CN102063638B - 用于射频电子标签的整流电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于射频电子标签的整流电路，至少包含N级整流单元，每级整流单元均采用差分结构，使信号实现全波整流，提高了信号的利用率，并且，本发明通过设置偏置电压产生管为各整流管栅极提供偏置电压，使各整流管处于亚阈值状态，同时，本发明还采用栅极稳定电容减少各整流管栅-源寄生电容的影响，使栅极电压稳定，减小了源极信号波动对栅极偏置电压的影响。
Description
技术领域
本发明属于射频集成电路领域，涉及一种整流电路，具体为一种用于射频电子标签的整流电路。
背景技术
射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性自动识别目标对象并获取相关信息，实现自动识别。作为一项关键技术，RFID由于其众多便利的特点和广泛的应用领域，越来越受到人们的普遍关注。RFID技术有着十分广泛的应用前景，其可以应用于物流仓储中的仓库管理、身份识别、交通运输、食品医疗、动物管理、门禁防盗以及工业军事等多种领域，给人们生活带来了极大的便利。
RFID系统通常由标签（Tag）、RFID读写设备（Reader）以及应用软件平台构成，标签和RFID读写设备是RFID系统的硬件基础。RFID电子标签种类很多，按照供电方式通常可分为有源和无源的电子标签；按照载波频率通常可分为低频(134.2kHz)、高频(13.56MHz)以及超高频(433MHz和915MHz)，其中超高频则属于未来的发展方向。
图1为一常见的无源电子标签芯片的电路结构图。根据图1，电子标签包括天线、匹配网络、整流电路、电源产生模块、接收发送电路、数字控制部分及存储单元。无源电子标签由于没有外部电源供给，因此需要整流电路对从天线输入的射频信号进行整流，得到直流电压对芯片的其他模块（如检波及时钟电路、数字控制部分及存储单元）进行供电，因此整流电路对于无源电子标签芯片至关重要。一般整流电路采用传统的N级倍压整流电路实现，其整流器件采用MOS器件漏栅短接等效的二极管，由于一般MOS器件阈值较高，如NMOS约0.7v，PMOS约0.9v，在低功耗的RFID系统中如果采用这种整流电路将会使得整流效率降低，从而使得电子标签最远工作距离缩短。
中国专利CN200610118905.4提出了一种用于射频电子标签的自偏置高效整流电路，如图2所示，其主要目的是通过电压偏置管MB1-MB3给整流的MOS管（M1、M2）提供稳定的直流偏压，使得整流管栅极电压保持在微导通状态，降低整流管的导通阈值，以提高整流电路的整流效率。
然而，该电路虽然可以降低整流管的导通阈值，却存在以下两个主要缺点：1、该电路属于半波整流电路，对信号的利用率比较低；2、该电路的自偏置信号没有设置稳定电路，在信号波动时会降低整流效率。
综上所述，可知先前技术中用于射频电子标签的整流电路存在信号利用率较低且由于没有设置稳定电路信号波动时会降低整流效率的问题，因此，实有必要提出改进的技术手段，来解决此一问题。
发明内容
为克服上述现有技术存在的信号利用率较低且由于未设置稳定电路会降低整流效率的问题，本发明的一个目的在于提供一种用于射频电子标签的整流电路，以实现一种全波整流电路，提高信号利用率。
本发明的另一个目的在于提供一种用于射频电子标签的整流电路，以实现对各整流管提供偏置电压，降低各整流管实际导通时的阈值电压。
本发明第三个目的在于提供一种用于射频电子标签的整流电路，以实现对各整流管的偏置电压设置稳定电路，以减小各整流管栅-源寄生电容的影响，稳定栅极电压。
为达上述及其它目的，本发明一种用于射频电子标签的整流电路，包含N级采用差分结构的整流单元，每级整流单元均具有第一输入端、第二输入端、第一输出端及第二输出端，当前级整流单元的第一输出端与下一级整流单元的第一输入端相连，当前级整流单元的第二输出端与下一级整流单元的第二输入端相连，第一级整流单元的第一输入端与第二输入端连接至该电子标签天线的第二端，最后一级整流单元连接至输出电源的正负端，其中，
每级整流单元均包括第一差分整流单元与第二差分整流单元，该第一差分整流单元包括第一正向整流管、第二正向整流管、第一耦合电容以及第一负载电容，该第一正向整流管源极接至该当前级整流单元的第一输入端，漏极与该第一耦合电容及该第二正向整流管漏极共连，该第二正向整流管源极连接至该当前级整流单元的第一输出端，该第二差分整流单元包括第一负向整流管、第二负向整流管、第二耦合电容以及第二负载电容，该第一负向整流管源极接至该当前级整流单元的第二输入端，漏极与该第二耦合电容及该第二负向整流管漏极共连，该第二负向整流管源极连接至当前级整流单元的第二输出端，该第一耦合电容、该第二耦合电容与该电子标签天线的第一端相连，该第一负载电容、该第二负载电容与该电子标签天线的第二端相连。
进一步地，每级整流单元还包含四个偏置电压产生管，该四个偏置电压产生管分别为该第一正向整流管、该第二正向整流管、该第一负向整流管以及该第二负向整流管提供偏置电压。
进一步地，该四个偏置电压产生管均采用漏栅短接形成有源电阻的接法，且该第一正向整流管的偏置电压产生管源极接至该当前级整流单元的第一输入端，栅极接至该第一正向整流管的栅极，漏极外接一电流源；该第二正向整流管的偏置电压产生管源极接至该当前级整流单元的第一输出端，栅极接至该第二正向整流管的栅极，漏极外接一电流阱；该第一负向整流管的偏置电压产生管源极接至该当前级整流单元的第二输入端，栅极接至该第一负向整流管，漏极外接该电流阱；该第二负向整流管的偏置电压产生管源极接至该当前级整流单元的第二输出端，栅极接至该第二负向整流管，漏极外接该电流源。
进一步地，该整流电路还包括一偏置电流产生模块，该偏置电流产生模块连接至该四个偏置电压产生管的漏极，以提供该电流源或电流阱。
进一步地，每级整流单元还包括第一电容、第二电容、第三电容以及第四电容，以稳定各整流管栅极电压的电容，其中该第一电容一端连接至该第一正向整流管栅极，另一端连接至该当前级整流单元的第一输入端；该第二电容一端连接至该第二正向整流管栅极，另一端连接至该当前级整流单元的第一输出端；该第三电容一端连接至该第一负向整流管栅极，另一端连接至该当前级整流单元的第二输入端；该第四电容一端连接至该第二负向整流管栅极，另一端连接至该当前级整流单元的第二输出端。
其中，该第一正向整流管、该第二正向整流管、该第一负向整流管以及该第二负向整流管可以为N型、P型MOS耗尽或增强型晶体管。
其中，该四个偏置电压产生管为N型、P型MOS耗尽或增强型晶体管。
与现有技术相比，本发明一种用于射频电子标签的整流电路，通过利用N级差分结构的整流单元，使信号实现全波整流，提高了信号的利用率，同时，本发明通过采用于各整流管栅极增加偏置电压的方法，使各整流管处于亚阈值状态，降低了各整流管实际导通时的阈值电压，另外，本发明还进一步采用栅极稳定电容减小各整流管栅-源寄生电容的影响，使栅极电压稳定，减小了源极信号波动对栅极偏置电压的负面影响。
附图说明
图1为射频电子标签结构示意图；
图2为现有技术带自动偏置的整流单元电路结构图；
图3为本发明用于射频电子标签的整流电路优选实施例的结构示意图；
图4为图3中单级整流单元的电路结构图；
图5为本发明具两级整流单元的整流电路的电路结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图3为本发明用于射频电子标签的整流电路优选实施例的电路结构图，图4为本发明用于射频电子标签的整流电路优选实施例的单级整流单元的电路结构图。请同时参照图3及图4，本发明一种用于射频电子标签的整流电路，其至少包括第1-N级整流单元（1），且每级整流单元均采用差分结构。
其中每级整流单元（1）至少包括第一差分整流单元10以及第二差分整流单元11，第一差分整流单元10包括第一正向整流管MN1、第二正向整流管MP3、第一耦合电容CP4以及第一负载电容CP3，于本发明较佳实施例中，第一正向整流管MN1为N型MOS晶体管，第二正向整流管MP3为P型MOS晶体管，其中第一耦合电容CP4一端（①端）与电子标签天线的第一端ANT1连接，另一端与第一正向整流管MN1及第二正向整流管MP3的漏极共连，第一正向整流管MN1源极接至每级整流单元的第一输入端（即②端），第二正向整流管MP3源极接至每级整流单元的第一输出端（即⑤端，该级整流单元输出正端），第一负载电容CP3一端与天线第二端ANT2连接（即④端），另一端接整第一输出端；第二差分整流单元11包括第一负向整流管MP1、第二负向整流管MN3、第二耦合电容CN4以及第二负载电容CN3，于本发明较佳实施例中，第一负向整流管MP1为P型MOS晶体管，第二负向整流管MN3为N型MOS晶体管，其中第一负向整流管MP1源极接至每级整流单元的第二输入端（即③端），漏极与第二负向整流管MN3的漏极相连，第二负向整流管MN3的源极接至每级整流单元的第二输出端（即⑥端，整流单元输出负端），第二耦合电容CN4一端与天线的第一端ANT1连接，另一端与第一负向整流管MP1及第二负向整流管MN3的漏极共连，第二负载电容CN3一端与天线第二端ANT2连接，另一端与整流单元输出负端连接。需要说明的是，本发明于第一级整流单元中，第一正向整流管MN1源极（即第一输入端）及第一负向整流管MP1源极（即第二输入端）与电子标签天线的第二端ANT2（即④端）连接。
请继续参考图4，为降低本发明优选实施例中各整流管的导通阈值，以提高本发明的整流效率，本发明整流电路优选实施例的每级整流单元还至少包括四个偏置电压产生管MN2、MP4、MP2以及MN4，其中MN2、MN4为N型MOS晶体管，MP4、MP2为P型MOS晶体管，MN2为第一正向整流管MN1的偏置电压产生管，其源极与第一正向整流管MN1源极连接，并共同连接至第一输入端，漏栅短接形成有源电阻的接法且漏极需外接一电流源，同时其栅极接至第一正向整流管MN1的栅极，为第一正向整流管MN1提供偏置电压，MP4为第二正向整流管MP3的偏置电压产生管，其源极与第一输出端（即⑤端）连接，漏栅短接构成有源电阻接法且漏极需外接电流阱，同时其栅极接到第二正向整流管MP3的栅极，为第二正向整流管MP3提供偏置电压；MP2为第一负向整流管MP1的偏置电压产生管，其源极与第一负向整流管MP1源极相接，并共同连接至第二输入端（即③端），漏栅短接构成有源电阻接法且漏极需外接电流阱，同时栅极接到第一负向整流管MP1的栅极，为第一负向整流管MP1提供偏置电压；MN4为第二负向整流管MN3的偏置电压产生管，其源极与整流单元的第二输出端（即⑥端）连接，漏栅短接构成有源电阻的接法且漏极需外接电流源，同时栅极接到第二负向整流管MN3的栅极，为第二负向整流管MN3提供偏置电压。
进一步地，为防止信号波动时整流效率降低，本发明优选实施例还利用电容CP1，CP2，CN1以及CN2来稳定栅极电压的电容，具体连接为：电容CP1一端与第一正向整流管MN1及其偏置电压产生管MN2共同的栅极连接，另一端与第一正向整流管MN1源极、偏置电压产生管MN2源极共同连接至第一输入端（即②端）；电容CP2一端与第二正向整流管MP3及其偏置电压产生管MP4共同的栅极连接，另一端接整流单元的第一输出端（即⑤端）；电容CN1一端与第一负向整流管MP1及其偏置电压产生管MP2共同的栅极连接，另一端与第一负向整流管MP1源极、偏置电压产生管MP2源极共同连接至第二输入端（即③端）；电容CN2一端与第二负向整流管MN3及其偏置电压产生管MN4共同的栅极连接，另一端接至整流单元的第二输出端（即⑥端）。本发明通过采用栅极稳定电容（CP1，CP2，CN1，CN2）减小整流管（MN1、MP3、MP1以及MN3）栅-源寄生电容的影响，使栅极电压稳定，减小了源极信号波动对栅极偏置电压的负面影响。
请继续参考图3，本发明一种用于射频电子标签的整流电路，包括采用差分结构的第1-N级整流单元（1），每级整流单元（1）的①端与电子标签天线第一端相连，每级整流单元（1）的④端与天线的第二端相连，且第一级整流单元的②，③端与④端相连，每一级整流单元的⑤端与下一级的②端相连，每一级的⑥端与下一级的③端相连，最后一级的⑤端、⑥端分别为输出电源的正、负端。图3中所指示①②③④⑤⑥节点分别与图4中①②③④⑤⑥节点相对应，另外，为使偏置电压产生管MN2、MP4、MP2以及MN4能提供偏置电压，本发明整流电路还包括偏置电流产生模块（2），为每级整流单元分别提供2个电流源和2个电流阱用于偏置电压的产生。
图5为本发明具两级整流单元的整流电路实施例的电路结构图。其中21为第一级整流单元，22为第二级整流单元。第一级整流单元21的第一输入端与第二输入端均连接至天线的第二端ANT2，其第一输出端连接至第二级整流单元22的第一输入端，第二输入端连接至第二级整流单元22的第二输入端，实现了本发明包含两级整流单元的带差分结构的整流电路。
综上，相对传统的整流电路，本发明采用差分结构，使信号实现全波整流，提高了能量的利用率，相对传统的MOS整流电路，本发明采用了在栅极增加偏置电压的方法，使整流管处于亚阈值状态，本发明还采用了栅极稳定电容（CP1，CP2，CN1，CN2）减小整流管栅-源寄生电容的影响，使栅极电压稳定，减小了源极信号波动对栅极偏置电压的负面影响。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (7)
1.一种用于射频电子标签的整流电路，包含N级采用差分结构的整流单元，每级整流单元均具有第一输入端、第二输入端、第一输出端及第二输出端，当前级整流单元的第一输出端与下一级整流单元的第一输入端相连，当前级整流单元的第二输出端与下一级整流单元的第二输入端相连，第一级整流单元的第一输入端与第二输入端连接至该电子标签天线的第二端，最后一级整流单元连接至输出电源的正负端，其中，
每级整流单元均包括第一差分整流单元与第二差分整流单元，该第一差分整流单元包括第一正向整流管、第二正向整流管、第一耦合电容以及第一负载电容，该第一正向整流管源极接至该当前级整流单元的第一输入端，漏极与该第一耦合电容及该第二正向整流管漏极共连，该第二正向整流管源极连接至该当前级整流单元的第一输出端，该第二差分整流单元包括第一负向整流管、第二负向整流管、第二耦合电容以及第二负载电容，该第一负向整流管源极接至该当前级整流单元的第二输入端，漏极与该第二耦合电容及该第二负向整流管漏极共连，该第二负向整流管源极连接至当前级整流单元的第二输出端，该第一耦合电容、该第二耦合电容与该电子标签天线的第一端相连，该第一负载电容、该第二负载电容与该电子标签天线的第二端相连。
2.如权利要求1所述的用于射频电子标签的整流电路，其特征在于：每级整流单元还包含四个偏置电压产生管，该四个偏置电压产生管分别为该第一正向整流管、该第二正向整流管、该第一负向整流管以及该第二负向整流管提供偏置电压。
3.如权利要求2所述的用于射频电子标签的整流电路，其特征在于：该四个偏置电压产生管均采用漏栅短接形成有源电阻的接法，且该第一正向整流管的偏置电压产生管源极接至该当前级整流单元的第一输入端，栅极接至该第一正向整流管的栅极，漏极外接一电流源；该第二正向整流管的偏置电压产生管源极接至该当前级整流单元的第一输出端，栅极接至该第二正向整流管的栅极，漏极外接一电流阱；该第一负向整流管的偏置电压产生管源极接至该当前级整流单元的第二输入端，栅极接至该第一负向整流管，漏极外接该电流阱；该第二负向整流管的偏置电压产生管源极接至该当前级整流单元的第二输出端，栅极接至该第二负向整流管，漏极外接该电流源。
4.如权利要求3所述的用于射频电子标签的整流电路，其特征在于：该整流电路还包括一偏置电流产生模块，该偏置电流产生模块连接至该四个偏置电压产生管的漏极，以提供该电流源或电流阱。
5.如权利要求4所述的用于射频电子标签的整流电路，其特征在于：每级整流单元还包括第一电容、第二电容、第三电容以及第四电容，以稳定各整流管栅极电压的电容，其中该第一电容一端连接至该第一正向整流管栅极，另一端连接至该当前级整流单元的第一输入端；该第二电容一端连接至该第二正向整流管栅极，另一端连接至该当前级整流单元的第一输出端；该第三电容一端连接至该第一负向整流管栅极，另一端连接至该当前级整流单元的第二输入端；该第四电容一端连接至该第二负向整流管栅极，另一端连接至该当前级整流单元的第二输出端。
6.如权利要求5所述的用于射频电子标签的整流电路，其特征在于：该第一正向整流管、该第二正向整流管、该第一负向整流管以及该第二负向整流管可以为N型、P型MOS耗尽或增强型晶体管。
7.如权利要求6所述的用于射频电子标签的整流电路，其特征在于：该四个偏置电压产生管为N型、P型MOS耗尽或增强型晶体管。
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