CN108964486A - 一种负压断路关断型cmos射频整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种负压断路关断型CMOS射频整流器，包括负压产生单元、电平移位单元和可断路关断射频整流单元；负压产生单元和可断路关断射频整流单元的差分输入正端接正射频信号RF+；负压产生单元和可断路关断射频整流单元的差分输入负端接负射频信号RF‑；电平移位单元的的电源极接电源VDD，电平移位单元的控制端接控制信号VCTR；负压产生单元的输出连接电平移位单元的输入端；电平移位单元的输出接可断路关断射频整流单元的输入端；可断路关断射频整流单元的输出端作为整个整流器的输出端。本发明在使能状态时具有较高的PCE，在关断状态时具有较低的POFF，电路结构简单，设计容易，版图面积小，降低生产成本。

Description

一种负压断路关断型CMOS射频整流器
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种负压断路关断型CMOS射频整流器。
背景技术
随着低功耗电路的发展，微电子设备可以通过收集环境中的射频能量为自身供电，如何提高射频能量收集系统的功率转化效率(PCE)成为热门话题。整流器是射频收集系统的重要组成部分，对整流器进行适当的关断控制可有效地提高射频能量收集系统的功率转化效率。然而，传统的可关断整流器采用短路关断法，在射频信号通路上加入关断控制管，当控制管导通时实现短路关断，关断功耗主要由控制管的导通功耗产生，关断功耗(POFF)较大，不利于提高PCE。
发明内容
本发明所要解决的是现有的可关断整流器关断时关断功耗POFF较大的问题，提供一种负压断路关断型CMOS射频整流器。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种负压断路关断型CMOS射频整流器，包括负压产生单元、电平移位单元和可断路关断射频整流单元；负压产生单元和可断路关断射频整流单元的差分输入正端接正射频信号RF+；负压产生单元和可断路关断射频整流单元的差分输入负端接负射频信号RF-；电平移位单元的的电源极接电源VDD，电平移位单元的控制端接控制信号VCTR；负压产生单元的输出连接电平移位单元的输入端；电平移位单元的输出接可断路关断射频整流单元的输入端；可断路关断射频整流单元的输出端作为整个整流器的输出端。
上述方案中，负压产生单元由NMOS管MN1、MN2，PMOS管MP1、MP2和电容C1-C3构成；NMOS管MN1的漏极、PMOS管MP1的漏极、NMOS管MN2的栅极、PMOS管MP2的栅极和电容C1的下极板相连，电容C1的上极板形成负压产生单元的差分输入正端；NMOS管MN2的漏极、PMOS管MP2的漏极、NMOS管MN1的栅极、PMOS管MP1的栅极和电容C2的上极板相连，电容C2的下极板形成负压产生单元的差分输入负端；NMOS管MN1的源极和NMOS管MN2的源极和电容C3的上极板相连后，形成负压产生单元的输出端；电容C3的下极板、PMOS管MP1的源极和PMOS管MP2的源极接地。
上述方案中，电平移位单元由NMOS管MN3、MN4，PMOS管MP3、MP4和反相器A构成；PMOS管MP3的源极和PMOS管MP4的源极相连后形成电平移位单元的电源极；NMOS管MN3的源极和NMOS管MN4的源极后形成电平移位单元的输入端；PMOS管MP3的栅极连接反相器A的输入端，PMOS管MP4的栅极连接反相器A的输出端，PMOS管MP3的栅极形成电平移位单元的控制端；NMOS管MN3的栅极接NMOS管MN4的漏极，NMOS管MN4的栅极接NMOS管MN3的漏极，PMOS管MP4的漏极形成电平移位单元的输出端。
上述方案中，可断路关断射频整流单元由NMOS管MN5、MN6、PMOS管MP5、MP6，开关控制管SW和电容C4-C6构成；NMOS管MN5的漏极、PMOS管MP5的漏极、NMOS管MN6的栅极、PMOS管MP6的栅极和电容C4的下极板相连，电容C4的上极板形成可断路关断射频整流单元的差分输入正端；NMOS管MN6的漏极、PMOS管MP6的漏极、NMOS管MN5的栅极、PMOS管MP5的栅极和电容C5的上极板相连，电容C5的下极板形成可断路关断射频整流单元的差分输入负端；NMOS管MN5的源极、NMOS管MN6的源极和开关控制管SW的源极相连；开关控制管SW的漏极接地；开关控制管SW的栅极形成可断路关断射频整流单元的输入端；PMOS管MP5的源极、PMOS管MP6的源极和电容C6的上极板相连后，形成可断路关断射频整流单元的输出端；电容C6的下极板接地。
上述方案中，开关控制管SW为NMOS管。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、采用断路关断控制方式，使得关断功耗POFF只取决于控制管关断时的漏电功耗，可大幅度降低可关断射频整流单元的关断功耗，提高转化效率。
2、采用负电压关断使能控制，使具有使能功能的可关断射频整流单元的关断功耗进一步降低，有利于提高效率。
3、具有很强的实用性，可广泛应用于低功耗射频能量收集系统中；当|VIN|＝1V时，电路在关断状态下的功耗为POFF＝-24dBm，比传统短路法关断整流器降低了23dB，具有更低的关断功耗。
4、电路可扩展性强，如果需要提高输出电压，可以在输出端级联相同的可断路关断射频整流单元。
附图说明
图1一种负压断路关断型CMOS射频整流器的原理框图。
图2一种负压断路关断型CMOS射频整流器电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1和2，一种负压断路关断型CMOS射频整流器，包括一个负压产生单元、一个电平移位单元和一个可断路关断的射频整流单元。负压产生单元和可断路关断射频整流单元的差分输入正端接正射频信号RF+。负压产生单元和可断路关断射频整流单元的差分输入负端接负射频信号RF-。电平移位单元的的电源极接电源VDD，电平移位单元的控制端接控制信号VCTR。负压产生单元的输出连接电平移位单元的输入端；电平移位单元的输出接可断路关断射频整流单元的输入端；可断路关断射频整流单元的输出端作为整个整流器的输出端。
上述负压产生单元包括四个整流MOS管，一个负压存储电容，两个整流电容，功能是产生直流输出负电压VSS，并作为后续单元的负极性电源电压。在本实施例中，负压产生单元由NMOS管MN1、MN2，PMOS管MP1、MP2和电容C1-C3构成；所有NMOS管的尺寸为3.6μm/0.18μm，所有PMOS的尺寸为18μm/0.18μm，所有电容容值为1.13pF。NMOS管MN1的漏极、PMOS管MP1的漏极、NMOS管MN2的栅极、PMOS管MP2的栅极和电容C1的下极板相连，电容C1的上极板形成负压产生单元的差分输入正端；NMOS管MN2的漏极、PMOS管MP2的漏极、NMOS管MN1的栅极、PMOS管MP1的栅极和电容C2的上极板相连，电容C2的下极板形成负压产生单元的差分输入负端；NMOS管MN1的源极和NMOS管MN2的源极和电容C3的上极板相连后，形成负压产生单元的输出端；电容C3的下极板、PMOS管MP1的源极和PMOS管MP2的源极接地。
在负压产生单元中，当RF+端电位为正值时，VX1也为正值，由于信号是差分输入，RF-端为负值，VY1也为负值，此时，MN2和MP1导通，MN1和MP2截止。一方面，C1上的电荷流经MP1向GND放电，另一方面C3上的电荷流经MN2转移给C2；当RF+端电位为负值时，VX1也为负值，由于信号是差分输入，RF-端为正值，VY1也为正值，此时，MN1和MP2导通，MN2和MP1截止。一方面C2上的电荷流经MP2向GND放电，另一方面C3上的电荷流经MN1转移给C1。输出端C3起滤波和存储负电压作用，负压产生单元的作用是把交流输入转为负压直流输出。
上述电平移位单元包括四个MOS管，一个反相器，其中两个PMOS管的栅极之间由反相器连接，两个NMOS管交叉耦合构成锁存器结构，VCTR为输入控制信号，VG为输出控制信号。负电压产生单元的输出负电压VSS作为电平移位单元的负极性电源，输入控制信号经过电平移位单元后，得到高电平不变，低电平为负的输出控制信号VG。
在本实施例中，电平移位单元由NMOS管MN3、MN4，PMOS管MP3、MP4和反相器A构成；所有NMOS管的尺寸为3.6μm/0.18μm，所有PMOS的尺寸为18μm/0.18μm。PMOS管MP3的源极和PMOS管MP4的源极相连后形成电平移位单元的电源极；NMOS管MN3的源极和NMOS管MN4的源极后形成电平移位单元的输入端；PMOS管MP3的栅极连接反相器A的输入端，PMOS管MP4的栅极连接反相器A的输出端，PMOS管MP3的栅极形成电平移位单元的控制端；NMOS管MN3的栅极接NMOS管MN4的漏极，NMOS管MN4的栅极接NMOS管MN3的漏极，PMOS管MP4的漏极形成电平移位单元的输出端。在电平移位单元中VDD是正电源电压，负压产生单元的输出VSS作为电平移位单元的负电源电压，VCTR是输入控制信号，VG为输出控制信号。MN3和MN4构成稳定的交叉耦合锁存器。当VCTR为高时，反相器A输出为低，MP3截止，MP4导通，因此VY2高电位，即MN3的栅极电位高，MN3导通，导致VX2电位为低，即MN4栅极电位为低，MN4截止，输出VG为高电平。当VCTR为低时，反相器A输出为高，MP3导通，MP4截止，因此VX2高电位，即MN4的栅极电位高，MN4导通，导致VY2电位为低，即MN3栅极电位为低，MN3截止，输出VG为低电平。
上述可断路关断射频整流单元包括四个整流MOS管、两个整流电容、一个开关控制管SW和一个滤波电容。开关管SW控制整流单元是否工作，整流MOS管将交流信号转化成直流输出，滤波电容滤除纹波。在本实施例中，可断路关断射频整流单元由NMOS管MN5、MN6、PMOS管MP5、MP6，开关控制管SW和电容C4-C6构成；所有NMOS管的尺寸为3.6μm/0.18μm，所有PMOS的尺寸为18μm/0.18μm，所有电容容值为1.13pF，开关控制管的尺寸为3.6μm/0.18μm，为NMOS管。NMOS管MN5的漏极、PMOS管MP5的漏极、NMOS管MN6的栅极、PMOS管MP6的栅极和电容C4的下极板相连，电容C4的上极板形成可断路关断射频整流单元的差分输入正端；NMOS管MN6的漏极、PMOS管MP6的漏极、NMOS管MN5的栅极、PMOS管MP5的栅极和电容C5的上极板相连，电容C5的下极板形成可断路关断射频整流单元的差分输入负端；NMOS管MN5的源极、NMOS管MN6的源极和开关控制管SW的源极相连；开关控制管SW的漏极接地；开关控制管SW的栅极形成可断路关断射频整流单元的输入端；PMOS管MP5的源极、PMOS管MP6的源极和电容C6的上极板相连后，形成可断路关断射频整流单元的输出端；电容C6的下极板接地。
在可断路关断射频整流单元中，当加在SW上的使能信号VG为高电位有效时，SW导通，射频整流单元处于使能工作状态，MN5和MN6的源极电位等于GND端电位。当RF+端电位为正值时，VX3也为正值，由于信号是差分输入，RF-端为负值，VY3也为负值，此时，MN6和MP5导通，MN5和MP6截止。一方面电流从GND端流经SW和MN6给C5充电，另一方面C4上的电荷经过MP5向输出放电；当RF+端电位为负值时，VX3也为负值，由于信号是差分输入，RF-端为正值，VY3也为正值，此时，MN5和MP6导通，MN6和MP5截止。一方面电流从GND端流经SW和MN5给C4充电，另一方面C5上的电荷经过MP6向负载放电。输出端C6起滤波作用，整流器实现交流转直流功能。当加在SW栅极上的使能信号VG为低电平时，SW截止，射频整流单元处于关断状态，当RF+端电位为正值时，VX3也为正值，由于信号是差分输入，RF-端为负值，VY3也为负值，此时，MN6和MP5导通，MN5和MP6截止，MN6中无电流，C5没有完成充电过程。当RF+端电位为负值时，VX3也为负值，由于信号是差分输入，RF-端为正值，VY3也为正值，此时，MN5和MP6导通，MN6和MP5截止，MN5中无电流，C4没有完成充电过程；在一个周期内，C4和C5都没有完成充电过程，也就无法给输出放电，整流器停止工作。由于控制SW的低电平信号VG为负电压VSS，SW可彻底关断故具有更低的关断损耗。
本发明采用断路法实现关断控制，其关断功耗主要来源于关断管截止时的漏电功耗。由于控制管的漏电功耗远远小于导通功耗，因此断路法可以大幅度降低POFF。而采用负电压对控制管进行关断控制，可使控制管的漏电功耗进一步降低，可进一步降低POFF，提高PCE。本发明在使能状态时具有较高的PCE，在关断状态时具有较低的POFF，电路结构简单，设计容易，版图面积小，降低生产成本。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种负压断路关断型CMOS射频整流器，其特征是，包括负压产生单元、电平移位单元和可断路关断射频整流单元；负压产生单元和可断路关断射频整流单元的差分输入正端接正射频信号RF+；负压产生单元和可断路关断射频整流单元的差分输入负端接负射频信号RF-；电平移位单元的的电源极接电源VDD，电平移位单元的控制端接控制信号VCTR；负压产生单元的输出连接电平移位单元的输入端；电平移位单元的输出接可断路关断射频整流单元的输入端；可断路关断射频整流单元的输出端作为整个整流器的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种负压断路关断型CMOS射频整流器，其特征是，负压产生单元由NMOS管MN1、MN2，PMOS管MP1、MP2和电容C1-C3构成；
NMOS管MN1的漏极、PMOS管MP1的漏极、NMOS管MN2的栅极、PMOS管MP2的栅极和电容C1的下极板相连，电容C1的上极板形成负压产生单元的差分输入正端；
NMOS管MN2的漏极、PMOS管MP2的漏极、NMOS管MN1的栅极、PMOS管MP1的栅极和电容C2的上极板相连，电容C2的下极板形成负压产生单元的差分输入负端；
NMOS管MN1的源极和NMOS管MN2的源极和电容C3的上极板相连后，形成负压产生单元的输出端；电容C3的下极板、PMOS管MP1的源极和PMOS管MP2的源极接地。
3.根据权利要求1所述的一种负压断路关断型CMOS射频整流器，其特征是，电平移位单元由NMOS管MN3、MN4，PMOS管MP3、MP4和反相器A构成；
PMOS管MP3的源极和PMOS管MP4的源极相连后形成电平移位单元的电源极；NMOS管MN3的源极和NMOS管MN4的源极后形成电平移位单元的输入端；
PMOS管MP3的栅极连接反相器A的输入端，PMOS管MP4的栅极连接反相器A的输出端，PMOS管MP3的栅极形成电平移位单元的控制端；
NMOS管MN3的栅极接NMOS管MN4的漏极，NMOS管MN4的栅极接NMOS管MN3的漏极，PMOS管MP4的漏极形成电平移位单元的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种负压断路关断型CMOS射频整流器，其特征是，可断路关断射频整流单元由NMOS管MN5、MN6、PMOS管MP5、MP6，开关控制管SW和电容C4-C6构成；
NMOS管MN5的漏极、PMOS管MP5的漏极、NMOS管MN6的栅极、PMOS管MP6的栅极和电容C4的下极板相连，电容C4的上极板形成可断路关断射频整流单元的差分输入正端；
NMOS管MN6的漏极、PMOS管MP6的漏极、NMOS管MN5的栅极、PMOS管MP5的栅极和电容C5的上极板相连，电容C5的下极板形成可断路关断射频整流单元的差分输入负端；
NMOS管MN5的源极、NMOS管MN6的源极和开关控制管SW的源极相连；开关控制管SW的漏极接地；开关控制管SW的栅极形成可断路关断射频整流单元的输入端；
PMOS管MP5的源极、PMOS管MP6的源极和电容C6的上极板相连后，形成可断路关断射频整流单元的输出端；电容C6的下极板接地。
5.根据权利要求4所述的一种负压断路关断型CMOS射频整流器，其特征是，开关控制管SW为NMOS管。
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