CN1647341A - 使用接地天线的整流器 - Google Patents

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Abstract

一种产生整流输出和直流电源输出的整流器。该整流器具有一个天线元件、一个调谐电容器、一个耦合电容器、第一和第二整流二极管，以及一个存储电容器。天线元件和调谐电容器并联耦合并且在一端接地。第一整流二极管在它的阳极端子接地，并且存储电容器的一端接地。耦合电容器耦合在天线元件未接地的端子和第一整流二极管的阴极端子之间。第二整流二极管的阳极端子耦合至第一整流二极管的阴极端子。第二整流二极管的阴极端子耦合至存储电容器未接地的端子。在整流二极管之间产生整流输出。在第二整流二极管和存储电容器之间产生直流电源输出。

Description

使用接地天线的整流器
发明领域
本发明一般涉及信号整流，并且特别涉及使用接地天线的整流器电路。
发明背景
射频识别(RFID)应答器(标签)通常结合RFID基站来使用，典型地用在诸如编目控制、安全、存取卡(access card)和身份识别的应用当中。当RFID标签被带入基站的读取范围之内时，基站发射为RFID标签内的电路供电的载波信号。用二进制数据模式来调制载波信号的振幅(通常为幅移键控)可以实现标签和基站间的数据通信。为此，典型的RFID标签是包括用于耦合发射场的天线元件、将交流载波信号转换成直流电源的整流器和从载波信号包络中提取数据模式的解调器，以及其它组件的集成电路。
如果能以足够低的成本制造RFID标签，则RFID标签也能用在诸如产品标价、行李跟踪、包裹跟踪、贵重物品识别，纸币鉴别和动物识别等对价格敏感的应用当中，这里只提到了少数的应用场合。与通常在这些应用当中采用的系统诸如条形码识别系统相比，RFID标签具有非常显著的优势。例如，一只装满了用RFID标签标记的物品的篮子，能被快速的读取而不必处理每一件物品，相反当使用条形码系统时，不得不将它们单独处理。与条形码不同，RFID标签具有更新标签上信息的能力。然而，当前的RFID技术还是太昂贵而不能主流地用在这些应用当中。这里有几个使RFID标签成本抬高的因素，其中最主要的因素是构成标签的硅集成电路的尺寸。
图1示出了使用二极管电桥2的常规整流器。天线元件4需要二极管电桥2的相对侧的两个触头6、8。在节点10输出整流信号。
图2示出了使用MOSFET电桥12的另一种常规整流器。天线元件4也需要MOSFET电桥12的相对侧的两个触头6、8。为了提供这些触头6、8，常规的RFID标签需要至少两个足够大以焊接布线的焊盘，用于外部天线线圈4的附着。由于RFID标签芯片通常相对较小，所以这些焊盘消耗了常规RFID标签的集成电路面积的大部分。
另一个与常规RFID标签有关的问题是与基站间的最大工作读取距离。在图1和2示出的现有技术的两个例子中，在节点10的整流输出信号只有相应谐振节点6峰间电压的一半。输出节点10上的信号的振幅与RFID标签和基站间最大工作距离相关。
发明概述
根据本发明的原理，整流器产生整流输出和直流电源输出。整流器具有一个天线元件、一个调谐电容器、一个耦合电容器、第一和第二整流二极管和一个存储电容器。天线元件和调谐电容器并联耦合并且在一端接地。第一整流二极管在它的阳极端子接地，并且存储电容器的一端接地。耦合电容器耦合在天线元件未接地的端子和第一整流二极管的阴极端子之间。第二整流二极管的阳极端子耦合至第一整流二极管的阴极端子。第二整流二极管的阴极端子耦合至存储电容器未接地的端子。在整流二极管之间产生整流输出。在第二整流二极管和存储电容器之间产生直流电源输出。
根据本发明的进一步原理，在耦合电容器的第二端子和地之间耦合二极管堆。二极管堆将电压整流信号限制为二极管堆的击穿电压。
附图描述
图1是使用二极管的常规整流器的现有技术设计的电路图；
图2是使用MOSFET的常规整流器的现有技术设计的电路图；
图3是本发明一个实施例的电路图；
图4是本发明一个替代实施例的电路图；
图5是图3和4所示的电路图中所选节点的时序图；
图6是本发明另一实施例的电路图；
图7是本发明的集成电路芯片和外部天线元件的一个实施例；
发明详述
图3示出的是基站16和整流器电路18。为了说明的需要而将基站16包括在内，但它不是本发明的组成部分。
在一个实施例中，整流器电路18至少部分被配置在集成电路芯片中。附加电路(未示出)也可以连同整流器电路18一起配置在集成电路中。在一个实施例中，整流器电路18是作为用于射频识别(RFID)应答器(标签)的整流器被包括在内的。整流器电路18也可能用于其它用途。
整流器电路18的输入是发射自基站16的载波频率，其中载波振幅由一种数据模式来包络。载波振幅由数据模式来包络的一个例子是幅移键控。整流器电路18的一个输出是整流输出20，该整流输出20可以被馈入解调器(未示出)以提取包络信号。整流器电路18的另一个输出是电源输出22，该电源输出22可以用来作为直流电源。整流器电路18包括天线元件24、调谐电容器26、耦合电容器28、第一整流二极管30、第二整流二极管32和存储电容器34。
在一个实施例中，天线元件24具有第一和第二端子。天线元件24的第一端子耦合至谐振节点36。天线元件24的第二端子连接到地38。
在一个实施例中，天线元件24是电感器。选择电感器24和电容器26以谐振载波频率。在本实施例中，电感器24在集成电路芯片的外部，但是也可以在集成电路内部。此外，集成电路工艺可以包括一高磁导率层以增加天线元件的电感。
在一个实施例中，天线元件24是印制在纸张或者其它介质上的导电墨水。在另一实施例中，天线元件24是任何其它类型的电感性元件。
调谐电容器26与天线24并联在谐振节点36和地38之间。在一个实施例中，调谐电容器26具有第一和第二端子。调谐电容器26的第一端子连接到天线24的第一端子，并且调谐电容器26的第二端子连接到天线24的第二端子。当整流器电路18被带入发射适当的载波频率的基站16的读取范围之内时，节点36上的电压将谐振。在一个实施例中，电容器26在集成电路的内部，但是也可以在集成电路的外部。
在一个实施例中，调谐电容器26是印制在纸张或者其它介质上的导电墨水。在另一实施例中，调谐电容器26是任何其它类型的电容性元件。
耦合电容器28连接到谐振节点36，以将电压耦合至节点20。在一个实施例中，耦合电容器28具有第一和第二端子。耦合电容器28的第一端子连接到天线元件24的第一端子，并且耦合电容器28的第二端子连接到第一整流二极管30和第二整流二极管32。
在一个实施例中，耦合电容器28是印制在纸张或者其它介质上的导电墨水。在另一实施例中，耦合电容器28是任何其它类型的电容性元件。
第一整流二极管30耦合在耦合电容器的第二端子和地38之间。在一个实施例中，第一整流二极管具有一个阳极端子和一个阴极端子。该阳极端子连接到地，并且该阴极端子连接到耦合电容器的第二端子。在该阴极端子产生整流输出。
当负电压耦合至节点20时，第一整流二极管将正向偏置，从而使节点20上的电压不低于地38以下的一个二极管压降的值。节点20上的电压可以获得与谐振节点36相同的峰间振幅，两倍于常规整流器整流输出的峰间振幅。然后，本领域的技术人员可以将节点20的整流输出馈入解调器以提取包络了载波信号的二进制数据模式。
第二整流二极管32连接在整流输出节点20和节点22处的电源输出之间。在一个实施例中，第二整流二极管32具有一个阳极端子和一个阴极端子。该阳极连接到耦合电容器的第二端子，并且该阴极端子连接到存储电容器34。
存储电容器34耦合在电源输出节点22和地之间。在一个实施例中，存储电容器34具有第一和第二端子。该第一端子连接到第二整流二极管的阴极端子，并且该第二端子连接到地。
当节点20上的电压比电源输出节点22上的电压正得更多时，第二整流二极管32将正向偏置，从而将电容器34充电到比节点20的峰值电压小一个二极管压降的电压。电容器34上的电荷可以被用作其它电路的电能，并且以载波频率被更新。
依赖于载波信号的振幅、整流器电路18到基站16的距离以及发射场的耦合效率，谐振节点36和整流输出节点20上的电压可以变得足够大，以至于对集成电路组件造成永久的损害。因此，图4示出包括了一个二极管堆40的本发明的一个实施例，该二极管堆40连接在整流输出节点20和地38之间。二极管堆40限制了最大的整流电压。在一个实施例中，二极管堆40包括二极管46、48、50和栅极连接到漏极的MOSFET 52。
借助图5进一步描述了图3和4，图5示出了整流电路18的某些节点的相应电压。当整流电路18被带入发射适当的载波频率(典型为13.56Mhz)的RFID基站16的读取距离之内时，整流器18将在节点22上产生直流电源。也可以采用其它载波频率。载波信号的振幅通常在105.9KHz的频率下由二进制位数据模式来调制，诸如ASK或者幅移键控。也可以在其它数据频率下调制载波信号。节点36将随载波频率的频率而振荡，并且在负值和正值之间摆动。图5中的波形42示出了节点36上的信号。
再次参照图3和4，耦合电容器28将耦合该电压至节点20。在本实施例中耦合电容器28在芯片的内部，但是也可以被设计在外部。然而，由于分流(整流)二极管30的原因，节点20上的信号不能比地38以下一个二极管压降的值负得更多。因此，当节点36第一次摆动到负值时，节点20将保持在地38以下一个二极管压降的值，如图5中的波形44所示。当节点36上的载波信号再次上摆时，整个峰间电压耦合至节点20。该摆动的大小依赖于整流电路18到发射自基站16的调制载波源的距离。在特定的距离范围内，产生的电压可能大到足以损害电路组件。由于这个目的，通过二极管堆40来限制该电压。当在节点20上产生足够的电压时，二极管堆40将导通，从而将该电压箝位在由堆40的击穿电压决定的电平。
当节点20上的电压比节点22上的电压正得更多时，二极管32正向偏置，并使节点22与节点20的电压相同。当节点20上的电压小于(less positive)节点22上的电压时，二极管32反向偏置，使得节点22浮在节点20的峰值电压上。电荷被存储在存储电容器34上。节点22上的电荷可以用来提供Vdd电源。在一个实施例中，该Vdd电源可以被提供给整个芯片。波形45示出了节点22上的信号。
由于电源由节点22提供，所以节点22上的电荷被耗尽，使得节点22上的电压下降。在42的下一个上升沿，当节点20上的电压比节点22上的电压正得更多时，二极管32将再次被正向偏置。通过这种操作，在节点20的每一个上升沿，节点22上的电压被刷新到它的满电压。因此，电容器34必须足够大以提供Vdd电流，而不会在载波脉冲之间在节点22上引起显著的电压降。
图6是本发明另一实施例的电路图，用于当使用半导体工艺来制造本发明的情况，在该半导体工艺中背面不耦合至地，而是耦合到Vdd。为了得到将该背面作为该天线的一个触点所带来的优点，需要一个实施例，其中该天线的一端连接到该直流电源输出。
当谐振节点36变成负值时，由于整流二极管32的原因，节点20的电压保持比芯片地38以上一个二极管压降的电压正得更多。当谐振节点36变成负值时，耦合电容器28将节点20耦合至高电位。整流二极管30导通，使节点22的电压为节点20峰值电压以下一个二极管压降的电压。当节点20再次被谐振节点36耦合到低电位时，整流二极管30关断，从而在节点22上捕捉电荷。节点22表示了该电路的直流电源输出。节点20表示了整流输出。
与常规设计相比，这里描述的整流器设计的一个显著的优势在于，该发明使用一个天线24来工作，它的两个端子的其中之一连接到芯片地38，如图7所示。这是一个显著的优势，因为现在外部天线元件24的连接可以通过将端子之一连接到硅片的背面38来制成。另一个连接制作在硅片的正面，连接到接合焊盘54。因此，对于外部天线24的连接只需要一个焊盘54，而不像在常规设计中需要两个焊盘。由于焊盘的尺寸相对于RFID电路来说比较大，焊盘的节约是硅片面积节约的重要组成部分，这也转化成制造成本的显著降低。
然而，就像技术人员使用常规整流器设计时连接天线24那样，仍然可以在硅片表面上的两个焊盘上连接天线元件24。
在硅片上表面只需要制作一个连接的进一步的优势在于，制作与外部天线元件24的连接的结构大大简化了。例如，可以采用在集成电路上的第二层金属来制作连接，从而在不增加硅片面积的前提下提供更大的连接表面。更大的连接表面使得能够使用比诸如倒装芯片和导电环氧树脂等焊线技术的成本更低的连接技术。这些焊接技术在替代条形码的应用当中尤为重要，在这些应用当中，天线由印制在纸张上的导电墨水组成。
本发明的另一个优势在于，该整流信号在谐振节点电压的整个峰间电压间摆动。常规设计中的整流信号只摆动该振幅的一半。因此，该发明所描述的设计将增大RFID标签和基站16间的最大读取距离，同时减小生产成本。
前面的描述只是对本发明作了示意性的描述。在不脱离本发明的前提下，本领域的技术人员可以做出各种替换和修改。特别地，无论任何地方，只要一个器件连接或者耦合到另一个器件，在该两个连接的器件之间需要提供附加的器件。因此，本发明包括了在所有的落入所附的权利要求书范围之内的这些替换、修改和变化。

Claims (44)

1、用于产生整流输出和直流(dc)电源输出的整流器，该整流器包括：
(a)一个天线元件，具有第一和第二端子，所述第二端子连接到地；
(b)一个调谐电容器，耦合在所述天线元件的第一端子和地之间；
(c)一个第一整流二极管，具有一个阴极端子和一个阳极端子，所述阳极端子连接到地，并且在所述阴极端子产生整流输出；
(d)一个耦合电容器，耦合在所述天线元件的第一端子和所述第一整流二极管的阴极端子之间；
(e)一个第二整流二极管，具有一个阴极端子和一个阳极端子，所述阳极端子耦合至所述第一整流二极管的阴极端子，并且在所述阴极端子产生直流电流输出；以及
(f)一个存储电容器，耦合在所述第二整流二极管的阴极端子和地之间。
2、根据权利要求1所述的整流器，进一步包括一个具有阴极端子和阳极端子的二极管堆，所述阴极端子连接到地，并且所述阳极端子耦合至所述耦合电容器的第二端子。
3、根据权利要求1所述的整流器，其中：
(a)所述第一整流二极管、第二整流二极管和存储电容器配置在集成电路上，该集成电路具有一个接合焊盘和一个芯片地；以及
(b)地包括所述芯片地。
4、根据权利要求3所述的整流器，其中所述芯片地包括集成芯片的背面。
5、根据权利要求3所述的整流器，其中：
(a)进一步在该集成电路芯片上配置所述调谐电容器和耦合电容器，以及
(b)所述天线元件在该集成电路的外部，所述天线元件的第一端子连接到所述接合焊盘，并且所述天线元件的第二端子连接到所述芯片地。
6、根据权利要求3所述的整流器，其中：
(a)进一步在该集成电路芯片上配置所述耦合电容器；以及
(b)所述天线元件和所述调谐电容器在该集成电路的外部，所述天线元件的第一端子连接到所述接合焊盘，并且所述天线元件的第二端子连接到所述芯片地。
7、根据权利要求3所述的整流器，其中所述天线元件、调谐电容器和耦合电容器在该集成电路的外部，所述耦合电容器耦合在所述天线元件的第一端子和所述接合焊盘之间，并且所述天线元件的第二端子连接到所述芯片地。
8、根据权利要求3所述的整流器，其中所述天线元件包括一个天线，该天线使用印制在纸张上的导电墨水。
9、根据权利要求3所述的整流器，其中所述天线元件和调谐电容器包括用印制在纸张上的导电墨水构成的组件。
10、根据权利要求3所述的整流器，其中所述天线元件、调谐电容器和耦合电容器包括用印制在纸张上的导电墨水构成的组件。
11、根据权利要求3所述的整流器，其中该集成电路包括一高磁导率层以增加所述天线元件的电感。
12、用于产生整流输出和直流(dc)电源输出的整流器，该整流器包括：
(a)一个天线元件，具有第一和第二端子，所述第二端子连接到地；
(b)一个调谐电容器，具有第一和第二端子，所述第一端子连接到所述天线元件的第一端子，并且所述第二端子连接到地；
(c)一个耦合电容器，具有第一和第二端子，所述第一端子连接到该天线元件的第一端子，并且在所述第二端子产生整流输出；
(d)一个第一整流二极管，具有一个阴极端子和一个阳极端子，所述阴极端子连接到所述耦合电容器的第二端子，并且所述阳极端子连接到地；
(e)一个第二整流二极管，具有一个阴极端子和一个阳极端子，所述阳极端子连接到所述耦合电容器的第二端子，并且在所述阴极端子产生直流电源输出；以及
(f)一个存储电容器，具有第一和第二端子，所述第一端子连接到所述第二整流二极管的阴极端子，并且所述第二端子连接到地。
13、根据权利要求1所述的整流器，进一步包括具有一个阴极端子和一个阳极端子的二极管堆，所述阴极端子连接到地，并且所述阳极端子连接到所述耦合电容器的第二端子。
14、根据权利要求1所述的整流器，其中：
(a)所述第一整流二极管、第二整流二极管和存储电容器配置在集成电路上，该集成电路具有一个接合焊盘和一个芯片地；以及
(b)地包括所述芯片地。
15、根据权利要求3所述的整流器，其中所述芯片地包括该集成芯片的背面。
16、根据权利要求3所述的整流器，其中：
(a)进一步在该集成电路芯片上配置所述调谐电容器和耦合电容器，以及
(b)所述天线元件在该集成电路的外部，所述天线元件的第一端子连接到所述接合焊盘，并且所述天线元件的第二端子连接到所述芯片地。
17、根据权利要求3所述的整流器，其中：
(a)进一步在该集成电路芯片上配置所述耦合电容；以及
(b)所述天线元件和所述调谐电容器在该集成电路的外部，所述天线元件和所述调谐电容器的第一端子连接到所述接合焊盘，并且所述天线元件和所述调谐电容器的第二端子连接到所述芯片地。
18、根据权利要求3所述的整流器，其中所述天线元件、调谐电容器和耦合电容器在该集成电路的外部，所述耦合电容器的第二端子连接到所述接合焊盘，并且所述天线元件的第二端子连接到芯片地。
19、根据权利要求3所述的整流器，其中所述天线元件包括一个天线，该天线使用印制在纸张上的导电墨水。
20、根据权利要求3所述的整流器，其中所述天线元件和调谐电容器包括用印制在纸张上的导电墨水构成的组件。
21、根据权利要求3所述的整流器，其中所述天线元件、调谐电容器和耦合电容器包括用印制在纸张上的导电墨水构成的组件。
22、根据权利要求3所述的整流器，其中该集成电路包括一高磁导率层以增加所述天线元件的电感。
23、用于产生整流输出和直流(dc)电源输出的整流器，该整流器包括：
(a)一个天线元件，具有第一和第二端子，所述第二端子连接到所述电源输出；
(b)一个调谐电容器，耦合在所述天线元件的第一端子和所述电源输出之间；
(c)一个第一整流二极管，具有一个阴极端子和一个阳极端子，所述阴极端子连接到所述电源输出，并且在所述阳极端子产生所述整流输出；
(d)一个耦合电容器，耦合在所述天线元件的第一端子和所述第一整流二极管的阳极端子之间；
(e)一个第二整流二极管，具有一个阴极端子和一个阳极端子，所述阴极端子耦合至所述第一整流二极管的阳极端子和地；以及
(f)一个存储电容器，耦合在所述电源输出和地之间。
24、根据权利要求23所述的整流器，进一步包括具有一个阴极端子和一个阳极端子的二极管堆，所述阳极端子连接到所述电源输出，并且所述阴极端子耦合至所述耦合电容器的第二端子。
25、根据权利要求23所述的整流器，其中：
(a)所述第一整流二极管、第二整流二极管和存储电容器配置在集成电路上，该集成电路具有一个接合焊盘和一个电源输出；以及
(b)电源包括所述芯片电源输出。
26、根据权利要求25所述的整流器，其中所述芯片电源输出包括该集成芯片的背面。
27、根据权利要求25所述的整流器，其中：
(a)进一步在该集成电路芯片上配置所述调谐电容器和耦合电容器，以及
(b)所述天线元件在该集成电路的外部，所述天线元件的第一端子连接到所述接合焊盘，并且所述天线元件的第二端子连接到所述芯片电源输出。
28、根据权利要求25所述的整流器，其中：
(a)进一步在该集成电路芯片上配置所述耦合电容器；以及
(b)所述天线元件和所述调谐电容器在该集成电路的外部，所述天线元件的第一端子连接到所述接合焊盘，并且所述天线元件的第二端子连接到所述芯片电源输出。
29、根据权利要求25所述的整流器，其中所述天线元件、调谐电容器和耦合电容器在该集成电路的外部，所述耦合电容器耦合在所述天线元件的第一端子和所述接合焊盘之间，并且所述天线元件的第二端子连接到所述芯片电源输出。
30、根据权利要求25所述的整流器，其中所述天线元件包括一个天线，该天线使用印制在纸张上的导电墨水。
31、根据权利要求25所述的整流器，其中所述天线元件和调谐电容器包括用印制在纸张上的导电墨水构成的组件。
32、根据权利要求25所述的整流器，其中所述天线元件、调谐电容器和耦合电容器包括用印制在纸张上的导电墨水构成的组件。
33、根据权利要求25所述的整流器，其中该集成电路包括一高磁导率层以增加所述天线元件的电感。
34、用于产生整流输出和直流(dc)电源输出的整流器，该整流器包括：
(a)一个天线元件，具有第一和第二端子，所述第二端子连接到所述电源输出；
(b)一个调谐电容器，具有第一和第二端子，所述第一端子连接到所述天线元件的第一端子，并且所述第二端子连接到所述电源输出；
(c)一个耦合电容器，具有第一和第二端子，所述第一端子连接到天线元件的第一端子，并且在所述第二端子产生整流输出；
(d)一个第一整流二极管，具有一个阴极端子和一个阳极端子，所述阳极端子连接到所述耦合电容器的第二端子，并且所述阴极端子连接到所述电源输出；
(e)一个第二整流二极管，具有一个阴极端子和一个阳极端子，所述阴极端子连接到所述耦合电容器的第二端子，并且所述阳极端子耦合至地；以及
(f)一个存储电容器，耦合在所述电源输出和地之间。
35、根据权利要求34所述的整流器，进一步包括具有一个阴极端子和一个阳极端子的二极管堆，所述阳极端子连接到所述电源输出，并且所述阴极端子耦合至所述耦合电容器的第二端子。
36、根据权利要求34所述的整流器，其中：
(a)所述第一整流二极管、第二整流二极管和存储电容器配置在集成电路上，该集成电路具有一个接合焊盘和一个电源输出；以及
(b)电源包括所述芯片电源输出。
37、根据权利要求36所述的整流器，其中所述芯片电源输出包括该集成芯片的背面。
38、根据权利要求36所述的整流器，其中：
(a)进一步在该集成电路芯片上配置所述调谐电容器和耦合电容器，以及
(b)所述天线元件在该集成电路的外部，所述天线元件的第一端子连接到所述接合焊盘，并且所述天线元件的第二端子连接到所述芯片电源输出。
39、根据权利要求36所述的整流器，其中：
(a)进一步在该集成电路芯片上配置所述耦合电容器；以及
(b)所述天线元件和所述调谐电容器在该集成电路的外部，所述天线元件的第一端子连接到所述接合焊盘，并且所述天线元件的第二端子连接到所述芯片电源输出。
40、根据权利要求36所述的整流器，其中所述天线元件、调谐电容器和耦合电容器在该集成电路的外部，所述耦合电容器耦合在所述天线元件的第一端子和所述接合焊盘之间，并且所述天线元件的第二端子连接到所述芯片电源输出。
41、根据权利要求36所述的整流器，其中所述天线元件包括一个天线，该天线使用印制在纸张上的导电墨水。
42、根据权利要求36所述的整流器，其中所述天线元件和调谐电容器包括用印制在纸张上的导电墨水构成的组件。
43、根据权利要求36所述的整流器，其中所述天线元件、调谐电容器和耦合电容器包括用印制在纸张上的导电墨水构成的组件。
44、根据权利要求36所述的整流器，其中该集成电路包括一高磁导率层以增加所述天线元件的电感。
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