CN101213566A - 发射机应答器装置 - Google Patents

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Abstract

一种发射机应答器装置，其包括具有半导体衬底的集成CMOS电路。第一整流二极管(DS)由CMOS电路的衬底二极管构成。第一MOS晶体管结构(DR1)和第二MOS晶体管结构(DR2)将它们的沟道串联起来，以使它们起到第二整流二极管(DR)的作用，第一整流二极管(DS)的阴极与第二整流二极管(DR)的阳极相连接。第一MOS晶体管结构(DR1)和第二MOS晶体管结构(DR2)相互隔离开来，以保证两个MOS晶体管结构之间的距离足够大，使得第一和第二MOS晶体管结构在衬底中所构成的寄生npn结构具有可忽略的电流增益。

Description

发射机应答器装置
技术领域
【001】本发明涉及发射机应答器装置，更具体地涉及LC振荡电路、能量存储电容器以及由存储电容器中的能量供电的集成发射机应答器装置电路。
背景技术
【002】这种发射机应答器装置以接收和传送模式运行时所需的能量是通过对所收到的询问射频(RF)信号进行整流而从询问发射器获得的。该能量储存于充电电容器中。在HDX(半双工)CMOS集成发射机应答器电路中，固有衬底二极管(由与天线的RF终端相连接的n型扩散区和半导体的p型衬底共同构成)被用作整流二极管。通过这一整流二极管，只有所接收RF信号的负半波被使用，且储存于充电电容器中的合成直流(DC)电压被限制于RF信号的峰值电压内。
【003】对于需要相对大范围的发射机应答器的发射机的应用来说，需要有比半波整流器可获得的更高的供电电压。两倍于半波整流器可获得电压的电压可以由全波整流器获得。
【004】全波整流器将需要除现有衬底二极管之外的第二整流二极管。在衬底中并入额外的二极管将需要具有隔离的p阱区的阱工艺。用于低价生产发射机应答器装置的可用CMOS工艺不具有这一选项。
【005】可以被连接作为二极管的高压PMOS晶体管在这一技术中也是不可用的。
【006】第二整流二极管可以由与二极管相连接的NMOS晶体管来构成。但是，所需要的n型扩散区结合p型衬底不可避免地会构成表现为双极晶体管的寄生npn结构。在负半波中当衬底二极管导通时该寄生npn结构会破坏由NMOS晶体管构成的整流二极管的反向隔离。
发明内容
【007】本发明提供了发射机应答器装置，其中与二极管相连接的MOS晶体管布置被用作第二整流二极管且寄生npn结构的效应可被忽略。
【008】在所描述的实施例中，所发明的发射机应答器装置包括具有半导体衬底的集成CMOS电路。第一整流二极管由该CMOS电路的衬底二极管构成。第一MOS晶体管结构和第二MOS晶体管结构将它们的沟道串联起来，以使它们具有第二整流二极管的功能。第一整流二极管的阴极与第二整流二极管的阳极相连接。第一MOS晶体管结构和第二MOS晶体管结构相互隔离开来，以保证两个MOS晶体管结构间的距离足够大，从而使得衬底中由第一和第二MOS结构构成的寄生npn结构具有可忽略的电流增益。
【009】将用于第二整流二极管的示例性实现的NMOS晶体管拆分为分离的串联NMOS晶体管结构并将该分离的NMOS结构置于衬底中相互间距较大距离的位置上，这就导致具有如此大的基底宽度，及相应低电流增益的寄生npn结构，以至于该寄生效应变得可以忽略不计。
【010】进一步的实施例提供了两个MOS晶体管结构之间大于100μm的距离。
【011】再一个实施例提供了p-类型衬底传导性。作为选择，第一和第二MOS晶体管结构中的每一个都是NMOS晶体管。
【012】另一个实施例示出该发射机应答器装置进一步包括与第一整流二极管的阴极和第二整流二极管的阳极相连接的第一终端。第二终端与第一整流二极管的阳极相连接；第三终端与第二整流二极管的阴极相连接。
【013】此外，该发射机应答器装置可以包括LC谐振电路，该LC谐振电路与第一充电电容器串联连接于第一终端和第二终端之间。
【014】在另一个实施例中，第二电容器横跨第三终端和第二终端进行连接。
【015】第一整流二极管和第二整流二极管的每一个都可以用作半波整流器。
【016】另一个实施例提供了作为发射机应答器应用中的一部分的发射机应答器装置。
【017】在另一个实施例中，发射机应答器装置被用于车辆轮胎压力监控系统中。
【018】在示例性实现中，提供了一种车辆轮胎压力监控系统，该系统包括所建议的用于要被监控的每个轮胎的发射机应答器装置，该发射机应答器装置具有并入的RF发射器并与要被监控的车轮/轮胎实际相连接。此外，为每个要被监控的轮胎提供压力传感器并将压力传感器与相应发射机应答器装置的电路相连接。另外，车辆轮胎压力监控系统包括与每个发射机应答器装置相连接的询问器单元，该询问器单元被实际安装在车辆上靠近车轮的位置处，该车轮上安装有要监控的轮胎。同时，为所有发射机应答器装置提供中央RF接收器，其中每个发射机应答器装置与相关的询问器单元电感耦合在一起，并包括适用于在第一运行模式中被能量充电的电荷积累元件，该能量由相关询问器单元以电磁感应的方式提供。该电荷积累元件在第二运行模式中向发射机应答器装置的RF发射器提供电力供应。
【019】询问器单元的功能是顺次在第一运行模式中向相关发射机应答器装置提供能量，并在第二运行模式中允许发射机应答器装置操作RF发射器来将数据从发射机应答器装置中发送给车上的中央RF接收器。对数据的处理可以在与中央接收器相连接的适当的控制器中进行。因此，询问器单元不需要数据处理能力，也不需要被布线以便进行数据传送。因此，若以询问器的数据处理能力和复杂布线为代价，则由无电池概念带来的明显益处并未实现
【020】优选实施例建议以电容器作为电能的积累元件。
【021】另一个实施例提供中央RF接收器，该接收器作为遥控系统的一部分安装于车辆上并与遥控控制器相连接，该控制器具备附加的功能来处理自发射机应答器装置接收的数据和驱动车辆中的显示装置。
【022】在另一个实施例中，询问器单元和遥控控制器相连接并受遥控控制器控制。
【023】此外，遥控系统可以是远程无键输入系统。
【024】进一步的实施例是询问器单元被安装在车辆的各个车轮架上。电荷积累元件，特别是电容器，在各个车轮旋转时被充电。
【025】另外，询问器单元可以被安装在塑料材质的衬套上并包括天线，该天线随着车辆运转沿衬套外围轮廓的主要部分延伸。
【026】对于另一个实施例，由询问器单元发送到发射机应答器装置的能量是在低频(LF)范围内的载波频率的电磁波。
【027】此外，电容器的电容优选可以处于几微法到几十微法的范围内。
附图说明
【028】本发明的实施例通过以下附图进行展示和说明：
【029】图1展示了包括衬底二极管的半波整流电路；
【030】图2展示了依照图1的电路得到的输入电压和输出电压VCL；
【031】图3展示了在充电阶段中的输入电压和充电输出电压VCL和VCF；
【032】图4展示了整流器和VCF开关的电路图；
【033】图5展示了包括两个二极管DS和DR的电路图，第二二极管DR表现为MOS晶体管结构；
【034】图6展示了包括图5中的二极管和寄生双极晶体管的衬底；
【035】图7A展示了两个串联的MOS晶体管结构；
【036】图7B展示了包括一个MOS晶体管结构的图7A的等价示意图；
【037】图8展示了依照图5构建的电路图，其中包括用作二极管DR的两个MOS晶体管结构；
【038】图9展示了包括图8中的(功能性)二极管和寄生双极晶体管的衬底；
【039】图10展示了车辆轮胎压力监控系统的框图；以及
【040】图11以框图形式展示了安装在车轮上的监控系统的一部分。
具体实施方式
【041】为了进行示例说明而不作为限制，在上下文中描述了本发明的示例性实施例，该实施例与轮胎压力测量系统(TPMS)的发射机应答器装置的应用相关。这一TPMS发射机应答器装置需要在RF天线信号的峰-峰电压范围内的电源电压，以便在向上传输(响应)阶段内实现高幅度的天线信号。
【042】图1展示了集成CMOS发射机应答器电路中的半波整流器，其将衬底二极管用作整流二极管。LC谐振电路包括并联的电感器LRES和电容器CRES。该LC谐振电路的一侧与终端RF相连接，另一侧与终端VCL相连接。充电电容器CL被连接到终端VCL和接地终端GND之间。进一步连接衬底二极管DS，使其阴极与终端RF相连接，阳极与接地终端GND相连接。通过这一装置，只有所接收RF信号的负半波被使用。
【043】图2展示了在电容器CL充电阶段内的输入电压及同一时间段内终端VCL处的信号。
【044】依据图1实现的半波整流由任何n型扩散的衬底二极管DS在天线电压的负半波阶段内完成，该二极管与终端RF相连接。因此，电源电压建立在天线正弦波的中心。这适用于向下传输(接收、询问)阶段以及向上传输(发送、响应)阶段。当该系统以半双工模式工作时，发射器在响应阶段只能保持沉默。因此，天线电压处的振荡只能借助于采集(plucking)由标签(tag)来保持。这一采集功能需要电源电压处在天线电压的中心。
【045】例如，对诸如用于轮胎压力测量(监控)系统的应用来说，在发射机应答器的响应(向上传输)阶段，增大的电源电压将允许期望的更宽的范围。半双工采集功能需要电压基本处于正弦波中部附近。然后在向上传输阶段，双倍的电源电压VCF(峰-峰电压)将会被切换到由半波整流器产生的单倍电源电压VCL。这时围绕双倍的电源电压VCF进行信号采集将实现基本达到二倍于VCF电压的天线电压幅度(见图3，充电阶段的输入电压301及输出电压VCL和VCF)。
【046】相应的电路，连同VCF开关，展示于图4中。这一电路包括依据图1构建的连同电容器CL在内的LC谐振电路。如图1中所示，该电路具有终端RF、VCL和接地终端GND，以及衬底二极管DS，衬底二极管DS的阴极与终端RF相连接，衬底二极管DS的阳极与接地终端GND相连接。在图4中，开关402被连接到终端VCL和终端VCF之间。终端RF还与二极管DR的阳极相连接，二极管DR的阴极与开关401相连接。所述开关401的另一侧与终端VCF相连接。电容器Ca被连接到终端VCF和接地终端GND之间。
【047】闭合VCF开关401可使电源电压VCF加倍，这优选在发射机应答器装置的向上传输阶段使用。
【048】第二整流二极管DR可以设置为NMOS晶体管。
【049】作为这一方法的结果，不可避免地会产生寄生双极npn晶体管结构Q1(见图6)。在负半波阶段，RF终端处的电位被下拉到接地电位GND以下，达到-7.0V(二极管DS两端的压降)。在这里通过二极管DS来完成整流，由于二极管DS为基极-发射极二极管且被正向驱动，因此寄生晶体管Q1实现导通。寄生晶体管Q1的集电极位于终端VCF处且被充电到高达6V的高电位，因此电荷从终端VCF回流到终端RF，从而降低终端VCF的电压。因此，使用衬底二极管DS破坏了MOS二极管DR的隔离效果。
【050】图5展示了具有所述MOS晶体管的实施方式的等价电路图。该电路与图4相对应，但二极管DR由MOS晶体管实现。此外，展示了寄生npn晶体管Q1。
【051】原则上，晶体管长度决定基极宽度并由此决定寄生晶体管Q1的电流增益β。因此，可以通过降低其电流增益β来使晶体管Q1的寄生效应最小化。这可以通过增大其基极来实现。
【052】因此，依照图7A执行二极管DR功能的MOS晶体管结构被拆分为两个MOS晶体管结构DR1和DR2。这使得可以通过在衬底上相互隔离的位置处设置MOS晶体管结构DR1和MOS晶体管结构DR2来增加寄生npn晶体管Q1的有效基极宽度。例如，如果MOS晶体管结构DR1和DR2间的距离达到1mm，寄生晶体管Q1的基极宽度就由2.5μm增大到1mm。这导致极大地降低电流增益β。图7B展示了依照图7A构建的两个MOS晶体管结构的等价示意图。由于MOS晶体管结构DR1和DR2串行连接且二者栅极相连接(串联的沟道)，所以实现沟道宽度W加倍的DR1和DR2都等价于二极管DR。
【053】图8展示了包括具有两个分离MOS晶体管结构DR1和DR2的发射机应答器集成电路(IC)的电路，其中两个晶体管结构的栅极连接在一起且共同连接到MOS晶体管结构DR1的漏极，MOS晶体管结构DR1的源极被连接到MOS晶体管结构DR1的漏极和MOS晶体管结构DR2的源极，MOS晶体管结构DR2的源极在终端VCF处被进一步连接到电容器CCF。寄生晶体管Q1位于MOS晶体管结构DR1的漏极和MOS晶体管结构DR2的源极之间。
【054】图8所示电路图的物理实现的部分示意图展示于图9中。该图展示了衬底和不同的掺杂区，其包括两个MOS晶体管结构DR1和DR2、二极管DS和寄生晶体管Q1。
【055】在图9中，衬底是P-类型掺杂的，接地扩散区是P+类型掺杂的，两个MOS晶体管结构为NMOS晶体管结构且每个包括两个N+类型掺杂。在每个NMOS晶体管结构中源极终端和漏极终端相互间隔2.5μm。将MOS晶体管结构DR1和MOS晶体管结构DR2分离开来约1mm的距离可以导致寄生晶体管Q1的基极宽度达到一定尺度，使得寄生晶体管Q1的电流增益β被极大地降低且该晶体管Q1的有害效应可以忽略。
【056】图10的框图展示了包括车体内中央部件的车辆1中的完整监控系统。车辆1装配了远程无键输入系统，其中的控制器2和中央RF接收器4被展示出来。控制器2和中央RF接收器4还被用于车辆轮胎压力监控系统中。该控制器2接收来自该中央RF接收器4的输入。控制器2向显示装置6和四个询问器单元7发送输出，四个询问器单元7被安装在与要被监控的四个车轮9相关的四个车轮架8上。
【057】询问器单元7优选被安装在塑料挡泥板的后面或集成于其中，或者安装在塑料材质的衬套上。在每个车轮9中有与各自轮胎实际相连接的发射机应答器装置10。发射机应答器装置10优选安装在车轮的轮缘，以便在更换轮胎后可以重复使用。每个发射机应答器装置10合并了具有连带天线的RF发射器12和LF谐振电路14，该LF谐振电路14与各自的询问器单元7电感耦合。每个询问器7通过双线连接或通过总线系统连接到中央控制器2。询问器单元7被用于向发射机应答器装置10提供电力，也可以向发射机应答器装置10发送命令和数据。这一轮胎压力监控系统是顺序系统。在第一运行模式中，询问器单元7以电感耦合的方式将电力提供给发射机应答器装置，而在第二运行模式中，询问器单元7驱动它们的RF发射器12向中央RF接收器4传送测量数据。
【058】参考图11，发射机应答器装置件的功能会被更详细地解释。图11更详细地展示了图10中的一个发射机应答器装置10。虚线框中的模块18限制了发射机应答器装置10集成到集成电路中的部分。与这一集成电路18相连接的是RF发射器12、LF谐振电路14、电荷积累电容器24和压力传感器26。
【059】RF发射器12与输出终端相耦合。由电感天线20和电容器22构成的LF谐振电路14与集成电路18的LF输入终端相连接。电容器24与电源终端相连接并被充电以便向RF发射器12和测量电路提供能量。测量轮胎压力的压力传感器26与模拟输入终端相连接。
【060】集成电路18本身包括处理测量数据的电路、探测来自询问器单元7的请求的电路和控制电源电压的电路。
【061】谐振电路14接收到的能量在集成电路18上的整流器模块28中进行整流，该整流器模块28通过LF输入终端与谐振电路14相连接。整流器模块28通过电源终端向稳压器32和外部电容器24输出被整流的电压。
【062】应该理解该整流器模块28是上述的全波整流器，这样电容器24就被充电到LF谐振电路14所接收的RF信号的峰-峰电压值。
【063】来自电容器24的电源电压也被分送到数据缓冲器34和另一个稳压器36。整流器模块28也将在其输入处接收的信号传递给输出，该输出与解调器30的输入相连接。集成电路18的主要组件是可编程控制单元38，其接收稳压器32提供给它的电压。可编程控制单元38控制数据的测量并处理测量数据。解调器30通过整流器模块28接收来自询问器单元7的询问信号。经过解调后解调器30向可编程控制单元38输出起动信号。可编程控制单元38具有与模数转换器40的输入相连接的输出，模数转换器40具有另外两个输入，其通过模拟输入终端与压力传感器26相连接。集成到集成电路18上的温度传感器42具有连接到模数转换器40的另一个输入的输出。模数转换器40向可编程控制单元38的输入输出被转换的测量数据。可编程控制单元38通过时钟终端44接收时钟信号。通过使能终端46，可编程控制单元38可以被使能。这一使能终端也与数据缓冲器34相连接。程序数据可以通过数据缓冲器34由数据输入终端48加载到可编程控制单元38；电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)50也被提供并与可编程控制单元38相连接。EEPROM 50和数据缓冲器34被用于向可编程控制单元38加载程序数据并调整，例如，传感器曲线来适应实际应用的压力传感器。可编程控制单元38具有与编码器52的输入相连接的输出。对测量数据进行处理之后，可编程控制单元38将要发送的数据输出给编码器52。编码器52具有通过集成电路18的输出终端与RF发射器12的输入相连接的输出。编码器52对数据进行编码并向RF发射器12输出被编码的数据。所使用的编码可以是曼彻斯特码。
【064】在可以持续几秒钟的第一运行模式中，电容器24被充电。询问器单元7包括运行于125KHz或134.2KHz的LF频率的LF发射器。该LF发射器发送LF频率的电磁波。谐振电路14被调谐到这一LF频率并在每次随车轮转动的发射机应答器装置10从询问器单元7前面经过时接收能量，该询问器单元7被安装在车轮架8上。该能量被谐振电路14接收并被整流器模块28中的整流器整流，然后被储存于电容器24中。为了实现有效的能量传输，每个询问器单元包括天线，该天线随着车辆运转沿塑料材质衬套的外围轮廓的主要部分延伸。
【065】电容器24的容量在几法到几十微法的范围内，以保证存储足够的能量。
【066】在第二运行模式中，询问器单元7发送传输测量数据的请求。在这一仅持续几毫秒的运行模式中，能量由电容器24提供给RF发射器12。
【067】测量请求被解调器单元30解调并输出给可编程控制单元38。然后可编程控制单元38从模数转换器40提取温度和压力测量数据。所得到的测量数据在可编程控制单元38中被处理并发送给编码器52。编码器52对所接收的数据进行编码并将他们通过输出终端输出给RF发射器12，RF发射器12会发送响应电报。假设电报长度为64比特而比特率为9.6千比特/秒，则向中央接收器4传送测量数据仅持续几毫秒。当响应电报及测量数据已经由RF发射器12发送出去时，第二运行模式结束而第一运行模式重新开始。
【068】作为对询问器7在充电阶段结束时向发射机应答器装置10发送请求的可替代动作，发射机应答器装置10可以探测电容器24是否完全充电并在预置充电电压已达到时切换到传送模式。
【069】每个询问器7中的LF发射器可以连续运行。作为进一步的可替代选项，LF发射器可以不连续运行，且由相关联的发射机应答器装置对每个LF传输阶段的终止进行探测以促使自动切换到数据传输模式。

Claims (11)

1.一种发射机应答器装置，其包括：
半导体衬底中的集成CMOS电路；
第一整流二极管(DS)，其由CMOS电路的衬底二极管构成；
第一MOS晶体管结构(DR1)和第二MOS晶体管结构(DR2)，它们的沟道被串联连接以使它们起第二整流二极管(DR)的作用，所述第一整流二极管(DS)的阴极与所述第二整流二极管(DR)的阳极相连接；
其中所述第一MOS晶体管结构和所述第二MOS晶体管结构相互隔离开来，以保证两个MOS晶体管结构之间的距离足够大，从而使得所述第一和第二MOS晶体管结构(DR1，DR2)在所述衬底中所构成的寄生npn结构具有可忽略的电流增益。
2.根据权利要求1所述的发射机应答器装置，其中所述两个MOS晶体管结构之间的间距大于100μm。
3.根据前面任何一项权利要求所述的发射机应答器装置，其中所述衬底的导电类型为p-类型；并且其中所述第一和第二MOS晶体管结构中的每一个均为NMOS晶体管。
4.根据前面任何一项权利要求所述的发射机应答器装置，进一步包括：
第一终端(RF)，其与所述第一整流二极管(DS)的阴极和所述第二整流二极管(DR)的阳极相连接；
第二终端(GND)，其与所述第一整流二极管(DS)的阳极相连接；
第三终端(VCF)，其与所述第二整流二极管(DR)的阴极相连接；
LC谐振电路，其与第一充电电容器(CL)串联连接于所述第一终端(RF)和所述第二终端(GND)之间；以及
第二充电电容器(CCF)，其横跨连接于所述第三终端(VCF)和所述第二终端(GND)。
5.根据前面任何一项权利要求所述的发射机应答器装置，其中所述第一整流二极管和所述第二整流二极管均被用作半波整流器。
6.一种车辆轮胎压力监控系统，其包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的发射机应答器装置，其用于要被监控的每个轮胎，所述发射机应答器装置(10)具有并入的RF发射器(12)且与要被监控的车轮/轮胎物理关联；
压力传感器(26)，其用于要被监控的每个轮胎，且与相应发射机应答器装置(10)中的电路相连接；
询问器单元(7)，其与每个发射机应答器装置(10)关联且物理安装于车辆(1)上靠近车轮(9)的位置处，在车轮(9)上安装有要被监控的轮胎；以及
用于所有发射机应答器装置(10)的中央RF接收器(4)；
其中每个发射机应答器装置(10)与相关联的询问器单元(7)电感耦合，并且每个发射机应答器装置(10)包括适用于在第一运行模式中被能量充电的电荷积累元件(24)，该能量由相关联询问器单元(7)以电磁感应的方式提供，而在第二运行模式中该电荷积累元件(24)向所述发射机应答器装置(10)的RF发射器(12)提供电力供应。
7.根据权利要求6所述的监控系统，其中所述中央RF接收器(4)作为遥控系统的一部分被安装在所述车辆(1)中，并与遥控控制器相连接，该控制器具有附加的功能来处理从所述发射机应答器装置(10)接收的数据并驱动所述车辆(1)中的显示装置(6)。
8.根据权利要求7所述的监控系统，其中所述询问器单元(7)也与所述遥控控制器相连接且被所述遥控控制器所控制。
9.根据权利要求7所述的监控系统，其中所述遥控系统为远程无键输入系统。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的监控系统，其中所述询问器单元(7)被安装在所述车辆(1)上的各个车轮架(8)中，而所述电荷积累元件(24)在各自车轮的旋转过程中被充电。
11.根据权利要求10所述的监控系统，其中所述询问器单元(7)被安装在塑料材质的衬套上，并且包括天线，该天线随着车辆运转沿所述衬套的外围轮廓的主要部分延伸。
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