CN102386789A

CN102386789A - 高效电荷泵

Info

Publication number: CN102386789A
Application number: CN2011102452565A
Authority: CN
Inventors: 拉齐德·埃尔瓦法欧埃
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2031-08-25
Also published as: US8687395B2; EP2424092B1; EP2424092A1; US20120049937A1; CN102386789B

Abstract

本申请公开了一种整流器、电荷泵装置、无线识别装置和操作电荷泵装置的方法，其中描述了一种利用动态阈值MOSFET的高效整流级。其思想是利用输入信号在晶体管(M1，M3)应导通时减小阈值电压，以及在晶体管(M1，M3)应断开时提高阈值。这允许减少电阻损耗和泄漏电流。一种匹配网络，其允许生成更高的第二电压信号以驱动晶体管(M1，M3)的控制栅(GM1，GM3)和本体BM1，BM3)，即阱。进一步，提供了一种自调前端以扩展高Q电荷泵的带宽。

Description

高效电荷泵

技术领域

本发明涉及整流器及电荷泵领域。

背景技术

RFID标签和阅读器系统可以运行在很宽的频率范围上，包括低频(LF)应用、高频(HF)应用和超高频应用(UHF)。LF应用典型地运行在125-148.5kHz的范围内。HF应用典型地运行在13.56MHz上。UHF应用典型地运行在300MHz至3GHz的范围内。RFID标签和阅读器系统的“读取范围”通常定义为阅读器能够与标签通信的距离。无源的LF和HF应用提供非常短的读取范围，通常需要RFID标签处于阅读器的0.01至0.5m范围内以进行成功通信。无源的UHF应用典型地提供较长的读取范围，允许RFID标签处于阅读器的2至12米或更多的范围内以进行成功通信。在这种情况下，最大读取范围主要受限于电荷泵的灵敏度，该灵敏度定义为输送标签数字和模拟电路所需的DC功率要求的电荷泵的最小输入RF功率。可以通过两种方法改善所述读取范围：(a)减少所述标签电路中的DC功耗，和(b)在仍然满足带宽要求的情况下提高电荷泵的效率。

图16示意性地示出了利用所谓的阈值V_T抵消的已知的一级电荷泵。主整流器M1和M2需要的偏压2由“辅助”电荷泵3产生，这些“辅助”电荷泵由相同的RF AC输入4供电。与所述主整流器不同，所述辅助泵M1、M2只有电容性负载(M1和M2的栅)；因此它们的偏置更加不重要。当交流耦合的输入信号为负时整流器M1“导通”，而在输入信号为正时整流器M2导通。因此，设置了DC输出5。电荷泵的品质因子应限制到最大大约为10，以满足所述应用的带宽要求。该受限的品质因子导致整流器中显著的功率损耗。因此，图15中显示的电荷泵具有大约35％的中等效率。

由于上述情况，有必要对技术进行改进以使得电荷泵具有高效率，同时基本上避免或至少减少一个或多个以上认识到的问题。

发明内容

根据本发明独立权利要求所请求保护的主题可以满足上述需要。从属权利要求描述了本文所公开主题的有利的实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种整流器，包括用于接收AC输入信号的AC输入、DC输出、用于提供整流输出信号给所述DC输出的至少一个晶体管、以及耦合到所述晶体管的本体(bulk)的阈值改变电路，其中所述晶体管是场效应晶体管，所述阈值改变电路适于根据所述AC输入信号电偏置所述晶体管的本体，从而根据该AC输入信号改变所述晶体管的阈值电压。这允许所述晶体管的阈值电压对所述AC输入信号的动态适应。

根据实施例，所述晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。所述整流器可以包括单一的晶体管，并且基于所述AC输入信号偏置所述晶体管的本体。根据其他的实施例，所述整流器包括两个或多个这种晶体管。在这种情况下，本发明中针对一个晶体管介绍的所述实施例及示例也可以应用到其他的这种晶体管，或者以同样的形式，或者以两个或多个晶体管之间不同的形式。

根据实施例，所述AC输入耦合到所述晶体管的源或漏。关于这一点，以及一般地在本文中，“耦合”包括直接的电连接，通过其他元件的连接等等。

根据第一方面的进一步的实施例，所述阈值改变电路配置为在所述晶体管应导通情况下将所述晶体管的阈值电压设置为低值，在所述晶体管应断开情况下将所述晶体管的阈值电压设置为高值。结果，如果所述晶体管导通并且所述阈值电压被设置为低值，则可以减小电阻损耗。另一方面，如果所述晶体管断开并且所述阈值电压被设置为高值，则可以减少所述晶体管的泄露。

应该理解，所述晶体管“应导通或断开”的状态应根据晶体管提供所述AC输入信号的整流所需的操作来理解。例如，如果所考虑的晶体管设置为将正半波切换到输出，则只要在AC输入处接收到正半波，该晶体管就应导通。

根据第一方面进一步的实施例，提供了一种匹配电路，该匹配电路具有用于接收输入功率的功率输入；第一匹配电路输出，耦合到AC输入，第一匹配电路输出响应于所接收的输入功率提供第一电压；以及第二匹配电路输出，耦合到所述晶体管的栅和所述晶体管的本体中的至少一个，第二匹配电路输出响应于所接收的输入功率提供第二电压；其中所述匹配电路配置为使得所述第二电压的幅度高于第一电压的幅度。

根据实施例，所述输入功率由功率输入从天线接收，例如从偶极接收。根据进一步的实施例，第二匹配电路输出耦合到所述晶体管的栅和所述晶体管的本体。在其他实施例中，第二匹配电路输出仅耦合到所述晶体管的栅。根据更进一步的实施例，第二匹配电路输出仅耦合到所述晶体管的本体。无论哪种情况，所述匹配电路允许相对于提供给所述晶体管的源或漏(或向其提供)的电压，调节提供给所述晶体管的栅和/或本体(或向其提供)的电压。关于这一点，再次提到“耦合”包括通过其他元件的耦合。例如，根据实施例，在第二匹配输出处提供的电压通过电容器耦合到所述晶体管的本体。

根据第一方面进一步的实施例，所述匹配电路还包括：第一匹配线圈，其耦合在所述功率输入和所述AC输入之间；以及第二匹配线圈，其耦合到所述AC输入并提供第二电压；其中第一匹配线圈和第二匹配线圈彼此相对设置为使得第一匹配线圈产生的电磁场耦合到第二匹配线圈，从而使第二匹配电路输出的第二电压与第一匹配电路输出的第一电压相比增加。

采用第一匹配线圈和第二匹配线圈实现匹配电路，提供了这方面的简单且具有成本效率的实现。根据实施例，可以通过导电材料中的槽实现一个匹配线圈或两个匹配线圈中的每一个。进一步，根据实施例，可以在芯片上设置一个匹配线圈或两个匹配线圈，或者，在另外的实施例中，也可以将其设置为天线的一部分。后面的实施例特别适用于RFID应用中。

根据进一步的实施例，所述整流器包括在第一匹配电路输出和第二匹配电路输出之间耦合的开关元件，其用于选择性地电连接所述第一匹配电路输出和第二匹配电路输出。该开关元件在某些情况下允许短路。例如，在RFID标签的写入操作过程中，在所述两个匹配电路输出上提供的信号可能异相。在这种情况下，所述开关元件允许通过电连接两个匹配电路输出以将两个信号强制为同相。

根据本文所公开主题的第二方面，提供了一种电荷泵装置，其中所述电荷泵装置包括根据第一方面或其示例或实施例的至少一个整流器。

根据第二方面的实施例，所述电荷泵装置还包括：可变电容单元，用于提供电容以调整所述电荷泵装置的输入阻抗的虚部。在一个实施例中，通过电容器组提供所述可变电容单元。在一个实施例中，通过所述电容器组的适当的输入信号，从所述电容器组中选择出相应的电容。

在一个实施例中，可以通过可调电阻器调节所述电荷泵的输入阻抗的实部。

根据进一步的实施例，所述电荷泵装置还包括调整电路，用于将所述可变电容单元提供的电容调整到向电荷泵装置提供最大输入功率的值。所述最大输入功率可以是绝对最大值，或至少是局部最大值。根据实施例，所述调整电路改变由所述可变电容提供的电容，并监视输入到所述电荷泵装置的输入功率。例如，根据实施例，所述调整电路可以使用梯度搜索。在一个实施例中，可以通过以下方式进行这种梯度搜索：在第一步中增加电容，并且如果基于所述增加的电容而输入到所述电荷泵装置的输入功率高于之前输入到所述电荷泵装置的输入功率，则保持所述增加的电容。对于调整所述电荷泵装置的输入阻抗的虚部，替代地或附加地，可以调整所述主整流器的栅的偏压以提供最大输入功率。可以通过改变所述整流器的导通角来实现这一点。因此，也可以通过改变所述整流器的栅电压来调整所述输入阻抗的实部。

根据本文所公开主题的第三个方面，提供了一种无线识别装置(RFID装置)，所述RFID装置包括根据所述第二方面及其示例或实施例的电荷泵装置。通过对RFID装置使用根据所述第二方面及其示例和/或实施例的电荷泵，在相同的输入功率水平下可以实现更高的电荷泵输出电压，或者即使减小输入功率水平也可以实现足够的输出电压。因此，可以在不改变所述RFID阅读器的功率的情形下提高所述RFID标签的RFID读取范围。

根据本文所公开主题的第四个方面，提供了一种操作电荷泵装置的方法，所述电荷泵装置包括具有场效应晶体管形式的晶体管的整流器，所述方法包括根据输入到所述整流器的AC输入信号电偏置所述晶体管的本体，从而根据该AC输入信号改变所述晶体管的阈值电压。这允许所述晶体管的阈值电压对所述AC输入信号的动态适应。具体地，如果在所述晶体管应导通时将所述晶体管的阈值电压设置为低值，在所述晶体管应断开时设置为高值，则可以减小所述晶体管的电阻损耗和泄漏损耗。

根据所述第四方面的实施例，所述方法包括向所述晶体管的源/漏提供由该晶体管切换的第一电压；以及向所述晶体管的栅和所述晶体管的本体的至少一个提供高于所述第一电压的第二电压。以这种方法，即使对低AC输入电压的情况也可以实现对晶体管的本体进行足够的偏置。

根据所述第四方面的实施例，所述方法包括自动至少调整所述电荷泵装置的输入阻抗的虚部，以提供该电荷泵的最大输出电压。通过这种电荷泵的自调整，所述RFID装置可以提供高带宽，同时还不必限制所述电荷泵的品质因数。更高的品质因数有助于改善所述电荷泵的功率转换效率(PCE)。

在上文中已经描述以及下文中将要描述的本文所公开主题的示例性实施例中，涉及到整流器、电荷泵、诸如RFID装置的无线设备、以及操作电荷泵装置的方法。应该指出，与本文所公开主题的不同方面有关的技术特征的任意组合当然也是可能的。具体地，已经参照装置类型权利要求描述了一些实施例，已经参照方法类型权利要求描述了其他实施例。但是，本技术领域的技术人员可以从本文上述以及下述的说明中获知，除非另外指出，除了对属于一个方面的技术特征进行任意组合之外，也可以在不同方面或实施例的技术特征之间进行任意组合，例如，即使是在装置类型权利要求的技术特征和方法类型权利要求的技术特征之间进行组合，也应认为是被本申请所公开。

可以通过下文中描述的示例使得上述限定的各方面和实施例以及本发明的进一步的方面和实施例变得明显，并且可以结合所述附图进行解释，但是本发明不限制于此。

附图说明

图1示出了根据本文所公开主题的实施例的整流器。

图2示出了根据本文所公开主题的实施例的电荷泵装置。

图3更详细地示出了图2的第一辅助电荷泵。

图4更详细地示出了图2的第二辅助电荷泵。

图5更详细地示出了图2的第三辅助电荷泵。

图6更详细地示出了图2的偏压发生器。

图7示出了根据本文所公开主题的实施例的匹配电路。

图8示出了图7的匹配电路对频率的AC响应。

图9示出了图2中的电荷泵装置的主整流器的模拟的输入和输出信号，以作为示例性模拟参数。

图10示出了相对于电压比V(ant2)/V(ant1)的预期效率和品质因子。

图11示出了根据本文所公开主题的实施例的主电荷泵和辅助电荷泵的输出的电压的时间演化。

图12示出了针对在大功率模式下的示例性模拟参数，图2中的电荷泵装置的主整流器的模拟的输入和输出信号。

图13示出了根据本文所公开主题的实施例的实现自调整方案的RFID标签集成电路。

图14示出了针对图13的自调整方案的示例性状态机。

图15示出了根据本文所公开主题的实施例的电荷泵在有自调整和没有自调整情况下所测量的DC输出电压。

图16示出了一种已知的一级电荷泵。

具体实施方式

附图中的说明是示意性的。应注意，在不同的附图中，类似或同样的元件设置有相同的附图标记。

在下文中，针对RFID标签的示例性应用情形来说明本文所公开主题的实施例的各方面、示例和实施例。采用本文中所描述的措施，通过以更高的品质因子操作电荷泵，可以特别地提高该电荷泵的效率，同时，通过利用新颖的自调整方案以扩展高Q值的电荷泵的带宽，仍然可以满足带宽要求。

本文所公开主题的实施例的关键特征是：

●一种利用动态阈值MOSFET的高效pMOSFET/nMOSFET整流级(rectification stage)。其思想是利用输入信号在晶体管应导通时减小阈值电压，以及在晶体管应断开时提高阈值。这允许减少电阻损耗和泄漏电流。

●一种新型的基于自动变压器的匹配网络，允许生成更高的第二电压信号以驱动晶体管的控制栅和本体(即阱)。

●一种自调前端，扩展高Q电荷泵的带宽。

在组合上述特征时，可以将电荷泵的效率从35％提高到60％。

应注意，尽管在上文和下文中涉及到RFID标签，实施例、示例和描述也适用于权利要求中限定的一般概念。

为了提高CMOS整流器的效率，根据实施例，建议利用更高的输入电压动态调制MOS晶体管(已知为DTMOS)的本体，以在MOS晶体管应导通时减小阈值电压V_T，以及在MOS晶体管应断开时提高阈值电压V_T。这允许减少“导通模式”下的电阻损耗和“断开模式”下的泄漏电流。等式(1)示出了阈值电压对本体-源电压()V_bs的依赖关系。DTMOS的栅电压应限制在一个二极管电压左右(室温下约0.7V)，否则会导致大的本体-源/漏结电容C_bs/C_bd和电流。大电容C_bd和C_bs将使晶体管的切换速度变差。

其中是强反型(strong inversion)的表面势，是本体阈值参数。V_SB是本体-源电压。

图1示意性示出了采用动态阈值调制的pMOSFET/nMOSFET整流器100。整流器100包括AC输入102(ant 1)和DC输出104。主整流器100包括设置为提供整流输出信号给DC输出104的M1和M3晶体管。剩余部件用于偏置。M5和M6是两个电流源，它们的栅由图6中所示的偏压发生器控制。这两个电流源通常用于偏置二极管M2和M4。这两个二极管上的电压降用来分别偏置整流器M1和M3。通过简单地改变M2和M4二极管中流动的电流，可以改变M1和M3的导通角。电阻器R1向本体提供与源DC偏压相等的DC偏压。电容器C4、C3和C6是去耦电容器。电容器C1、C2、C3和C7是AC耦合电容器。晶体管M1、M3的本体的DC偏置电压与源电压相等。但是，本体具有更高的同相AC信号。晶体管M3在输入信号102为正时是导通的。本体相对于源的电压V_SB为负，根据等式(1)，这导致较低的阈值电压。另一方面，晶体管M3在输入信号102为负时是断开的。在这种情况下，本体相对于源的电压V_SB为正，根据相同的等式(1)，这导致较高的阈值电压。M1上的情况相同，只是M1当输入信号102为负时是导通的，当输入信号102为正时是断开的。

每个晶体管M1、M3具有各自的栅GM1、GM2和本体(阱)BM1、BM2。端口ant2仅连接到晶体管M1、M3的栅和阱。这当然需要一种方法，以将nMOSFET晶体管与深阱层(Dnwell)隔离开来。Dnwell连接到电路中的最高电压。另一选择是使用SOI技术以确保在晶体管的本体之间的电绝缘。

图2示出了根据本文所公开主题的实施例的电荷泵装置200。电荷泵装置200包括四级主电荷泵202。进一步，电荷泵装置200包括静电放电(ESD)和限幅装置201，包括保护装置ESD1、ESD2和输入限制器D1、D2。进一步，电荷泵装置200包括第一辅助电荷泵204、第二辅助电荷泵206、第三辅助电荷泵208和偏压发生器210。主电荷泵包括图1中所述类型的4个pMOSFET/pMOSFET整流器100。图2中，各个整流器以I1至I4表示。由于图1的晶体管M1、M3是作为二极管起作用，因此与图2中的二极管一样描述这些晶体管，以提高图2的可读性。

在大功率模式下，体/漏C_bd和体/源C_bs电容显著增加，从而引起在ant1和ant2输入之间的相移。为了确保电路在大功率模式下的运行，设置了短路装置212。该短路装置包括开关MS，用于在该模式下短路ant1和ant2输入。开关MS在小功率模式或RFID标签的阅读模式下应该断开。如果开关MS在小功率模式下被偶然充电到高压，该电阻器R1允许开关MS的栅进行放电。

短路装置212的开关MS的栅电压是利用第一辅助电荷泵204产生的，第一辅助电荷泵204包括一个半整流级，在图3中有更详细地显示。第一级包括MN4，MN6，MP1，C1和C8。另一半级包括MP2和C0。MP20和C7产生用于MN6的DC偏压。使用一个半整流级以偏置开关MS的原因是MS的栅和源现在具有相同的AC信号。这保证了开关在小功率模式下表现为断开。但是，在大功率模式下，MS的直流栅电压远高于强制开关处于“导通”状态的源电压。

图4和图5中分别更详细地示出了第二辅助电荷泵206和第三辅助电荷泵208，用于生成为图1中的电流源M5和M6提供足够的电压峰值余量所需要的两个DC电压V_vss＝-0.5V和V_vddh＝1.5V。

电荷泵206包括一个半整流级。第一级包括MN4，MP11，MN11，C1和C17。另一半级包括MN12和C0。MN13和C18提供了用于MP11的偏压。该电荷泵用作图1中的电流源M5的电源电压vss。M5的漏和源具有相同的AC分量，这使得流经M5的电流AC信号无关。

电荷泵208具有两个输出。第一输出具有三个整流级，并用作图6中所示的偏压发生器的电源电压。第二输出具有四个半整流级，并用作图6中的电流源的电源。电流源的漏和源具有相同的AC分量，这使得流经M6的电流AC信号无关。

用于整流器100的偏置电流是利用图6中所示电路产生的。为了避免启动问题，利用第三辅助电荷泵208给该偏压发生器供电。该偏压发生器的主要组成部件是：

-Ptat电流源，包括R0，MN78，MN79，MP2，和MP1。

-启动电路，包括MN4，MN3和C12。

-电流镜MP5，MP0，MN2，MP3，MN5和MN1。

通过使得电阻器R可编程，可以使参考电流可调整，从而可以调整电荷泵的输入阻抗的实部。

图7示出了示意性的匹配电路300，其形式是使用自动变压器的匹配网络。匹配电路300具有用于接收输入功率的功率输入302。第一匹配电路输出304和ant1耦合到，例如电连接到AC输入102(参见图1)。第一匹配电路输出响应于所接收的输入功率提供第一电压。第二匹配电路输出306和ant2耦合到晶体管M1，M3的栅GM1，GM3和晶体管M1，M3的本体BM1，BM3中的至少一个。第二匹配电路输出306响应于所接收的输入功率提供第二电压。

根据本文所公开主题的实施例，匹配电路配置为使得第二电压的幅度高于第一电压的幅度。为此，根据图7所示实施例，第二线圈L1紧密耦合到第一线圈L0，如图7中的“k”所示，从而在第二匹配电路输出306，ant2处产生比第一匹配电路输出304，ant1更高的电压。根据图7中进一步显示的示例性实施例，匹配网络300连接到RFID前端308。RFID前端308包括在第一匹配电路输出304和地314之间连接的电容器310，以及在第二匹配电路输出306和地314之间连接的电容器312。进一步，RFID前端308包括电荷泵装置200(参见图2)。根据图7所示实施例，功率输入302和地314连接到天线320(例如偶极子)的输出端子316，318。

如图7所示，根据实施例，第一线圈L0的电感与第二线圈L1的电感相等(L0＝L1)。在其他实施例中，电感L0，L1不同。

根据本文所公开主题的实施例，阈值改变电路包含的部件是图7中的L0，L1和图1中的M1，M3，C2，C3，C7，R1。但是，如本领域熟练技术人员所熟知的，图1和图7所示实施例仅仅是示例性的，并且本文中描述的阈值改变电路的各个功能也可以通过其他电路或其他方法实现。

图8示出了在ant2和ant1之间的电压比曲线图。在850MHz-950MHz的频带范围内，ant2端口的电压是6dB，高于端口ant1的电压，并且该两个信号同相。根据实施例，端口ant2将仅用于驱动整流器100的栅和本体(阱)。剩余的电路诸如电荷泵、调制器和解调器连接(例如直接连接)到ant1端口。匹配网络300可以是天线的一部分，或者设置在芯片上。

已经使用160nm工艺模拟完整的电荷泵。图9示出了耦合到基于自动变压器的匹配网络的主整流器100的输入信号(ant1，ant2)和输出信号(V1，V2，V3，V4：还参见图2)(以毫伏(mV)为单位)相对于时间(以纳秒(ns)为单位)的变化曲线。图9示出了周期性的稳态响应。

模拟参数是：

天线的功率Pant＝-22dBm

天线的电阻Rant＝7Ohm

参考电流Iref＝3nA

L0＝16nH (纳亨)L1＝8nH

R1＝333kOhm(参见图1)从图9可以得到，ant1的峰值电压＝206mV，ant2的峰值电压＝347mV，并且在峰值之间具有大约10皮秒(ps)的相移。进一步，每个整流器将输出电压推送大约240mV，近似地导致V1＝240mV，V2＝480mV，V3＝720mV，V4＝960mV。

图10是电荷泵的预期效率eff(％)和品质因子Q相对于ant2电压＝V(ant2)与ant1电压＝V(ant1)的电压比的关系的图。为了实现60％的效率，该电压比应至少是1.6。对应的品质因子是大约30。图10中进一步示出了电压V(ant2)和电荷泵的输入功率p。图10中的模拟参数是：输出功率Pout＝3μW，vdda＝1.0，Iref＝4nA。

模拟电荷泵装置的启动时间如图11所示。这里，示出了主电荷泵202的输出电压和第三辅助电荷泵208的第一输出电压相对于时间(以微秒为单位)的变化。辅助电荷泵的稳定时间非常快。主电荷泵的稳定时间少于250us，并且主要受限于大负载电容。模拟参数是：Iref＝4nA，R1＝333kOhm，Pant＝-22dBm，Rant＝7Ohm，LO＝16nH，L1＝8nH。

图12示出了电荷泵在大功率模式下的行为。如图9所示，其中示出了耦合到基于自动变压器的匹配网络的主整流器100的输入信号(ant1，ant2)和输出信号(V1，V2，V3，V4：还参见图2)(以伏特(V)为单位)相对于时间(以纳秒ns为单位)的变化。通过图2中的MS开关强制ant1和ant2信号为同相。但是，在ant1和ant2之间还是剩余有相移。

为了扩展电荷泵的带宽，特别是在本文中公开的在较高品质因子下，本文所公开主题的实施例采用了自调整方案，在下文中说明该方案的一个示例。为此，图13中示出了RFID标签的标签集成电路(IC)400。包括包络检波器402、状态机404以及电容器组406。根据实施例，包络检波器402包括一个整流极。状态机404配置为调整电荷泵装置200的输入阻抗的实部和虚部，该电荷泵装置200具体地包括主电荷泵(如图2中的主电荷泵202)，以及可选地包括一个或多个辅助电荷泵。应该理解，根据实施例，在电荷泵装置200中可以设置一个、两个或更多的辅助电荷泵。例如，在电荷泵装置200中可以包括第一、第二和第三辅助电荷泵204，206，208(参见图2)。可以通过电容器组406调节电荷泵装置200的输入阻抗的虚部，同时，通过经由偏压发生器201(参见图6)的R0调整偏置电流的值，可以简单地设置实部。根据实施例，如图13中的408，410和412所示，自调整仅在启动时被激活，并且在激活标签电路之前被断开。这些标签电路可以任何的已知的方式配置，在这里不再作更详细地讨论。

图14中更详细地描述了状态机404的功能。状态机404包括第一采样保持电路502、第二采样保持电路504、比较器506、时钟发生器508和下述的一些逻辑电路。图4中进一步显示的是匹配网络300和包络检波器402。匹配网络300在一个实施例中可以包括电容器组和天线，该匹配网络向包络检波器402提供输入信号ant1。包络检波器402提供与输入信号ant1的输入功率相关的输出信号510。

状态机是基于一种梯度搜索算法：其调节整流器中输入电容和/或偏置电流的值，以便最大化输入到电荷泵的输入功率。为此，两个采样保持电路存储包络检波器402的两个连续的输出信号510。通过第一时钟信号clk1触发第一采样保持电路502对输出信号510采样，通过第二时钟信号clk2触发第二采样保持电路504对输出信号510采样。然后，通过比较器506比较在采样保持电路502，504中保持的两个值，比较器506提供向多路复用元件(mux element)514提供输出信号512。通过时钟clk4触发多路复用元件514，从而考虑是第一采样保持电路502还是第二采样保持电路504保持较老的值(每次通过采样保持电路502，503的其中之一对新的输出信号510采样时，这都会变化)。然后，多路复用元件514向多路复用元件518提供相应的输出信号(坡度信号)516。该坡度信号516指示输入功率是已提高还是减少。多路复用元件518和逻辑元件520实现了调整算法。例如，根据实施例，如果输入功率已减少，则包括累加器(存储器)524、求和点(summing point)526以及反馈线路528的计数器522按照从累加计数(counting up)到累减计数(counting down)切换，或者按照相反切换。是通过时钟clk3触发计数器。解复元件(DMUX)530响应于计数器522的输出532，提供控制信号534以控制输入阻抗的虚部，以及控制信号536以控制输入阻抗的实部。如上所述，(通过电容器组和电阻R0)可以改变电荷泵装置的输入阻抗的实部和虚部。控制位re_im用于在电荷泵的输入阻抗的实部或虚部之间选择。这暗示了实部和虚部的调整是连续进行的。一旦主电荷泵的输出超过某一阈值，则触发自调整，并且在多个时钟周期之后断开该自调整，这些时钟周期依赖于电容器组的大小和初值。在自调整阶段的末尾，标签电路被激活以启动与阅读器的通信。

图15示出了以开环和闭环模式进行自调整的电荷泵的所测量的DC输出电压。自调整，即闭环模式，允许将高Q电荷泵的-3dB带宽扩展达因子2。在开环模式下，电容器组被断开，而在闭环模式下，经由图14中的状态机控制电容器组的值。

根据本发明的实施例，可以相应的计算机程序产品的形式提供任何适当的电荷泵装置的部件，这些计算机程序产品使得处理器能够提供本文中所公开的相应元件的功能。根据其他的实施例，可以硬件形式提供任何部件。根据其他组合的实施例，可以软件提供某些部件，同时可以硬件提供其他部件。进一步，应当注意，可以为本文中所公开的每个功能提供独立部件(例如电路)。根据其他实施例，将至少一个部件(例如电路)配置为提供本文中所公开的两个或多个功能。

应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且术语“一”或“一种”没有排除复数的情况。同样，也可以将不同实施例中关联描述的元件相结合。同样应该注意，在权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

本文的上述实施例可以概括为：

一种利用动态阈值MOSFET的高效整流级。其思想是利用输入信号在晶体管应导通时减小阈值电压，以及在晶体管应断开时提高阈值。这允许减少电阻损耗和泄漏电流。一种匹配网络，允许生成更高的第二电压信号以驱动晶体管的控制栅和本体(即阱)。进一步，提供了一种自调前端以扩展高Q电荷泵的带宽。

附图标记列表

1 一级电荷泵

2 偏压

3 辅助电荷泵

4AC 输入

5DC 输出

100 FET整流器

102 AC输入

104 DC输出

200 电荷泵装置

201 限幅装置

202 主电荷泵

204 第一辅助电荷泵

206 第二辅助电荷泵

208 第三辅助电荷泵

210 偏压发生器

212 短路装置

300 匹配电路

302 功率输入

304 第一匹配电路输出

306 第二匹配电路输出

308 RFID前端

310 电容器

312 电容器

314 地

316 输出端子

318 输出端子

320 天线

400 集成电路

402 包络检波器

404 状态机

406 电容器组

408，410，410 标签电路

502 采样保持电路

506 比较器

508 时钟发生器

510 包络检波器的输出信号

512 比较器的输出信号

514 多路复用元件

516 多路复用元件514的输出信号

518 多路复用元件

520 逻辑元件

522 计数器

524 累加器

526 求和点

528 反馈线路

530 解复元件

532 计数器的输出

534 用于电荷泵装置的输入阻抗的虚部的控制信号

536 用于电荷泵装置的输入阻抗的实部的控制信号

M1、M3 FET晶体管

BM1，BM3 M1，M3的本体

L0 第一匹配线圈

L1 第二匹配线圈

C1 由406提供的电容

Claims

1.一种整流器，包括：

用于接收AC输入信号的AC输入(102)；

DC输出(104)；

用于提供整流输出信号到所述DC输出(104)的至少一个晶体管(M1，M3)，所述晶体管(M1，M3)是场效应晶体管；

耦合到所述晶体管的本体的阈值改变电路(L0，L1，M1，M3，C2，C3，C7，R1)，所述阈值改变电路(L0，L1，M1，M3，C2，C3，C7，R1)适于根据所述AC输入信号电偏置所述晶体管(M1，M3)的本体(BM1，BM3)，从而根据该AC输入信号改变所述晶体管(M1，M3)的阈值电压。

2.根据权利要求1的整流器，其中所述阈值改变电路(L0，L1，M1，M3，C2，C3，C7，R1)配置为在所述晶体管(M1，M3)应导通的情况下将所述晶体管(M1，M3)的阈值电压设置为低值，并在所述晶体管(M1，M3)应断开的情况下将所述晶体管(M1，M3)的阈值电压设置为高值。

3.根据权利要求1或2的整流器，还包括匹配电路(300)，所述匹配电路(300)具有

功率输入(302)以接收输入功率；

耦合到所述AC输入的第一匹配电路输出(304)，所述第一匹配电路输出(304)响应于所接收的输入功率提供第一电压；和

耦合到所述晶体管(M1，M3)的栅和所述晶体管(M1，M3)的本体的至少一个的第二匹配电路输出(306)，所述第二匹配电路输出(306)响应于所接收的输入功率提供第二电压；

所述匹配电路(300)配置为使得所述第二电压的幅度高于第一电压的幅度。

4.根据权利要求3的整流器，所述匹配电路(300)还包括：

第一匹配线圈(L0)，其耦合在所述功率输入(302)和所述AC输入(102)之间；

第二匹配线圈(L1)，其耦合到所述AC输入(102)，用于提供所述第二电压；

第一匹配线圈(L0)和第二匹配线圈(L1)彼此相对设置为使得第一匹配线圈(L0)产生的电磁场耦合到第二匹配线圈(L1)，从而使第二匹配电路输出(306)的第二电压与第一匹配电路输出(304)的第一电压相比增加。

5.根据权利要求3或4的整流器，还包括在第一匹配电路输出(304)和第二匹配电路输出(306)之间耦合的开关元件(MS)，用于选择性地电连接所述第一匹配电路输出(304)和所述第二匹配电路输出(306)。

6.一种电荷泵装置(200)，包括

根据权利要求1至5中任一项的至少一个整流器。

7.根据权利要求6的电荷泵装置，还包括：

可变电容单元(406)，用于提供电容(C1)以调整所述电荷泵装置(200)的输入阻抗的虚部。

8.根据权利要求7的电荷泵装置，还包括：

调整电路(402，404)，用于将所述可变电容单元(406)提供的电容(C1)调整到向电荷泵装置(200)提供最大输入功率的值。

9.一种无线识别装置(RFID装置)，包括根据权利要求6至8中任一项的电荷泵装置(200)。

10.一种操作电荷泵装置(200)的方法，所述电荷泵装置(200)包括具有场效应晶体管形式的晶体管(M1，M3)的整流器(100)，所述方法包括：

根据所述整流器(100)的AC输入信号电偏置所述晶体管(M1，M3)的本体，从而根据所述AC输入信号改变所述晶体管(M1，M3)的阈值电压。

11.根据权利要求10的方法，还包括：

向所述晶体管(M1，M3)的源/漏提供由所述晶体管(M1，M3)切换的第一电压；

向所述晶体管(M1，M3)的栅和所述晶体管(M1，M3)的本体的至少一个提供高于所述第一电压的第二电压。

12.根据权利要求10或11的方法，还包括：

至少调整所述电荷泵装置(200)的输入阻抗的虚部，以提供所述电荷泵的最大输出电压。