CN103280996B - 多电荷泵结构的整流电路 - Google Patents
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Abstract
一种多电荷泵结构的整流电路，包括主电荷泵、辅助电荷泵和偏置电路；所述主电荷泵的第一输入端接天线的输出端，该主电荷泵的输出端连接到芯片内其他电路的输入端；所述辅助电荷泵的输入端接天线的输出端，该辅助电荷泵的输出端与所述偏置电路的输入端相连，该偏置电路的输出端与所述主电荷泵的第二输入端连接，为主电荷泵提供阈值消除所需的偏置电压或电流。本发明辅助电荷泵电路配合偏置电路一起产生偏置信号，用来减小阈值电压Vth对主电荷泵开启电压的限制，从而整体降低电荷泵结构整流电路的开启电压。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路中整流电路技术领域，更具体地，涉及一种多电荷泵结构的整流电路。
背景技术
整流电路是现代无线通信系统中较为常见的一种单元模块，常用于射频识别（RadioFrequencyIdentification，简称RFID）标签、生物医疗电子系统和无线传感网络（WirelessSensorNetwork，简称WSN）节点等通过无线提取能量进行供电的集成电路芯片中。由于芯片无源，整体芯片的供电来自于射频信号的输入，为实现较好的通信可靠性和稳定性，低功耗和低输入开启电压，是上述通信系统的共性需求。基于电荷泵结构的整流电路，可实现对输入电压进行倍压整流的功能，是一种适用于上述通信系统的整流电路结构，具有较为广泛的应用。
图1是采用了两级整流结构的传统单电荷泵整流电路9的结构图，它包括了四个整流管MC11、MC22、MC33、MC44，两个耦合电容CC15、CC26，两个稳压电容CC37、CC48。其中，MC11、MC22、CC15和CC37构成整流电路的第一级，MC33、MC44、CC26和CC48构成了整流电路的第二级。它的输入为来自天线11的交流信号RF_in，输出Vrec_out为芯片中的其它电路13供电。由图1可知，传统电荷泵结构的整流电路，其正常工作时，耦合电容CC15和CC26将输入端RF_in的信号耦合入整流管MC11和MC33的漏极，以及整流管MC22和MC44栅极和源极。由于整流管MC11、MC22、MC33、MC44各自的栅极和源极相连，因此，当它们的栅源极到漏极的电压差大于其阈值电压Vth时，整流管MC11、MC22、MC33、MC44可以导通进入工作状态。由于电路在刚开始启动时，稳压电容CC37和CC48上存储的电荷为0，整流管MC11和MC33的栅源级，以及MC22和MC44的漏极的初始电压为0，传统电荷泵结构整流电路开始工作的条件变化为：由耦合电容CC15和CC26耦合到整流管MC11、MC22、MC33、MC44的电压幅度需分别大于整流管MC11、MC22、MC33、MC44的阈值电压Vth。由于耦合电容CC15和CC26耦合到整流管MC11、MC22、MC33、MC44的电压幅度同输入信号RF_in的幅度基本相等，因此，传统电荷泵结构的整流电路，其开启电压约等于整流电路中所用到整流管的阈值电压Vth同整流管过驱动电压Vdsat之和。在低成本的标准平面互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，简称CMOS）制造工艺中，阈值电压Vth受到工艺加工条件的限制而无法任意更改，从而导致了传统单电荷泵结构整流电路的开启电压较高，无法实现高灵敏度的系统工作特性。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种多电荷泵结构的整流电路，降低电荷泵结构整流电路的开启电压。
实现上述目的的核心方法是，在传统单电荷泵结构整流电路的基础上，增加辅助电荷泵电路，形成主电荷泵和辅助电荷泵共存的结构。所述辅助电荷泵电路配合偏置电路一起产生偏置信号，用来减小阈值电压Vth对主电荷泵开启电压的限制，从而整体降低电荷泵结构整流电路的开启电压。
本发明的技术解决方案如下：
一种多电荷泵结构的整流电路，其特点在于，包括主电荷泵、辅助电荷泵和偏置电路；
所述主电荷泵的第一输入端接天线的输出端，该主电荷泵的输出端连接到芯片内其他电路的输入端；
所述辅助电荷泵的输入端接天线的输出端，该辅助电荷泵的输出端与所述偏置电路的输入端相连，该偏置电路的输出端与所述主电荷泵的第二输入端连接，为主电荷泵提供阈值消除所需的偏置电压或电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是辅助电荷泵电路配合偏置电路一起产生偏置信号，来减小阈值电压Vth对主电荷泵开启电压的限制，从而整体降低电荷泵结构整流电路的开启电压。
附图说明
图1是一个传统的单电荷泵结构整流电路的实例；
图2是本发明多电荷泵结构的整流电路的结构示意图；
图3是基于多电荷泵结构的一个具体整流电路实施例；
图4是实施例在工作时重要信号节点的时序图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图2是本发明所述多电荷泵整流电路的结构示意图。其中，天线11的输出端RF_in连接到主电荷泵12和辅助电荷泵14；主电荷泵的输出Vrec_out连接到芯片中的其它电路13，Vrec_out作为芯片中其它电路13的电源为其供电；辅助电荷泵14的输出端连接到偏置电路15；偏置电路15的输出Bias_out<1:N>是一组N端偏置信号，连接到主电荷泵，为主电荷泵提供阈值消除所需的偏置电压或电流。主电荷泵12、辅助电荷泵14和偏置电路15一起，构成了本发明所述的多电荷泵整流电路10的主体结构。
所述主电荷泵12，用于驱动芯片内除辅助电荷泵14和偏置电路15以外的其它电路13。其工作原理的特征是在其正常工作时，需要其它电路为其提供阈值消除所需的偏置信号。
所述辅助电荷泵14，用于驱动偏置电路15，其工作原理的特征是无需外接偏置信号进行阈值消除。
所述多电荷泵结构的整流电路，其主电荷泵12和辅助电荷泵14在时序上先后启动，协同工作。所述先后启动，协同工作，指的是，所述多电荷泵结构的整流电路，在接收到来自天线11输出端的交流信号以后，辅助电荷泵14在时间上先于主电荷泵12开始工作。辅助电荷泵14结合偏置电路15一起产生主电荷泵12工作时进行阈值消除所需的偏置信号。主电荷泵在得到偏置电路15产生的偏置信号后，进入正常工作状态。
所述偏置电路15由辅助电荷泵14驱动，用以产生主电荷泵12所需的偏置信号，用于主电荷泵12的阈值消除。
图3给出了本发明所述多电荷泵结构整流电路的一个设计实施例。所述实施例包括了主电荷泵12、辅助电荷泵14和偏置电路15三部分，其输入信号为天线接收到的交流信号RF_in，其输出为整流形成的直流电源电压Vrec_out。
所述实施例中的主电荷泵12采用两级AC-DC倍压整流的结构，它包括了第一整流管MA121、第二整流管MA222、第三整流管MA323、第四整流管MA424、第一耦合电容CA125、第二耦合电容CA226、第一稳压电容CA327、第二稳压电容CA428，以及上述器件之间的互联线。其中，第一整流管MA121、第二整流管MA222、第一耦合电容CA125和第一稳压电容CA327构成了主电荷泵12的第一级；第三整流管MA323、第四整流管MA424、第二耦合电容CA226和第二稳压电容CA428构成了主电荷泵12的第二级。在主电荷泵12中，第一整流管MA121和第三整流管MA323使用CMOS工艺中标准的增强型N型MOSFET，第二整流管MA222和第四整流管MA424使用CMOS工艺中的标准增强型P型MOSFET。
所述实施例中的主电荷泵12的器件连接关系如下：第一整流管MA121的源极接地，漏极接到第二整流管MA222的漏极；第二整流管MA222的源极、第三整流管MA323的源极和第一稳压电容CA327的一个极板连成节点，该第一稳压电容CA327的另一个极板接地；第三整流管MA323的漏极接到第四整流管MA424的漏极，第四整流管MA424的源极接到电路的输出端Vrec_out，同时接到第二稳压电容CA428的一个极板，第二稳压电容CA428的另外一个极板接地；第一耦合电容CA125的一个极板接到电路的输入端RF_in，另一个极板接到第一整流管MA121和第二整流管MA222相连的节点；第二耦合电容CA226的一个极板接到电路的输入端RF_in，第二耦合电容CA226的另一个极板接到第三整流管MA323和第四整流管MA424相连的节点；所述的第一整流管MA121、第二整流管MA222、第三整流管MA323、第四整流管MA424的栅极分别接到所述的偏置电路15的第一偏置电压Bias_out_1、第二偏置电压Bias_out_2、第三偏置电压Bias_out_3、第四偏置电压Bias_out_4。所述的第一整流管MA121、第二整流管MA222、第三整流管MA323、第四整流管MA424的在工作时需要第一偏置电压Bias_out_1、第二偏置电压Bias_out_2、第三偏置电压Bias_out_3、第四偏置电压Bias_out_4对其提供偏置。
所述实施例中的辅助电荷泵14采用一级AC-DC倍压整流的结构，它包括了第五整流管MB131、第六整流管MB232、第三耦合电容CB133、第三稳压电容CB434，以及上述器件之间的互联线。在辅助电荷泵14中，第五整流管MB131和第六整流管MB232均为CMOS工艺中的耗尽型N型MOSFET。
所述实施例中的辅助电荷泵14的器件连接关系如下：第五整流管MB131的源极和栅极相连，共同接地，漏极接到第六整流管MB232的源极和栅极；第六整流管MB232的源极和栅极相连，漏极接到的辅助电荷泵14的输出Vdd_bias；第三耦合电容CB133的一个极板接到电路的输入端RF_in，第三耦合电容CB133的另一个极板接到第五整流管MB131和第六整流管MB432相连的节点；第三稳压电容CB234的一个极板接到辅助电荷泵14的输出Vdd_bias，第三稳压电容CB234的另一个极板接地。所述第五整流管MB1和第六整流管MB2在工作时无需外部电路对其提供偏置。
所述实施例中的偏置电路15采用电阻分压的结构，它包括了R141、R242、R343、R444和R545总计五个电阻，这些电阻按照编号顺序依次首尾串联相接。电阻两两之间的中间节点是Vdd_bias的分压，它们依次为：R141和R242之间的节点为Bias_out_1，R242和R343之间的节点为Bias_out_2，R143和R244之间的节点为Bias_out_3，R144和R245之间的节点为Bias_out_4。Bias_out_1、Bias_out_2、Bias_out_3、Bias_out_4，是偏置电路的输出，接到主电荷泵12的偏置电压输入点。
以下结合所述实例中重要信号节点的时序图，解释所述实施例协同工作时的具体工作原理。
参考图4，横轴为时间轴，纵轴为电压轴。从T0时刻开始，所述实施例电路接收到来自天线的交流信号RF_in，辅助电荷泵14由于仅驱动偏置电路15，负载较轻，在感应到从第三耦合电容CB1处耦合到的交流电压后，第五整流管MB131和第六整流管MB232首先导通，Vdd_bias节点的电压被充高。在T1时刻前，由于偏置电路15生成的偏置电压Bias_out_1、Bias_out_2、Bias_out_3和Bias_out_4还没有稳定，主电荷泵12中的第一整流管MA121、第二整流管MA222、第三整流管MA323和第四整流管MA424由于没有正确的偏置，无法进入正常工作状态，主电荷泵12的输出信号Vrec_out维持在较低的电压水平。至T1时刻，辅助电荷泵14的工作状态建立完毕，Vdd_bias节点电压稳定。由于Vdd_bias节点电压稳定，偏置电路15产生的4路偏置电压信号Bias_out_1、Bias_out_2、Bias_out_3和Bias_out_4作为Vdd_bias的分压一起进入稳定状态。从T1时刻到T2时刻，随着偏置电压Bias_out_1、Bias_out_2、Bias_out_3和Bias_out_4的稳定，主电荷泵12中的整流管MA121、整流管MA222、整流管MA323、整流管MA424的工作状态得以建立，主电荷泵12开始工作，Vrec_out节点上的电压被抬高，至T2时刻稳定。自T2时刻起，所述实施例中的全部电路都进入到稳定工作状态，各节点的电压不再发生变化。
由图4给出的电路内部重要节点在电路开始工作时的波形图可知，所述实例电路开始工作的基本条件是辅助电荷泵14的正常工作。由图3可知，辅助电荷泵14开始工作时，第三耦合电容CB131将输入端RF_in的信号耦合入第五整流管MB131的漏极，以及第六整流管MB232的栅极和源极。由于第五整流管MB131和第六整流管MB232各自的栅极和源极相连，因此，当它们的栅源极到漏极的电压差大于其阈值电压Vth时，第五整流管MB131和第六整流管MB232可以导通进入工作状态。由于电路在刚开始启动时，第三稳压电容CB234存储的电荷为0，第五整流管MB131的栅源级和第六整流管MB232的漏极的初始电压为0，辅助电荷泵14开始工作的条件为：由第三耦合电容CB131耦合到第五整流管MB131和第六整流管MB232的电压幅度需分别大于第五整流管MB131和第六整流管MB232的阈值电压Vthdep。由于经第三耦合电容CB131耦合到第五整流管MB131和第六整流管MB232的电压幅度与输入信号RF_in的幅度基本相同，所述实施例中，辅助电路的开启电压约等于辅助电荷泵14中第五整流管MB131和第六整流管MB232的阈值电压Vthdep。由此可知，所述实施例中，多电荷泵结构整流电路的开启电压约为Vthdep。所述实施例与传统单电荷泵整流电路9相比，开启电压减小了（Vdsat+Vth-Vthdep）。
虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但这一较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种改正和补充，因此，本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。
Claims (2)
1.一种多电荷泵结构的整流电路，其特征在于，包括主电荷泵(12)、辅助电荷泵(14)和偏置电路(15)；
所述主电荷泵(12)的第一输入端接天线(11)的输出端，该主电荷泵(12)的输出端连接到芯片内其他电路的输入端；
所述主电荷泵(12)，用于驱动芯片内除辅助电荷泵(14)和偏置电路(15)以外的其它电路(13)；
所述辅助电荷泵(14)的输入端接天线(11)的输出端，该辅助电荷泵(14)的输出端与所述偏置电路(15)的输入端相连，该偏置电路(15)的输出端与所述主电荷泵(12)的第二输入端连接，为主电荷泵提供阈值消除所需的偏置电压或电流；
所述偏置电路(15)采用电阻分压的结构，它包括了第一电阻(R141)、第二电阻(R242)、第三电阻(R343)、第四电阻(R444)和第五电阻(R545)，这些电阻首尾串联相接，电阻两两之间的中间节点是辅助电荷泵(14)的输出电压(Vdd_bias)的分压，依次为：第一电阻(R141)和第二电阻(R242)之间的节点为第一分压(Bias_out_1)，第二电阻(R242)和第三电阻(R343)之间的节点为第二分压(Bias_out_2)，第三电阻(R343)和第四电阻(R444)之间的节点为第三分压(Bias_out_3)，第四电阻(R444)和第五电阻(R545)之间的节点为第四分压(Bias_out_4)，第一分压(Bias_out_1)、第二分压(Bias_out_2)、第三分压(Bias_out_3)和第四分压(Bias_out_4)是偏置电路的输出，接到主电荷泵(12)的偏置电压输入点。
2.根据权利要求1所述的多电荷泵结构的整流电路，其特征在于，所述辅助电荷泵(14)包括第五整流管(MB131)、第六整流管(MB232)、第三耦合电容(CB133)和第三稳压电容(CB434)：
上述元器件之间连接关系如下：
第五整流管(MB131)的源极和栅极相连，且共同接地，第五整流管(MB131)的漏极接到第六整流管(MB232)的源极和栅极；第六整流管(MB232)的源极和栅极相连，第六整流管(MB232)的漏极输出电压(Vdd_bias)；
天线的输出端(RF_in)经第三耦合电容(CB133)分别与第五整流管(MB131)的漏极、第六整流管(MB232)的源极和栅极相连；
第三稳压电容(CB234)的一个极板接第六整流管(MB232)的漏极，第三稳压电容(CB234)的另一个极板接地；
所述第五整流管和第六整流管在工作时无需外部电路对其提供偏置。
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Citations (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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