CN105991047B - 阈值补偿整流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阈值补偿整流电路，包括N级互补MOS整流单元、互补MOS输出整流单元以及负载电容和负载电阻；每一级互补MOS整流单元都具有第一输入端、第二输入端和输出端；当前级互补MOS整流单元的第一输入端与前一级互补MOS整流单元的输出端相连，第二输入端与第一输入信号或第二输入信号相连，输出端与下一级互补MOS整流单元的第一输入端相连；第一级互补MOS整流单元的第一输入端与地相连；最后一级互补MOS整流单元的输出端与互补MOS输出整流单元的输入端相连；所述互补MOS输出整流单元具有一个输入端和一个输出端，其中，输出端与输出信号相连；所述负载电容的一端与输出信号相连，另一端与地相连；所述负载电阻的一端与输出信号相连，另一端与地相连。

Description

阈值补偿整流电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种阈值补偿整流电路。
背景技术
近年来，能量收集技术的关注度不断增高，尤其是在无电池供电的无线传感网中，需要一个射频能量收集系统为传感器节点供电，解决无线传感器的供电问题，延长其在低维护环境中的工作寿命。
一个典型的射频能量收集系统由接收天线、阻抗匹配电路、整流电路、升压转换电路和储能单元组成，如图1所示。其中天线接收到周围环境的射频能量信号，经过阻抗匹配网络把射频能量信号传递给整流电路，整流电路将射频信号转换成一个可用的直流电压信号，并经过升压转换电路将该电压升高到期望值，最后传递给储能单元，将所得的电能储存起来，给后续应用电路供电。
衡量射频能量收集系统的两个重要指标是功率转换效率和接收灵敏度，功率转换效率指的是输出功率与输入功率的比值。为了提高系统的功率转换效率，系统的每个组成单元都应进行效率优化设计。接收灵敏度指的是能量收集系统所能接收到能量信号的最小功率。对基于Dickson多级整流电路的射频能量收集系统而言，接收灵敏度由整流电路来决定，即受到整流器件的阈值电压限制，整流器件的阈值电压越低，所需的最小输入功率越低，系统的接收灵敏度就越高。因此，为了提高射频能量收集系统的功率转换效率和接收灵敏度，需要设计一个高效率、低阈值电压的整流电路。
图2提出了一个简单的阈值补偿整流电路，该电路采用栅漏之间电压可调的MOS晶体管作为整流单元代替传统的栅漏直接连接的MOS二极管，根据Dickson多级整流电路中各节点电压从输入到输出逐渐升高的特点，可把整流MOS晶体管的栅极接到整流链路不同节点上(图2提供的是栅极接到后一级节点上，即补偿支路长度为2的情况)，实现栅漏电压可调，这样做的优点是无需额外的补偿电路和特殊工艺，就可实现对整流器件的阈值补偿，有效的降低阈值。但是该电路的缺点是，这种栅漏之间具有补偿电压的MOS晶体管整流单元，反向漏电较大，尤其在输入功率极低的射频能量收集系统中，整流电路的功率转换效率会因此而下降，如果能在此基础上减小整流单元的反向漏电，那么会使整流电路的效率大大提升。
综上所述，可知先前技术中用于射频能量收集系统的整流电路存在整流器件反向漏电较大、整流电路效率较低的问题。
发明内容
为克服上述现有技术存在的整流器件反向漏电较大、整流电路效率较低的问题，本发明的目的在于提供一种阈值补偿整流电路，以实现一种低阈值、高效率的整流电路，提高射频能量收集系统的接收灵敏度和效率。
本发明提供的阈值补偿整流电路，包括：
第一级至第N级的互补MOS整流单元、互补MOS输出整流单元以及负载电容和负载电阻；
所述第一级至第N级的互补MOS整流单元的每一级互补MOS整流单元都具有第一输入端、第二输入端和输出端；当前级互补MOS整流单元的第一输入端与前一级互补MOS整流单元的输出端相连，第二输入端与第一输入信号或第二输入信号相连，输出端与下一级互补MOS整流单元的第一输入端相连；第一级互补MOS整流单元的第一输入端与地相连；最后一级互补MOS整流单元的输出端与互补MOS输出整流单元的输入端相连；
所述互补MOS输出整流单元具有一个输入端和一个输出端；其中，所述互补MOS输出整流单元的输出端与输出信号相连；
所述负载电容的一端与输出信号相连，另一端与地相连；
所述负载电阻的一端与输出信号相连，另一端与地相连。
进一步的，所述每一级互补MOS整流单元包括：一个PMOS晶体管、一个NMOS晶体管、第一偏置电压源、第二偏置电压源和一个耦合电容。
其中，所述PMOS晶体管的源极与所述第二偏置电压源的负端相连，并一起连接到该级互补MOS整流单元的第一输入端，所述PMOS晶体管的栅极与所述第一偏置电压源的负端相连，所述PMOS晶体管的漏极和衬底连接在一起，并与所述NMOS晶体管的漏极和衬底相连；
其中，所述NMOS晶体管的源极与所述第一偏置电压源的正端相连，并一起连接到该级互补MOS整流单元的输出端，所述NMOS晶体管的栅极与所述第二偏置电压源的正端相连；
其中，所述耦合电容的一端与该级互补MOS整流单元的输出端相连，另一端与该级互补MOS整流单元的第二输入端相连。
进一步的，所述互补MOS输出整流单元包括：一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管；
其中，所述PMOS晶体管的源极与所述NMOS晶体管的栅极相连，并一起与互补MOS输出整流单元的输入端相连，所述PMOS晶体管的栅极与所述NMOS晶体管的源极相连，并一起与互补MOS输出整流单元的输出端相连，所述PMOS晶体管的漏极和衬底连接在一起，并与所述NMOS晶体管的漏极和衬底相连。
本发明实施例提供的阈值补偿整流电路，通过N级互补MOS整流单元和互补MOS输出整流单元，对较微弱的输入射频信号进行高效整流，输出所需的直流电压。所述互补MOS整流单元在现有阈值补偿技术的基础上，采用互补的PMOS和NMOS对称交叉连接构成整流单元。该结构的整流单元在反向偏置时，PMOS和NMOS都表现为MOS晶体管反向截止特性，即反向电流非常小，大大减小了整流单元的反向漏电；而在正向偏置时，由于采用阈值补偿技术，使其表现为一个正向导通的MOS晶体管特性，即正向导通压降很低，等效为整流单元的阈值电压被降低。因此，本发明所提供的阈值补偿整流电路不仅具有较低的阈值电压，而且其反向漏电也被有效的抑制，使得整流电路的接收灵敏度和转换效率都得到提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为典型射频能量收集系统的结构示意图；
图2为现有技术阈值补偿整流电路的电路原理图；
图3为本发明实施例提供的阈值补偿整流电路的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的阈值补偿整流电路的电路原理图；
图5为本发明实施例提供的补偿支路长度为2的阈值补偿整流电路的电路原理图；
图6为整流电路的输入电压和输出电流瞬态仿真波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种阈值补偿整流电路，其中的整流单元不仅具有较低的阈值，而且具有较小的反向漏电，可用于射频能量收集系统中，提高系统的接收灵敏度和效率。
图3为本发明所述的阈值补偿整流电路的结构示意图。如图3所示，所述阈值补偿整流电路包括第一级至第N级的互补MOS整流单元301、302、303、304和305、互补MOS输出整流单元306、负载电容CL、负载电阻RL、以及两个差分输入射频信号RFin+、RFin-和一个输出直流电压信号Vout；
所述第一级至第N级的互补MOS整流单元的每一级互补MOS整流单元301、302、303、304和305都具有第一输入端、第二输入端和输出端。当前级互补MOS整流单元的第一输入端与前一级互补MOS整流单元的输出端相连，第二输入端与第一输入信号RFin+或第二输入信号RFin-相连，输出端与下一级互补MOS整流单元的第一输入端相连；第一级互补MOS整流单元301的第一输入端与地相连；最后一级互补MOS整流单元305的输出端与互补MOS输出整流单元306的输入端相连；
所述互补MOS输出整流单元306具有一个输入端和一个输出端；其中，所述互补MOS输出整流单元306的输出端与输出信号Vout相连；
所述负载电容CL的一端与输出信号Vout相连，另一端与地相连；
所述负载电阻RL的一端与输出信号Vout相连，另一端与地相连。
图4为图3所示的阈值补偿整流电路的电路原理图。如图4所示，所述阈值补偿整流电路包括第一级至第N级的互补MOS整流单元401、402、403、404和405、互补MOS输出整流单元406、负载电容CL、负载电阻RL、以及两个差分输入射频信号RFin+、RFin-和一个输出直流电压信号Vout。它们之间的连接关系与图3中所描述的相同，在此不再赘述，只对各单元内部的组成和连接关系进行详细说明。
其中，第一级互补MOS整流单元401包括：PMOS晶体管Mp1、NMOS晶体管Mn1、两个偏置电压源Vcp和Vcn以及耦合电容C。所述PMOS晶体管Mp1的源极与偏置电压源Vcn的负端相连，并一起连接到该级互补MOS整流单元401的第一输入端，所述PMOS晶体管Mp1的栅极与偏置电压源Vcp的负端相连，所述PMOS晶体管Mp1的漏极和衬底连接在一起，并与所述NMOS晶体管Mn1的漏极和衬底相连；所述NMOS晶体管Mn1的源极与偏置电压源Vcp的正端相连，并一起连接到该级互补MOS整流单元401的输出端，所述NMOS晶体管Mn1的栅极与偏置电压源Vcn的正端相连；耦合电容C的一端与该级互补MOS整流单元401的输出端相连，另一端与该级互补MOS整流单元401的第二输入端相连；
同样的，第二级互补MOS整流单元402、第三级互补MOS整流单元403、第N-1级互补MOS整流单元404和第N级互补MOS整流单元405的电路组成和连接方式与第一级互补MOS整流单元401的相同，在此不再赘述。
其中，互补MOS输出整流单元406包括：一个PMOS晶体管Mp-out和一个NMOS晶体管Mn-out。所述PMOS晶体管Mp-out的源极与NMOS晶体管Mn-out的栅极相连，并一起与互补MOS输出整流单元406的输入端相连，所述PMOS晶体管Mp-out的栅极与NMOS晶体管Mn-out的源极相连，并一起与互补MOS输出整流单元406的输出端相连，所述PMOS晶体管Mp-out的漏极和衬底连接在一起，并与NMOS晶体管Mn-out的漏极和衬底相连。
图5示出了图4中偏置电压源Vcp和Vcn的具体电路实现。根据Dickson多级整流电路中各节点电压从输入到输出逐渐升高的特点，可把图4中各级互补MOS整流单元中PMOS和NMOS晶体管的栅极连接到整流链路不同节点上，代替理想偏置电压源，实现阈值补偿。图5所提供的实施例是把当前级整流单元的PMOS晶体管的栅极电压接到其前一级整流单元的第一输入端，把NMOS晶体管的栅极电压接到其后一级整流单元的输出端，即补偿支路长度为2的情况。这种实施方法存在一个问题是第一级整流单元的PMOS晶体管的栅极和最后一级整流单元的NMOS晶体管的栅极在整流链路上没有节点可提供其所需的补偿电压。因此，需要在第一级整流单元与地之间加入一个NMOS补偿单元，为第一级整流单元PMOS晶体管的栅极提供所需的补偿电压，在最后一级整流单元与输出整流单元之间加入一个PMOS补偿单元，为最后一级整流单元NMOS晶体管的栅极提供所需的补偿电压。当然，在实际设计时，会根据具体情况，决定补偿支路的长度，也可以是4、6、8等情况，同时对应的NMOS和PMOS补偿单元的晶体管个数也会相应的发生变化。下面对图5的具体电路实施方法进行详细描述。
如图5所示，所述阈值补偿整流电路包括：第一级至第N级的互补MOS整流单元501、502、503、504和505、互补MOS输出整流单元506、NMOS补偿单元507、PMOS补偿单元508、负载电容CL、负载电阻RL、以及两个差分输入射频信号RFin+、RFin-和一个输出直流电压信号Vout；
所述第一级至第N级的互补MOS整流单元的每一级互补MOS整流单元501、502、503、504和505都具有第一输入端、第二输入端、第一偏置电压端、第二偏置电压端和输出端；
当前级互补MOS整流单元的第一输入端与前一级互补MOS整流单元的输出端相连，第二输入端与第一输入信号RFin+或第二输入信号RFin-相连，输出端与下一级互补MOS整流单元的第一输入端相连，第一偏置电压端与前一级互补MOS整流单元的第一输入端相连，第二偏置电压端与后一级互补MOS整流单元的输出端相连；
第一级互补MOS整流单元501的第一输入端与NMOS补偿单元507的输出端相连，第一偏置电压端与NMOS补偿单元507的第一输入端相连，并一起连接到地；
最后一级互补MOS整流单元505的输出端与PMOS补偿单元508的第一输入端相连，并一起连接到互补MOS输出整流单元506的输入端，第二偏置电压端与PMOS补偿单元508的输出端相连；
所述互补MOS输出整流单元506具有一个输入端和一个输出端。其中，输出端和输出信号Vout相连；
所述NMOS补偿单元507具有第一输入端、第二输入端、偏置电压端和输出端；其中，第二输入端与第二输入信号相连RFin-相连，偏置电压端与第一级互补MOS整流单元501的输出端相连；
所述PMOS补偿单元508具有第一输入端、第二输入端、偏置电压端和输出端；其中，第二输入端与第一输入信号RFin+相连，偏置电压端与最后一级互补MOS整流单元505的第一输入端相连；
所述负载电容CL的一端与输出信号Vout相连，另一端与地相连；
所述负载电阻RL的一端与输出信号Vout相连，另一端与地相连。
其中，第一级互补MOS整流单元501包括：一个PMOS晶体管Mp1、一个NMOS晶体管Mn1和一个耦合电容C；
所述PMOS晶体管Mp1的源极与该级互补MOS整流单元501的第一输入端相连，栅极与该级互补MOS整流单元501的第一偏置电压端相连，漏极和衬底连接在一起，并与NMOS晶体管Mn1的漏极和衬底相连；
NMOS晶体管Mn1的源极和该级互补MOS整流单元501的输出端相连，栅极与该级互补MOS整流单元501的第二偏置电压端相连；耦合电容C的一端与该级互补MOS整流单元501的输出端相连，另一端与该级互补MOS整流单元501的第二输入端相连；
同样的，第二级互补MOS整流单元502、第三级互补MOS整流单元503、第N-1级互补MOS整流单元504和第N级互补MOS整流单元505的电路组成和连接方式与第一级互补MOS整流单元501的相同，在此不再赘述；
其中，互补MOS输出整流单元506包括：一个PMOS晶体管Mp-out和一个NMOS晶体管Mn-out；所述PMOS晶体管Mp-out的源极与NMOS晶体管Mn-out的栅极相连，并一起与互补MOS输出整流单元506的输入端相连，栅极与NMOS晶体管Mn-out的源极相连，并一起与互补MOS输出整流单元506的输出端相连，漏极和衬底连接在一起，并与NMOS晶体管Mn-out的漏极和衬底相连；
其中，NMOS补偿单元507包括：一个NMOS晶体管Mnd1和一个耦合电容C；所述NMOS晶体管Mnd1的源极与NMOS补偿单元507的输出端相连，栅极与NMOS补偿单元507的偏置电压端相连，漏极和衬底连接在一起，并一起与NMOS补偿单元507的第一输入端相连；耦合电容C的一端与NMOS补偿单元507的输出端相连，另一端与NMOS补偿单元507的第二输入端相连；
其中，PMOS补偿单元508包括：一个PMOS晶体管Mpd1和一个耦合电容C；所述PMOS晶体管Mpd1的源极与PMOS补偿单元508的第一输入端相连，栅极与PMOS补偿单元508的偏置电压端相连，漏极和衬底连接在一起，并一起与PMOS补偿单元508的输出端相连；耦合电容C的一端与PMOS补偿单元508的输出端相连，另一端与PMOS补偿单元508的第二输入端相连。
本发明实施例提供的阈值补偿整流电路的工作原理为：
为了减小整流单元的反向漏电，在现有阈值补偿技术基础上，采用了互补MOS晶体管作为整流单元，不仅可以降低整流单元的阈值电压，而且可以有效的抑制其反向漏电，当其应用于射频能量收集系统时，可以提高系统的接收灵敏度和功率转换效率。
具体的，结合图5，根据Dickson多级整流电路的工作原理，当输入为差分的射频信号时，整流电路对输入信号的正负半周同时整流，每个整流单元只在输入信号的半个周期内导通。
为了更清晰的说明整流电路的工作原理，图6给出了整流电路工作时输入电压和输出电流的瞬态仿真波形图。可以看出，输入信号的一个正弦周期，可分为3个工作区域：
亚阈值区：0≤Vin≤Vth，其中Vin为输入信号的幅度，Vth为整流单元的阈值电压，在这个范围内输出电流与输入电压呈指数关系，此时输入电压较小，输出电流也较小；
反型区：Vth≤Vin≤Vin,max，其中Vin,max为输入信号幅度的最大值，在这个范围内输出电流与输入电压呈平方关系，此时整流单元完全导通，对负载电容进行充电，并在Vin＝Vin,max处，输出电流达到峰值；
漏电区：输入电压的负半周，在这段时间内的输出电流为反向漏电流。
因此，可以看出，在输入信号的每个正弦周期内，只有反型区是在给电容充电，而大部分时间都处在亚阈值区和漏电区。若要提高整流电路的转换效率，应设法增大反型区的时间，同时减小反向漏电的大小。
现有阈值补偿技术只是减小了整流单元的阈值，增大了反型区时间，但是并没有对反向漏电进行抑制，本发明在阈值补偿技术的基础上，采用了互补型MOS整流单元，不仅实现了低阈值电压，而且有效的抑制了反向漏电，使整流电路的转换效率得到提高。
具体的，本发明所提供的互补MOS整流单元，以图5中第二级互补MOS整流单元为例进行说明。当整流单元正向偏置时，由于采用了阈值补偿技术，根据Dickson多级整流电路中各节点电压从输入到输出逐渐升高的特点，即V0<V1<V2<V3，Mp2和Mn2都表现为MOS晶体管的正向导通特性，这样其正向导通压降比传统二极管作为整流器件的正向导通压降(二极管的阈值电压)小得多，即等效为整流器件的阈值电压被降低。当整流单元反向偏置时，Mp2和Mn2的源极出现在二者相互连接处，即Mp2和Mn2都具有负的Vgs，工作在非常弱的反型区，表现为MOS晶体管的反向截止特性，与现有的单纯的阈值补偿技术(图2)相比，整流单元的反向电流被有效的抑制住，使得反向漏电大大的被降低。
本发明实施例提供的阈值补偿整流电路的整流单元在正向偏置时表现为MOS晶体管的正向导通特性，具有较低的导通压降，等效为降低了整流单元的阈值电压；在反向偏置时表现为MOS晶体管的反向截止特性，大大减小了整流单元的反向漏电。从而，不仅实现了较低的阈值电压，而且有效的抑制了反向漏电，提高了功率转换效率。使其应用于射频能量收集系统时，对射频收集系统的接收灵敏度和效率都有提高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种阈值补偿整流电路，其特征在于，包括：
第一级至第N级的互补MOS整流单元、互补MOS输出整流单元以及负载电容和负载电阻；
所述第一级至第N级的互补MOS整流单元的每一级互补MOS整流单元都具有第一输入端、第二输入端和输出端；当前级互补MOS整流单元的第一输入端与前一级互补MOS整流单元的输出端相连，第二输入端与第一输入信号或第二输入信号相连，输出端与下一级互补MOS整流单元的第一输入端相连；第一级互补MOS整流单元的第一输入端与地相连；最后一级互补MOS整流单元的输出端与互补MOS输出整流单元的输入端相连；
所述互补MOS输出整流单元具有一个输入端和一个输出端；其中，所述互补MOS输出整流单元的输出端与输出信号相连；
所述负载电容的一端与输出信号相连，另一端与地相连；
所述负载电阻的一端与输出信号相连，另一端与地相连；
所述每一级互补MOS整流单元包括：一个PMOS晶体管、一个NMOS晶体管、第一偏置电压源、第二偏置电压源和一个耦合电容；所述PMOS晶体管的源极与所述第二偏置电压源的负端相连，并一起连接到该级互补MOS整流单元的第一输入端，所述PMOS晶体管的栅极与所述第一偏置电压源的负端相连，所述PMOS晶体管的漏极和衬底连接在一起，并与所述NMOS晶体管的漏极和衬底相连；所述NMOS晶体管的源极与所述第一偏置电压源的正端相连，并一起连接到该级互补MOS整流单元的输出端，所述NMOS晶体管的栅极与所述第二偏置电压源的正端相连；所述耦合电容的一端与该级互补MOS整流单元的输出端相连，另一端与该级互补MOS整流单元的第二输入端相连；
所述互补MOS输出整流单元包括：一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管；所述PMOS晶体管的源极与所述NMOS晶体管的栅极相连，并一起与互补MOS输出整流单元的输入端相连，所述PMOS晶体管的栅极与所述NMOS晶体管的源极相连，并一起与互补MOS输出整流单元的输出端相连，所述PMOS晶体管的漏极和衬底连接在一起，并与所述NMOS晶体管的漏极和衬底相连。
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