CN110350810A - 一种消除阈值电压交叉多路并行输出全波整流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种消除阈值电压交叉多路并行输出全波整流电路，在栅极交叉耦合输入电路以及MOS开关输出电路的基础上增加多个MOS管(M5‑8)分别对第三MOS管M3和第四MOS管M4进行阈值补偿，保证MOS开关输出电路能够正常无阈值损耗地打开，降低芯片全波整流电路的功耗。多个MOS开关输出电路并行，分别给模拟前端和数字模块供电，避免了模块之间的相互影响。在栅极交叉耦合输入电路上添加合适的电阻，对全波整流电流进行分压，起到一定的缓冲的作用。

Description

一种消除阈值电压交叉多路并行输出全波整流电路
技术领域
本发明涉及全波整流的技术领域，尤其涉及到一种消除阈值电压交叉多路并行输出全波整流电路。
背景技术
整流电路是利用半导体二极管的单向导电性能把交流电变成单向脉动直流电的电路。全波整流是一种对交流整流的电路。在这种整流电路中，在半个周期内，电流流过一个整流器件(比如晶体二极管)，而在另一个半周内，电流流经第二个整流器件，并且两个整流器件的连接能使流经它们的电流以同一方向流过负载。
全波整流整流前后的波形与半波整流所不同的，是在全波整流中利用了交流的两个半波，这就提高了整流器的效率，并使已整电流易于平滑。因此在整流器中广泛地应用着全波整流。无论正半周或负半周，通过负载电阻RL的电流方向总是相同的。
应用于RFID模拟前端标签电路上，对于使用片上天线的无源标签来说，整流滤波电路的性能至关重要，因为片上天线由于工艺原因存在较大寄生参数而导致能量消耗较大，因此要求整流滤波电路有尽可能高的能量转换效率，以保证后续电路的正常工作。
对于全波整流电路正弦波输入的交变电源，如图1当处于正半周期时，二极管D2、D3导通，D1、D4截止，输出端输出直流电源：当其处于负半周期时，二极管D1、D4导通，D2、D3截止，但输出端输出是相同极性的直流电源，这样通过两组二极管的交错导通，实现了交变电源的全波整流。由于整流输出的直流电源还含有较多的交流分量，因此需要通过滤波电容C进行滤波，去掉交流分量后供给负载RL。
根据全波整流的原理，可用四个二极管接法的MOTFT器件实现基于MOTFT工艺的全波整流电路，其原理图如图2所示，图中M1～M4都为二极管接法，每个器件的栅极和源极(或漏极)直接相连，可视为等效后二极管的正极，剩下的漏极(或源极)视为等效后二极管的负极，具有类似于二极管的单向导通性，然后按照二极管全波整流电路的接法捷星连接即可，其实现全波整流的原理也和二极管全波整流电路相同，称为这种全波整流电路为NTFT桥式整流电路。
NTFT桥式整流电路虽然可以实现全波整流的效果，但由于四个MOTFT都采用二极管接法，整流后的输出将有两倍于MOTFT阈值电压的压降，同时由于四个MOTFT在其开启周期内都工作于饱和区，具有较大功耗且需要使用较大尺寸的MOTFT,因此总体来说，NTFT桥式整流电路在整流效率方面还不是特别理想。
所以后改进如图3所示的NTFT栅交叉连接整流电路，同样能完成全波整流的动能。其由于M3、M4当做开关而非二极管使用，工作于可变电阻区而非饱和区，因此产生的压降要比NTFT桥式整流接法小的多，TFT尺寸也可以做的更小。总体来说栅交叉连接整流电路要比NTFT桥式整流电路有更高的输出电压和整流效率，电路的尺寸也可以做得更小。
但栅交叉连接整流电路还存在以下缺点：
1)栅交叉连接整流电路中虽然有2个MOS管是类似开关作用，但是还是有2个MOS管阈值压降没有消除，给整个全波整流电路带来的功耗也是比较明显的。
2)在经过全波整流过后，给后面的电路模块供电，没有考虑将模块分开供电。这样可能每个模块之间存在一定的影响。
3)片上天线输入端高频交流信号直接传送全波整流电路，可能会对全波整流电路带来影响，甚至会烧坏MOS管。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能消除阈值电压的交叉多路并行输出的全波整流电路。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
包括栅极交叉耦合输入电路1、多个并行的MOS开关输出电路2以及负载电路3；
其中，所述栅极交叉耦合输入电路1用于接收一个正负跳变的交流信号，包括交叉耦合连接的第一MOS管M1和第二MOS管M2；
所述MOS开关输出电路2用于对接收到的交流信号实现整流并且提供输出电流，包括第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第一电容C1以及第二电容C2；
所述第三MOS管M3的栅极与第七MOS管M7的源极以及第一电容C1连接，第三MOS管M3的源极与第七MOS管M7的漏极连接，所述第七MOS管M7的栅极与源极相连；
所述第四MOS管M4的栅极与第八MOS管M8的源极以及第二电容C1连接，第四MOS管M4的源极与第八MOS管M8的漏极连接，所述第八MOS管M8的栅极与源极相连；
所述第一电容C1和第二电容连通；
所述第五MOS管M5和第六MOS管M6分别与第三MOS管M3和第四MOS管M4并联；
所述负载电路3包括电容CL和负载电阻RL，电容CL与负载电阻RL连接。
进一步地，所述第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8的尺寸均相同。
进一步地，所述第一MOS管M1和第二MOS管M2分别接有电阻R2和R1。
进一步地，所述第五MOS管M5的漏极与第三MOS管M3的漏极连接，而其源极与第三MOS管M3的源极连接，且其源极与栅极连通。
进一步地，所述第六MOS管M6的漏极与第四MOS管M4的漏极连接，而其源极与第四MOS管M4的源极连接，且其源极与栅极连通。
进一步地，所述第三MOS管M3和第三MOS管M4的漏极分别与第一MOS管M1和第二MOS管M2的漏极连接。
与现有技术相比，本方案原理和优点如下：
1.在栅极交叉耦合输入电路以及MOS开关输出电路的基础上增加多个MOS管(M5-8)分别对第三MOS管M3和第四MOS管M4进行阈值补偿，保证MOS开关输出电路能够正常无阈值损耗地打开，降低芯片全波整流电路的功耗。
2.多个MOS开关输出电路并行，分别给模拟前端和数字模块供电，避免了模块之间的相互影响。
3.在栅极交叉耦合输入电路上添加合适的电阻，对全波整流电流进行分压，起到一定的缓冲的作用。
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服务作简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的全波整流电路图；
图2为传统的NTFT桥式整流电路图；
图3为传统的NTFT栅交叉连接整流电路图；
图4为本发明一种消除阈值电压交叉多路并行输出全波整流电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
如图4所示，本实施例所述的一种消除阈值电压交叉多路并行输出全波整流电路，包括栅极交叉耦合输入电路1、多个并行的MOS开关输出电路2以及负载电路3；
其中，栅极交叉耦合输入电路1用于接收一个正负跳变的交流信号，包括交叉耦合连接的第一MOS管M1和第二MOS管M2；第一MOS管M1和第二MOS管M2分别接有电阻R2和R1。
MOS开关输出电路2用于对接收到的交流信号实现整流并且提供输出电流，包括第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第一电容C1以及第二电容C2；
第三MOS管M3和第三MOS管M4的漏极分别与第一MOS管M1和第二MOS管M2的漏极连接。
第三MOS管M3的栅极与第七MOS管M7的源极以及第一电容C1连接，第三MOS管M3的源极与第七MOS管M7的漏极连接，所述第七MOS管M7的栅极与源极相连；
第四MOS管M4的栅极与第八MOS管M8的源极以及第二电容C1连接，第四MOS管M4的源极与第八MOS管M8的漏极连接，所述第八MOS管M8的栅极与源极相连；
第一电容C1和第二电容连通；
第五MOS管M5和第六MOS管M6分别与第三MOS管M3和第四MOS管M4并联；
具体地，第五MOS管M5的漏极与第三MOS管M3的漏极连接，而其源极与第三MOS管M3的源极连接，且其源极与栅极连通。
第六MOS管M6的漏极与第四MOS管M4的漏极连接，而其源极与第四MOS管M4的源极连接，且其源极与栅极连通。
上述中，第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8的尺寸均相同。
本实施例中，在栅极交叉耦合输入电路以及MOS开关输出电路的基础上增加多个MOS管(M5-8)分别对第三MOS管M3和第四MOS管M4进行阈值补偿，当输入电压高于负载电容上输出电压至少一个PMOS导通电压时，电流流过M5对负载进行充电，负载上的输出电压Vout增加。随着输出的Vout的增加，电流流过M7对电容C1充电。有以下关系：
Vout＝Vin-Vth5；
Vc1＝Vout-Vth7；
忽略不同体偏置和工艺造成的体效应，同一类的晶体管的阈值电压相同，即
Vth3＝Vth5＝Vth7＝Vth；
于是：
Vc1＝Vin-2Vth；
因为2Vth＞Vth3＝Vth，第三MOS管M3导通，
Vin-Vc1＝Vth3；
Vin-Vc1＝Vin-(Vout-Vth7)＝Vth3；
故最后可以得到：
Vout＝Vin-(Vth3-Vth7)＝Vin；
而当输入是负半周期时，依据对称原理可得：Vout＝Vin；
上各式中，Vth3、Vth5、Vth7分别为第三MOS管M3、第五MOS管M5、第七MOS管M7的阈值电压，Vth为与第三MOS管M3、第五MOS管M5、第七MOS管M同一类的晶体管的阈值电压；Vin、Vout分别为输入电压和输出电压；Vc1为电容C1的电压。
从上可知，本实施例消除了MOS管压降阈值电压。在片上天线的栅极交叉耦合输入电路添加合适电阻对整个全波整流电路有缓冲，分压、耐压的作用，对电路有一定的保护作用。而且后面并行相同的MOS开关输出电路数量依据需要给后续供电模块数量来确定，这样可以给每个模块之间可以单独供压以消除模块相互间存在的影响。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种消除阈值电压交叉多路并行输出全波整流电路，其特征在于，包括栅极交叉耦合输入电路(1)、多个并行的MOS开关输出电路(2)以及负载电路(3)；
其中，所述栅极交叉耦合输入电路(1)用于接收一个正负跳变的交流信号，包括交叉耦合连接的第一MOS管M1和第二MOS管M2；
所述MOS开关输出电路(2)用于对接收到的交流信号实现整流并且提供输出电流，包括第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第一电容C1以及第二电容C2；
所述第三MOS管M3的栅极与第七MOS管M7的源极以及第一电容C1连接，第三MOS管M3的源极与第七MOS管M7的漏极连接，所述第七MOS管M7的栅极与源极相连；
所述第四MOS管M4的栅极与第八MOS管M8的源极以及第二电容C1连接，第四MOS管M4的源极与第八MOS管M8的漏极连接，所述第八MOS管M8的栅极与源极相连；
所述第一电容C1和第二电容连通；
所述第五MOS管M5和第六MOS管M6分别与第三MOS管M3和第四MOS管M4并联；
所述负载电路(3)包括电容CL和负载电阻RL，电容CL与负载电阻RL连接。
2.根据权利要求1所述的一种消除阈值电压交叉多路并行输出全波整流电路，其特征在于，所述第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8的尺寸均相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种消除阈值电压交叉多路并行输出全波整流电路，其特征在于，所述第一MOS管M1和第二MOS管M2分别接有电阻R2和R1。
4.根据权利要求1或2所述的一种消除阈值电压交叉多路并行输出全波整流电路，其特征在于，所述第五MOS管M5的漏极与第三MOS管M3的漏极连接，而其源极与第三MOS管M3的源极连接，且其源极与栅极连通。
5.根据权利要求1或2所述的一种消除阈值电压交叉多路并行输出全波整流电路，其特征在于，所述第六MOS管M6的漏极与第四MOS管M4的漏极连接，而其源极与第四MOS管M4的源极连接，且其源极与栅极连通。
6.根据权利要求1或2所述的一种消除阈值电压交叉多路并行输出全波整流电路，其特征在于，所述第三MOS管M3和第三MOS管M4的漏极分别与第一MOS管M1和第二MOS管M2的漏极连接。
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