CN203706243U

CN203706243U - 整流电路以及包括该整流电路的射频识别标签芯片

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Publication number: CN203706243U
Application number: CN201320816549.9U
Authority: CN
Inventors: 王彬; 张永生; 吕经纬
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2023-12-11

Abstract

本实用新型公开了一种整流电路以及包括该整流电路的射频识别标签芯片。一种整流电路的射频识别标签芯片包括的整流电路包括：第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管、第一反相器、第二反相器、第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第一电容C1、第三PMOS晶体管、第一电阻R1、第二电容C2、第二电阻R2；其中第二电容C2为负载电容，第二电阻R2为负载电阻，均用来表征整流电路的负载。本实用新型通过采用静态阈值消除技术降低反向漏电流来大大提高整流电路的工作效率。该整流电路电路结构简单，几乎不增加芯片面积和额外功耗；因此，该整流电路的能量转换损失小，工作效率得到大大提高。

Description

整流电路以及包括该整流电路的射频识别标签芯片

技术领域

本实用新型属于集成电路（IC）设计技术领域，尤其涉及一种整流电路以及包括该整流电路的射频识别标签芯片。

背景技术

在无源RFID标签芯片应用中，通过整流器把微弱的RF信号转换成直流电压信号，给整个标签芯片供电。在高频（HF）RFID标签芯片的设计中，通常使用桥式整流器结构，以实现对RF信号的全波整流。影响桥式整流电路性能的主要因素有导通电压和反向漏电。为了充分利用RF输入信号的能量，需要有源器件，如二极管、MOS二极管、肖特基二极管等有源器件具有较低的阈值电压。消除阈值电压导致的电压传输损失和解决反向漏电的问题成为了设计HF RFID整流器电路的关键。

图1所示为现有技术的HF整流电路结构示意图。如图1所示，在该示例中，整流电路10包括四个传输NMOS晶体管110、120、210、220，为了方便叙述，用电容C1和电阻R1表示整流电路的负载。NMOS晶体管210的栅极和漏极、NMOS晶体管110的栅极和漏极、NMOS晶体管120的衬底、NMOS晶体管220的衬底均接地端GND端。NMOS晶体管210的源极、NMOS晶体管220的栅极和漏极均连接至天线的一个端口Antenna1端；NMOS晶体管110的源极、NMOS晶体管120的栅极和漏极均连接至天线的一个端口Antenna2端。NMOS晶体管220的源极、NMOS晶体管120的源极连接至负载电容C1正端和负载电阻R1一端；负载电容C1负极和负载电阻R1另一端均接地端GND端。

以下说明图1所示整流电路的基本工作原理。

在RF输入信号的正半周，Antenna1端的电压高于Antenna2端的电压时，NMOS晶体管220导通，NMOS晶体管210截至，电路通过MOS晶体管的沟道导通电阻对负载电容C1进行充电；在RF信号的负半周，Antenna2端的电压高于Antenna1端的电压时，NMOS晶体管120导通，NMOS晶体管110截至，电路通过MOS晶体管的沟道导通电阻对负载电容C1进行充电。

如此往复循环，从天线端输入的RF信号不断地对负载电容C1充电，使得负载电容C1上维持一个纹波很小的电压，就可以使输出端Vout输出一个直流电压。

但是，当Antenna1（aAntenna2）端的电压高于Antenna2（Antenna1）端的电压，并且负载电容C1上的电压大于antenna1（antenna2）端的电压时，负载电容C1上的电荷会通过NMOS晶体管的沟道导通电阻和寄生电容回流到天线上，造成能量的损耗；当NMOS晶体管210和110的阈值电压大于其寄生二极管的导通电压时，将会有电流从地通过寄生二极管流向天线，引起电流的衬底泄露，导致能量不能被负载利用；由于MOS晶体管在电路中充当开关，电流会对MOS晶体管的各种寄生电容进行充电，同样也会引起能量的损耗。

以上所述，并考虑到MOS晶体管的沟道导通电阻，这种电路结构的能量转换效率不高。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提出一种整流电路以及包括该整流电路的射频识别标签芯片；该整流电路通过采用静态阈值消除技术降低反向漏电流来大大提高整流电路的工作效率。

为实现以上目的或者其他目的，本实用新型提供以下技术方案：

整流电路，包括第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管、第一反相器、第二反相器、第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第一电容C1、第三PMOS晶体管、第一电阻R1、第二电容C2、第二电阻R2；

第一NMOS晶体管漏极和衬底、第二NMOS晶体管栅极、第一PMOS晶体管漏极、第一反相器的输入端均与信号源Vin的一端连接；第一NMOS晶体管的栅极、第二NMOS晶体管漏极和衬底、第二PMOS晶体管的漏极、第二反相器的输入端与信号源Vin的另一端连接；第一NMOS晶体管的源极、第二NMOS晶体管的源极连接到地端GND端；第一PMOS晶体管的衬底和源极、第二PMOS晶体管的衬底和源极、第三PMOS晶体管的衬底和源极、第一电容C1的正端、第一反相器的PMOS的源极、第二反相器的PMOS源极、第二电容C2的正端、第二电阻R2的一端连接到整流器的输出端节点Vout；第二电容C2的负端、第二电阻R2的另一端连接到地端GND端；第一反相器的NMOS源极、第二反相器的NMOS源极、第一电容C1的负端、第三PMOS晶体管的栅极和漏极连接到第一电阻R1的一端；第一电阻R1的另一端连接到地端GND端；第一反相器的输出端连接到PMOS晶体管的栅极；第二反相器的输出端连接到PMOS晶体管的栅极。

所述的第二电容C2为负载电容，第二电阻R2为负载电阻，均用来表征整流电路的负载。所述的第一电容C1为MOS电容。

所述的第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管为耗尽型NMOS晶体管，其开启电压V_T的范围大于0且小于或等于VDD。

所述的第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管为增强型NMOS晶体管，其开启电压V_T的范围大于或等于-VDD且小于或等于0。

所述的第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第三PMOS晶体管为耗尽型PMOS晶体管，其开启电压V_T的范围大于或等于0且小于或等于VDD。

所述的第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第三PMOS晶体管为增强型PMOS晶体管，其开启电压V_T的范围大于或等于-VDD且小于或等于0。

一种整流电路的射频识别标签芯片，包括以上所述的整流电路。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型通过将采用了静态阈值消除技术的二极管连接的PMOS晶体管代替了NMOS-PMOS交叉连接桥式整流器中的PMOS开关对，在降低电压传输损失的同时，降低反向漏电流，提高整流器的转换效率。该整流电路电路结构简单，几乎不增加芯片面积和额外功耗；因此，该整流电路的能量转换损失小，工作效率得到大大提高。并且，其是通过电路设计来实现，工作效率的提高不受制备工艺的限制，尤其适用于HF RFID标签芯片中。

附图说明

图1是现有技术的整流电路结构示意图；

图2是按照本实用新型一实施例的整流工作电路的基本结构示意图；

图3是图2所示实施例的整流电路在工作时整流直流输出电压示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本实用新型的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本实用新型的基本了解，并不旨在确认本实用新型的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本实用新型的技术方案，在不变更本实用新型的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本实用新型的技术方案的示例性说明，而不应当视为本实用新型的全部或者视为对本实用新型技术方案的限定或限制。

为提高整流电路的工作效率，本领域技术人员更多地从改进NMOS晶体管的器件结构和性能着手，以提升如图1所示的NMOS晶体管110、120和210、220的传输效率。而在本实用新型中，着重从整流电路的电路结构触发来提高整流的电路的工作效率。

图2所示为按照本实用新型一实施例的整流工作电路的基本结构示意图。

一种整流电路30，包括第一NMOS晶体管210、第二NMOS晶体管220、第一反相器240、第二反相器250、第一PMOS晶体管260、第二PMOS晶体管270、第一电容器C1、第三PMOS晶体管290、第一电阻R1、第二电容C2、第二电阻R2；其中第二电容C2为负载电容，第二电阻R2为负载电阻，均用来表征整流电路的负载；

第一NMOS晶体管210漏极和衬底、第二NMOS晶体管220栅极、第一PMOS晶体管260漏极、第一反相器240的输入端均与信号源Vin的一端连接；第一NMOS晶体管210的栅极、第二NMOS晶体管220漏极和衬底、第二PMOS晶体管270的漏极、第二反相器250的输入端与信号源Vin的另一端连接；第一NMOS晶体管210的源极、第二NMOS晶体管220的源极连接到地端GND端；第一PMOS晶体管260的衬底和源极、第二PMOS晶体管270的衬底和源极、第三PMOS晶体管290的衬底和源极、第一电容C1的正端、第一反相器240的PMOS的源极、第二反相器250的PMOS源极、第二电容C2的正端、第二电阻R2的一端连接到整流器的输出端节点Vout；第二电容C2的负端、第二电阻R2的另一端连接到地端GND端；第一反相器240的NMOS源极、第二反相器250的NMOS源极、第一电容C1的负端、第三PMOS晶体管290的栅极和漏极连接到第一电阻R1的一端；第一电阻R1的另一端连接到地端GND端；第一反相器240的输出端连接到PMOS晶体管260的栅极；第二反相器250的输出端连接到PMOS晶体管270的栅极。

整流电路30的信号源Vin20和输出端节点Vout之间存在两条传输通路，信号源Vin可以输入RF信号。其中，第一条传输通路串联连接一个第一PMOS晶体管260，第一PMOS晶体管260的漏端与信号源Vin20的一端连接，第一PMOS晶体管260的源端连接至输出端Vout；第二条传输通路串联连接一个第二PMOS晶体管270，第二PMOS晶体管270的漏端与信号源Vin另一端连接，第二PMOS晶体管270的源端输出至输出端Vout。

继续如图2所示，信号源Vin为RF信号。对反相器240、250而言，其输出高电平为Vout，输出低电平为Vb；第三PMOS晶体管290和第一电容C1并联在输出端节点Vout与节点Vb之间，它们两端电压为Vth。

在信号源Vin的正半周，其幅度逐渐增大，对于第一传输通路，第一反相器240输入端为高电平，输出端为低电平Vb，第一PMOS晶体管260的栅端由Vb驱动，而Vb=Vout-Vth。因此，当Vin小于Vout时，第一PMOS晶体管260截止，Vout大于Vin不会造成反向漏电，因而提高了整流电路的整流效率；当Vin大于Vout时，第一PMOS晶体管260导通，Vin对Vout节点充电，使Vout节点输出直流电压；与此同时，在第二传输通路，第二反相器250输入端为低电平，输出端为高电平Vout，PMOS晶体管270保持截止并完全关断，Vout节点电压无法通过PMOS晶体管270漏电。

同样，在输入信号源Vin的负半周，其幅度逐渐向负方向增大，对于第一传输通路，则反相器240输入端为低电平，输出端为高电平Vout，PMOS晶体管260的栅端由Vout驱动，PMOS晶体管260截止；与此同时，在第二传输通路，第二反相器250输入端为高电平，输出端为低电平Vb，第二PMOS晶体管270的栅端由Vb驱动，而Vb=Vout-Vth。因此，当Vin小于Vout时，第二PMOS晶体管270截止，Vout大于Vin不会造成反向漏电，因而提高了整流电路的整流效率；当Vin大于Vout时，第二PMOS晶体管270导通，Vin对Vout节点充电，使Vout节点输出直流电压。

RF输入信号Vin在正负周期交替变换，不断循环，Vout节点持续输出直流电压。

需要理解的是，图2的整流电路30的整流输出大小不但取决于其工作效率（工作效率越高，表示能量转换效率高，输出端的输出电压越大），还取决于整流电路30的输出负载（即第二电容C2和第二电阻R2）的大小；以上关于整流电路30的工作原理的描述中，整流输出为Vout是在没有输出负载的情形所得。还需要理解的是，虽然，可以大大提高PMOS晶体管的传输效率，但是整流电路的输出并没有考虑其他的工作损耗。

在图2所示实施例中，第一电容C1可以选择为MOS电容，这样相对结构简单，容易在MOS工艺下制备。

需要理解的是，NMOS晶体管210、220为耗尽型NMOS晶体管，其开启电压V_T的范围优选地为0到小于或等于VDD； NMOS晶体管210、220可以为增强型NMOS晶体管，其开启电压V_T的范围优选地为大于或等于-VDD（VDD为输出端节点Vout的输出电压值）且小于或等于0，本领域技术人员可以根据以上所述工作原理的揭示来具体设置NMOS晶体管的具体阈值电压。

PMOS晶体管260、270、290为耗尽型PMOS晶体管，其开启电压V_T的范围优选地为大于或等于0且小于或等于VDD之间； PMOS晶体管260、270、290也可以为增强型PMOS晶体管，其开启电压V_T的范围优选地为大于或等于-VDD且小于或等于0，本领域技术人员可以根据以上所述工作原理的揭示来具体设置PMOS晶体管的具体阈值电压。

整流电路30通过简单的电路结构调整/修改来提高整流效率和降低反向漏电，电路简单，易于实现，并且充分考虑了RFID系统中能量传输使用的特殊性，尤其适合应用于高频的RFID标签芯片中（可以使其读写的距离提高）。

以上例子主要说明了本实用新型的整流电路以及使用该整流电路的RFID标签芯片。尽管只对其中一些本实用新型的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本实用新型可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本实用新型精神及范围的情况下，本实用新型可能涵盖各种的修改与替换。

Claims

1. 整流电路，其特征在于包括第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管、第一反相器、第二反相器、第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第一电容C1、第三PMOS晶体管、第一电阻R1、第二电容C2、第二电阻R2；

2.如权利要求1所述的整流电路，其特征在于所述的第二电容C2为负载电容，第二电阻R2为负载电阻，均用来表征整流电路的负载。

3.如权利要求1所述的整流电路，其特征在于所述的第一电容C1为MOS电容。

4.如权利要求1所述的整流电路，其特征在于所述的第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管为耗尽型NMOS晶体管，其开启电压V_T的范围大于0且小于或等于VDD。

5.如权利要求1所述的整流电路，其特征在于所述的第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管为增强型NMOS晶体管，其开启电压V_T的范围大于或等于-VDD且小于或等于0。

6.如权利要求1所述的整流电路，其特征在于所述的第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第三PMOS晶体管为耗尽型PMOS晶体管，其开启电压V_T的范围大于或等于0且小于或等于VDD。

7.如权利要求1所述的整流电路，其特征在于所述的第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第三PMOS晶体管为增强型PMOS晶体管，其开启电压V_T的范围大于或等于-VDD且小于或等于0。

8.种整流电路的射频识别标签芯片，其特征在于包括权利要求1所述的整流电路。