTi的开启与关断的。
当CLK变为低电平、CLK变为高电平时,由于耦合电容C2与C4的作用,图示的节点2与4就分别被充电到电压V2+ΔV、V4+ΔV;而同时,图示节点1和3的电压就分别由V1+ΔV、V3+ΔV放电到V1、V3。并且V1+ΔV等于V2,V2+ΔV等于V3,V3+ΔV等于V4。这样PMOS晶体管MP2就开启,导致MT2管的栅电压近似等于节点2的电压,于是电荷传输管MT2被完全关断。与此同时,NMOS晶体管MN3开启,导致MT3管的栅电压近似等于节点1的电压,于是电荷传输管MT3开启,电荷就由节点2被推向了节点3。对电荷传输管MT4、MT5的分析分别类似于MT2、MT3。
当CLK变为高电平、CLK变为低电平时,同上分析可得,MT2管和MT4管开启,而MT3管和MT5管关断。随着时钟的来回翻转,电荷泵就有效地将电荷从左端推向右端并存储在输出电容负载CL上。
随着电压的抬高,电荷传输管的体效应影响会越来越厉害,因此电荷传输管MTi的衬底连接方式非常重要。本电荷泵采用衬底与PMOS传输管的漏端相连的方式。模拟结果显示,这种连接方式可以获得比浮阱工艺或者其他几种复杂的衬底连接方式更高的升压效率,而且可以消除浮阱器件可能带来的衬底电流的影响。
在输入电压为1.5V的情况下升压电路30的输出电压可以升压到6V。对应于无源射频身份识别(RFID)系统中的需要,需要14V的高压,因此芯片设计中将图7所示的电路结构拓展到14级,就可以在输入电压为1.5V、最大输入电流不超过10mA的条件下,在3个us的时间内,使输出电压达到15.8V的高压,并且在维持此14V编程高压的同时,可以提供50uA以上的对EEPROM进行编程的编程电流。
在应用于无源射频身份识别(RFID)系统时,所述升压电路30的耦合电容数量为14个,即为14级升压电路,被互为反相的幅值为1.5V的7个时钟信号CLK和7个时钟信号CLK所驱动。所述升压电路的电源电压为1.5V,在几个us的时间内,使输出电压达到14V以上的高压,并且在维持此高压的同时对EEPROM编程提供几十uA的编程电流。所述升压电路中耦合电容的电容值取为2pf,输出负载电容取值为7.5pf。所述升压电路在电源电压为1.5V,输入最大电流不超过10mA的条件下,在3个us的时间内,使输出电压达到15.8V,并且在维持14V以上高压的同时,提供50uA以上的对EEPROM进行编程的编程电流。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,其特征在于,该电荷泵电路包括:
时钟产生电路,用于产生高频振荡时钟信号,并输出给互补式金属氧化层半导体反相器buffer驱动电路;
buffer驱动电路,用于对接收自时钟产生电路的高频振荡时钟信号的时钟波形进行方波整形处理,产生互为反相的时钟信号CLK和CLK,输出给升压电路;
升压电路,用于在接收的反相时钟信号CLK和CLK的作用下,将接收的低电压转换为高电压输出,并在维持此高电压输出的同时对电可擦除可编程只读存储器EEPROM编程提供编程电流。
2.根据权利要求1所述的应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,其特征在于,所述时钟产生电路为由奇数级的互补式金属氧化层半导体CMOS反相器串连而成的环形振荡器电路。
3.根据权利要求2所述的应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,其特征在于,所述时钟产生电路采用9级的CMOS反相器串连而成的环形振荡器电路,各个反相器的栅宽、栅长都采用所用工艺的最小尺寸。
4.根据权利要求1或2所述的应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,其特征在于,所述时钟产生电路所需的输入电源电压为1.5V,输出频率为100M以上、未经整形的、驱动能力弱的单相高频振荡时钟信号。
5.根据权利要求1所述的应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,其特征在于,所述buffer驱动电路由一系列CMOS反相器阵列组成,所述的buffer驱动电路输入端连接时钟产生电路输出的高频振荡时钟信号,经过几级的buffer阵列,产生相同个数的互为反相的时钟信号CLK和CLK输出给升压电路,用于驱动升压电路中的耦合电容。
6.根据权利要求5所述的应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,其特征在于,
所述反相的时钟信号CLK和CLK为方波整形过的1.5V的方波信号,具有较强的驱动能力;
所述的buffer驱动电路中的各个CMOS反相器的宽长比取值采取以一定的倍数倍增的方式,用于增强buffer的驱动能力。
7.根据权利要求1所述的应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,其特征在于,所述升压电路的耦合电容数量为14个,为14级升压电路,被互为反相的幅值为1.5V的7个时钟信号CLK和7个时钟信号CLK所驱动;所述升压电路的电源电压为1.5V,在几个us的时间内,使输出电压达到14V以上的高压,并且在维持此高压的同时对EEPROM编程提供几十uA的编程电流。
8.根据权利要求7所述的应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,其特征在于,所述升压电路中耦合电容的电容值取为2pf,输出负载电容取值为7.5pf。
9.根据权利要求7所述的应用于无源射频身份识别系统的电荷泵电路,其特征在于,所述升压电路在电源电压为1.5V,输入最大电流不超过10mA的条件下,在3个us的时间内,使输出电压达到15.8V,并且在维持14V以上高压的同时,提供50uA以上的对EEPROM进行编程的编程电流。
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