CN109861655B

CN109861655B - 一种应用于rfid系统的新型低功耗放大器

Info

Publication number: CN109861655B
Application number: CN201910092767.4A
Authority: CN
Inventors: 赵思棋; 刘明
Original assignee: Shanghai Panchip Microelectronics Co ltd
Current assignee: Shanghai Panchip Microelectronics Co ltd
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: CN109861655A

Abstract

本发明公开了一种应用于RFID(无线射频识别)系统的新型低功耗放大器，涉及模拟集成电路设计领域，包括输入级、中间级和输出级；其中，所述输入级由第一MOS管、第二MOS管和第一恒流源构成差分放大电路；所述中间级包括共模反馈模块、放大管模块和恒流源负载模块；所述输出级包括第一电容、第二电容和一个负载电阻；所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的漏极分别与所述放大管模块电连接；所述输出级的第一电容的第一端与所述共模反馈模块电连接，所述输出级的第二电容的第一端与所述恒流源负载模块电连接；所述放大器电路的工作电流为纳安级。本发明可在极低功耗下实现稳定可靠的信号放大，并具有很高的接收灵敏度和抗干扰能力。

Description

一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器

技术领域

本发明涉及模拟集成电路领域，尤其涉及一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器。

背景技术

随着无线通信技术的迅猛发展，射频识别技术的应用日益广泛，在门禁识别、交通管理、物流管理和自动化生产等领域都有广泛的应用。基本的射频识别系统由基站和标签芯片两部分组成，其中标签芯片作为移动式设备，其待机功耗成为了制约其使用寿命的关键指标。

而标签芯片中的接收机放大器是整个标签芯片最主要的耗能部件。为了保证芯片量产的稳定性，传统接收机中的放大器通常工作在闭环结构，这要求放大器具有足够高的开环增益，由于开环增益的大小与放大器的功耗成正比，提高开环增益势必造成功耗的增加。一个具有60dB以上开环增益的放大器，往往需要几百微安的工作电流，大大降低了整个标签芯片的寿命。而过低的开环增益又将削弱整个标签芯片接收信号的灵敏度。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器，使其具有高接收灵敏度且低功耗的优点。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在保证标签芯片具有高接收灵敏度的同时，最大限度地降低功耗。

为实现上述目的，本发明提供了一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器，包括输入级、中间级和输出级；其中，所述输入级由第一MOS管、第二MOS管和第一恒流源构成差分放大电路；所述中间级包括共模反馈模块、放大管模块和恒流源负载模块；所述输出级包括第一电容、第二电容和一个负载电阻；所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的漏极分别与所述放大管模块电连接；所述输出级的第一电容的第一端与所述共模反馈模块电连接，所述输出级的第二电容的第一端与所述恒流源负载模块电连接；所述放大器电路的工作电流为纳安级。

进一步地，所述输入级的第一MOS管的源极与所述第二MOS管的源极电连接，所述第一恒流源的第一端与所述第一MOS管的源极电连接，所述第一恒流源的第二端接地。

进一步地，所述中间级的共模反馈模块包括第三MOS管、第四MOS管和第二恒流源；所述第三MOS管的源极与所述第四MOS管的源极电连接；所述第二恒流源的第一端与所述第三MOS管的源极电连接，所述第二恒流源的第二端接地。

进一步地，所述中间级的第三MOS管的栅极接偏置电压VBIAS1。

进一步地，所述中间级的放大管模块包括第五MOS管和第六MOS管；所述第五 MOS管与所述第六MOS管的栅极相互连接，并接到偏置电压VBIAS6；所述第五MOS 管的源极与所述共模反馈模块的第三MOS管的漏极电连接；所述第六MOS管的源极与所述共模反馈模块的第四MOS管的漏极电连接；所述第五MOS管和所述第六MOS 管的源极作为信号输入端，接收来自于输入级的信号。

进一步地，所述中间级的恒流源负载模块包括第七MOS管和第八MOS管；所述第七MOS管与所述第八MOS管的源极均连接到电源；所述第七MOS管与所述第八 MOS管的栅极相互连接，并连接到所述第七MOS管的漏极；所述第七MOS管与所述第八MOS管构成一个镜像恒流源，作为放大器电路的有源负载。

进一步地，所述中间级的恒流源负载模块的第七MOS管的漏极与所述放大管模块的第五MOS管的漏极电连接；所述恒流源模块的第八MOS管的漏极与所述放大管模块的第六MOS管的漏极电连接。

进一步地，所述输出级的第一电容的第二端接地，所述输出级的第二电容的第二端接地，所述第一电容与所述第二电容对输出信号起到带通滤波的作用。

进一步地，所述输出级的负载电阻的第一端与所述放大管模块的第六MOS管的源极电连接；所述负载电阻的第二端与所述共模反馈模块的第四MOS管的栅极电连接。

进一步地，所述放大器的小信号分析模型存在一个零点z₀和两个极点p₀和p₁。

在本发明的较佳实施方式中，一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器，包括输入级、中间级和输出级；其中，所述输入级由第一MOS管、第二MOS管和第一恒流源构成差分放大电路；所述中间级包括共模反馈模块、放大管模块和恒流源负载模块；所述输出级包括第一电容、第二电容和一个负载电阻；所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的漏极分别与所述放大管模块电连接；所述输出级的第一电容的第一端与所述共模反馈模块电连接，所述输出级的第二电容的第一端与所述恒流源负载模块电连接；所述放大器电路的工作电流为纳安级。所述输入级的第一MOS管的源极与所述第二MOS管的源极电连接，所述第一恒流源的第一端与所述第一MOS管的源极电连接，所述第一恒流源的第二端接地。所述中间级的共模反馈模块包括第三 MOS管、第四MOS管和第二恒流源；所述第三MOS管的源极与所述第四MOS管的源极电连接；所述第二恒流源的第一端与所述第三MOS管的源极电连接，所述第二恒流源的第二端接地。所述中间级的第三MOS管的栅极接偏置电压VBIAS1。所述中间级的放大管模块包括第五MOS管和第六MOS管；所述第五MOS管与所述第六MOS管的栅极相互连接，并接到偏置电压VBIAS6；所述第五MOS管的源极与所述共模反馈模块的第三MOS管的漏极电连接；所述第六MOS管的源极与所述共模反馈模块的第四MOS管的漏极电连接；所述第五MOS管和所述第六MOS管的源极作为信号输入端，接收来自于输入级的信号。所述中间级的恒流源负载模块包括第七MOS 管和第八MOS管；所述第七MOS管与所述第八MOS管的源极均连接到电源；所述第七MOS管与所述第八MOS管的栅极相互连接，并连接到所述第七MOS管的漏极；所述第七MOS管与所述第八MOS管构成一个镜像恒流源，作为放大器电路的有源负载。所述中间级的恒流源负载模块的第七MOS管的漏极与所述放大管模块的第五 MOS管的漏极电连接；所述恒流源模块的第八MOS管的漏极与所述放大管模块的第六MOS管的漏极电连接。所述输出级的第一电容的第二端接地，所述输出级的第二电容的第二端接地，所述第一电容与所述第二电容对输出信号起到带通滤波的作用。所述输出级的负载电阻的第一端与所述放大管模块的第六MOS管的源极电连接；所述负载电阻的第二端与所述共模反馈模块的第四MOS管的栅极电连接。所述放大器的小信号分析模型存在一个零点z₀和两个极点p₀和p₁。

放大器的输入级接收来自外界的信号，其输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。输入级将外界的信号传递给中间级，由中间级进行进一步的信号放大。中间级再将信号传输给输出级，由输出级进行信号的带通滤波。整个电路消耗的电流极低。

与现有技术方案相比，本发明的有益技术效果在于：

本发明所提的一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器，设计合理，实用型强，在保证标签芯片具有高灵敏度的同时，最大限度地降低了功耗。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的电路结构图；

图2是本发明的一个较佳实施例的单端简化电路图；

图3是本发明的一个较佳实施例的小信号简化模型；

图4是本发明的一个较佳实施例的极零点分布图；

图5是本发明的一个较佳实施例的幅频响应仿真曲线图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，其示出了一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器的完整结构图。包括输入级、中间级和输出级。

其中，输入级由两个MOS管M1、M2和第一恒流源构成，形成一个具有双端输入的高性能差分放大电路。该电路具有输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号能力强，静态电流小的优点。

中间级包括共模反馈模块、放大管模块以及恒流源负载模块。其中，共模反馈模块由两个MOS管M3、M4和第二恒流源共同构成，该模块抑制共模信号，稳定电路的直流工作点。放大管模块由两个MOS管M5和M6共同构成，M5与M6的栅极相连并连接到偏置电压VBIAS6上；M5与M6的源极分别与输入级的M1与M2的漏极相连，接收并放大来自于输入级的信号；M6的漏极作为整个中间级的信号输出端。恒流负载模块由两个MOS管M7和M8共同构成，M7与M8的源极连接到电源，栅极相互连接，并连接到M7的漏极；该连接方式构成了一个镜像电流源，作为放大器的有源负载；该设计可将输入级的电流变化转变为输出电流变化，还可将所有变化电流流向输出级。

输出级由负载电阻R与电容C1、电容C2构成。电容C1第一端与M4的栅极连接，另一端接地；电容C2的第一端与M6的漏极连接，另一端接地；负载电阻R的第一端与M6的漏极连接，第二端与M4的栅极连接。电容C1与电容C2对输出信号起到带通滤波的作用，其电容值可以根据滤波的频带进行调整。

如图2所示，其示出了图1所示电路的简化电路。由于图1中的M3的栅极接到静态偏置电压VBIAS1，因此输出级为单端输出电路；为了便于分析，进一步地，若把输入级简化为单端输入电路，则该放大器的电路结构如图2所示。

该简化电路由M2作为输入级，M4、M6和M8构成中间级，C1、C2和R构成输出级。输入信号经过M2放大到，输出到M6的源极，再经过M6进一步放大，输出到输出级。

如图3所示，其示出了图2所示简化电路的放大器在当γ＝0，λ＝0时的小信号分析模型。

假设gm₈V_gs8＝I_out，由图3可得，

I_out＝gm₄V_G+gm₂V_INN

又由于放大器的输入级简化为单端输入，因此可以认为，

V_INN＝-V_IN

联立以上各式，可以得到

可以看出，该放大器的直流增益(ω＝0)为

且放大器存在一个零点z₀和两个极点p₀和p₁，对放大器增益表达式整理可得，

且

如图4所示，其示出了图1所示放大器电路，当C₁＞＞C₂时的零极点分布图，可见放大器可以通过控制零级点的位置实现带通功能。

如图5所示，其示出了图1所示放大器的幅频响应仿真曲线图，具有明显的带通滤波效果，可见仿真结果与理论分析一致。

对于传统的结构，固定了单位增益带宽积GBW基本就固定了电流值的大小。而本发明所提技术方案的创新之处在于，本发明所设计的架构，巧妙的应用了幅频曲线的极零点特性，在每个零点频率处，幅值曲线的斜率按+20dB/dec变化，在每个极点频率处，其斜率按照-20dB/dec变化，其中dec表示十倍频。根据结构推倒公式得到的极点零点公式，可以看出增益大小和中心频点的位置以及放大器电流大小并没有强制性约束关系，可以根据实际的指标要求，通过设置合适的设计电容值和电阻值，将功耗限制在nA级，从而最大限度地降低了功耗。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器，其特征在于，包括输入级、中间级和输出级；其中，所述输入级由第一MOS管、第二MOS管和第一恒流源构成差分放大电路；所述中间级包括共模反馈模块、放大管模块和恒流源负载模块；所述输出级包括第一电容、第二电容和一个负载电阻；所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的漏极分别与所述放大管模块电连接；所述中间级的共模反馈模块包括第三MOS管、第四MOS管和第二恒流源；所述第三MOS管的源极与所述第四MOS管的源极电连接；所述放大管模块包括第五MOS管和第六MOS管；所述第五MOS管与所述第六MOS管的栅极相互连接，并接到偏置电压VBIAS6；所述第五MOS管的源极与所述第三MOS管的漏极电连接；所述第六MOS管的源极与所述第四MOS管的漏极电连接；所述第五MOS管和所述第六MOS管的源极作为信号输入端，接收来自于输入级的信号；所述中间级的恒流源负载模块包括第七MOS管和第八MOS管；所述第七MOS管的漏极与所述第五MOS管的漏极电连接；所述第八MOS管的漏极与所述第六MOS管的漏极电连接；所述第一电容的第一端与所述第四MOS管的栅极电连接，所述第一电容的第二端接地；所述第二电容的第一端与所述第六MOS管的漏极电连接，所述第二电容的第二端接地；放大器电路的工作电流为纳安级。

2.如权利要求1所述的一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器，其特征在于，所述输入级的第一MOS管的源极与所述第二MOS管的源极电连接，所述第一恒流源的第一端与所述第一MOS管的源极电连接，所述第一恒流源的第二端接地。

3.如权利要求1所述的一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器，其特征在于，所述第二恒流源的第一端与所述第三MOS管的源极电连接，所述第二恒流源的第二端接地。

4.如权利要求1所述的一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器，其特征在于，所述中间级的第三MOS管的栅极接偏置电压VBIAS1。

5.如权利要求1所述的一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器，其特征在于，所述第七MOS管与所述第八MOS管的源极均连接到电源；所述第七MOS管与所述第八MOS管的栅极相互连接，并连接到所述第七MOS管的漏极；所述第七MOS管与所述第八MOS管构成一个镜像恒流源，作为放大器电路的有源负载。

6.如权利要求1所述的一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器，其特征在于，所述输出级的第一电容的第二端接地，所述输出级的第二电容的第二端接地，所述第一电容与所述第二电容对输出信号起到带通滤波的作用。

7.如权利要求1所述的一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器，其特征在于，所述输出级的负载电阻的第一端与所述放大管模块的第六MOS管的源极电连接；所述负载电阻的第二端与所述共模反馈模块的第四MOS管的栅极电连接。

8.如权利要求1所述的一种应用于RFID系统的新型低功耗放大器，其特征在于，所述放大器的小信号分析模型存在一个零点z₀和两个极点p₀和p₁。