DE102005050324A1 - Electrical rectifier produced in CMOS technology as a cascade circuit for use with radio frequency UHF signals - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Gleichrichter.The The invention relates to a rectifier.
Integrierte Hochfrequenzgleichrichter bestehen normalerweise aus einer aktiven Transistorschaltung oder Schottky-Dioden, die eine entsprechend hohe Schaltfrequenz besitzen, wobei ein Kondensator zur Glättung der Gleichspannung eingesetzt werden kann.integrated High frequency rectifiers normally consist of one active one Transistor circuit or Schottky diodes, which correspond to one have high switching frequency, with a capacitor for smoothing the DC voltage can be used.
Nachteil von Transistor-Gleichrichtern ist der relativ hohe Stromrückfluss, der die Spannung an einem Glättungskondensator bis zur Schwellenspannung der Transistoren begrenzen kann. Aktive Komparatorschaltungen, die Gateanschlüsse der Transistoren entsprechend steuern, um den Rückfluss zu verhindern, bedingen aber einen erhöhten Schaltungsaufwand.disadvantage of transistor rectifiers is the relatively high current reflux, the voltage on a smoothing capacitor can limit to the threshold voltage of the transistors. active Comparator circuits, the gate terminals of the transistors accordingly control the reflux To prevent, but require an increased circuit complexity.
Im Gegensatz dazu sind Schottky-Dioden, die für Gleichrichter verwendet werden, im Vergleich zu pn-Dioden zwar ausreichend schnell, aber in modernen CMOS-Prozessen nicht vorgesehen, bzw. sie benötigen Spezial-Prozesse.in the In contrast, Schottky diodes used for rectifiers are Although sufficiently fast compared to pn-diodes, but modern CMOS processes not intended, or they require special processes.
Passive RFID-Transponder (Radio Frequency Identification Devices, Hochfrequenz-Identifikationsvorrichtungen) sind Einzelchip-Transponder, die ihre Versorgungsspannung aus einem hochfrequenten Trägersignal beziehen, das mittels einer Antenne, z.B. einer Spulen-Antenne empfangen wird. Zum Erzeugen der Betriebsspannung wird ein integrierter HF (Hoch-Frequenz)-Gleichrichter benötigt, der mit einem nachgeschalteten Glättungskondensator und einem Spannungsbegrenzer eine konstante Gleichspannung erzeugt.passive RFID transponders (Radio Frequency Identification Devices, Radio Frequency Identification Devices) are single-chip transponders that supply their power from one high-frequency carrier signal obtained by means of an antenna, e.g. receive a coil antenna becomes. To generate the operating voltage is an integrated RF (High-frequency) rectifiers needed with a downstream smoothing capacitor and a Voltage limiter generates a constant DC voltage.
Gemäß dieser
herkömmlichen
Anordnung sind auf dem Substrat des RFID-Transponders
Der
Gleichrichter
Der
Taktgenerator
Ein
auf pn-Dioden basierender Gleichrichter gemäß dem Stand der Technik, bei
dem eine Gleichrichter-Kaskadenschaltung verwendet wird, ist in
In
Die
Nimmt
man die beiden in
Die
Leerlaufspannung an den Gleichspannungsanschlüssen
Gemäß dem in
In
anderen Worten, die erste Kapazität und die zweite Kapazität sind als
flächeneffiziente MOS-Kapazitäten mit
jeweils einer n-Wanne
Ein integrierter Gleichrichter mit pn-Dioden in Brückenschaltung weist jedoch nur eine geringe Betriebsfrequenz auf, da der Gleichspannungskontakt für Masse VSS und der Wechselspannungskontakt AC_In2 miteinander verbunden sind, und sich so die Eingangs-Wechselspannung und die Ausgangs-Gleichspannung aufgrund der parasitären Kapazität, die zwischen der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität besteht, überlagern können. Zudem kann ein wechselspannungsseitiger Anschluss nicht über das Substrat erfolgen, der für den Anschluss von Antennen, z.B. an RFID-Transponders, erhebliche Vorteile bietet, da in diesem Fall eine aufwändige Ausrichtung des Bonding-Pads zum Anschließen der Antenne unnötig ist.One However, integrated rectifier with pn diodes in bridge circuit has only a low operating frequency, because the DC voltage contact for ground VSS and the AC voltage contact AC_In2 interconnected are, and so the input AC voltage and the DC output voltage due to the parasitic Capacity, between the first capacity and the second capacity exists, overlay can. In addition, a Wechselspannungsseitiger connection can not over the Substrate carried out for the connection of antennas, e.g. on RFID transponders, offers significant benefits, because in this case an elaborate Alignment of the bonding pad is unnecessary for connecting the antenna.
Die Dioden in der N-Wanne können auch mit CMOS-Transistoren in Diodenschaltung realisiert werden.The Diodes in the N-tub can can also be implemented with diode-connected CMOS transistors.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Gleichrichter zu schaffen, der eine hohe Effizienz und eine hohe Grenzfrequenz aufweist.Of the The invention is therefore based on the object, a rectifier to create a high efficiency and a high cutoff frequency having.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen eines Gleichrichters mit einem geringen Flächenverbrauch.A Another object of the invention is to provide a rectifier with a low area consumption.
Das Problem wird durch einen Gleichrichter mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.The Problem is solved by a rectifier with the features according to the independent claim solved.
Ein Gleichrichter weist einen ersten Substratbereich mit einem ersten Leitfähigkeitstyp und einen zweiten Substratbereich mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp auf, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist. Ferner weist der Gleichrichter eine erste Diode und eine zweite Diode auf, die in Reihenschaltung gekoppelt sind, wobei die Anode der ersten Diode mit der Kathode der zweiten Diode gekoppelt ist. Dabei ist der zweite Substratbereich mit der Anode der zweiten Diode gekoppelt, und die Anode der ersten Diode und der erste Substratbereich weisen Kontakte zum Anschließen einer Wechselspannungsquelle auf. Zum Abgreifen einer Gleichspannung weisen die Kathode der ersten Diode und die Anode der zweiten Diode. entsprechende Kontakte auf.One Rectifier has a first substrate region with a first conductivity type and a second substrate region having a second conductivity type on, opposite to the first conductivity type is. Furthermore, the rectifier has a first diode and a second one Diode coupled in series, the anode of the first diode is coupled to the cathode of the second diode. there the second substrate region is coupled to the anode of the second diode, and the anode of the first diode and the first substrate region Contacts for connection an AC voltage source. For picking up a DC voltage have the cathode of the first diode and the anode of the second diode. corresponding contacts on.
Anschaulich kann ein Aspekt der Erfindung in einer Gleichrichter-Kaskadenschaltung gesehen werden, die die parasitäre Sperrschicht-Kapazität einer MOS-Kapazität als Kapazität für die Kaskadenschaltung nutzt, und daher einen wechselspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters über das Substrat ermöglicht. Da nur zwei pn-Dioden zum Gleichrichten des Wechselspannungs-Eingangssignals verwendet werden, verringert sich der parasitäre Kurzschluss-Strom zwischen den Dioden, so dass sich die Grenzfrequenz des Gleichrichters erhöht. Ferner reduziert sich die Chipfläche, da nur eine einzige MOS-Kapazität für die Kaskadenschaltung implementiert ist.Illustratively, an aspect of the invention can be seen in a rectifier cascade circuit that utilizes the parasitic junction capacitance of a MOS capacitance as a capacitance for the cascade circuit, and therefore an AC side terminal of the rectifier via the Substrate allows. Since only two pn-diodes are used to rectify the AC input signal, the parasitic short-circuit current between the diodes decreases so that the cut-off frequency of the rectifier increases. Furthermore, the chip area is reduced since only a single MOS capacitance is implemented for the cascade connection.
Ein Aspekt der Erfindung basiert daher auf der Idee, parasitäre Kapazitäten, die sich aufgrund der Integration zwangsläufig ergeben, für die wechselspannungsseitige Einkopplung zu nutzen und somit die Chipfläche zu reduzieren und einen Substratanschluss für die wechselspannungsseitige Einkopplung auf einfache Weise zu ermöglichen. Da nur zwei pn-Dioden verwendet werden, kann kein parasitärer Kurzschlussstrom zwischen den pn-Dioden fließen. Dadurch werden die Verluste bei hohen Signalfrequenzen vermieden und die Betriebsfrequenz des Kaskaden-Gleichrichters wird deutlich gesteigert. Für RFID-Chips ergibt sich daraus ein Vorteil bei der Kontaktierung einer externen Antenne, da nur ein Kontakt für einen Bonding-Draht benötigt wird, und der weitere Anschluss der Antenne über das Substrat erfolgen kann.One Aspect of the invention is therefore based on the idea of parasitic capacitances inevitably arise due to the integration, for the AC side Use coupling and thus reduce the chip area and a Substrate connection for to enable the AC-side coupling in a simple manner. Since only two pn diodes are used, no parasitic short-circuit current can flow between the pn-diodes. Thereby the losses are avoided at high signal frequencies and the Operating frequency of the cascade rectifier is significantly increased. For RFID chips this results in an advantage when contacting an external Antenna, as only one contact for requires a bonding wire and the further connection of the antenna can be made via the substrate.
Damit wird ein Gleichrichter für hochfrequente Wechselspannungen (f > 10 MHz) geschaffen, der beispielsweise für den Einsatz im UHF-Bereich sehr geeignet ist, da er einen hohen Wirkungsgrad aufweist.In order to becomes a rectifier for high-frequency alternating voltages (f> 10 MHz) created, for example for the Use in the UHF range is very suitable because it has a high efficiency having.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.further developments The invention will become apparent from the dependent claims.
Beispielsweise sind auf dem zweiten Substratbereich eine Oxidschicht und eine Metallschicht übereinander angeordnet, und die Metallschicht ist mit der Kathode der ersten Diode gekoppelt.For example On the second substrate region, an oxide layer and a metal layer are superimposed arranged, and the metal layer is the first with the cathode Coupled diode.
Der zweite Substratbereich und die Metallschicht, die mittels der Oxidschicht getrennt sind, bilden somit eine Glättungskapazität. Damit wird erreicht, dass die Gleichspannung, die ansonsten stark pulsiert, geglättet ist.Of the second substrate region and the metal layer by means of the oxide layer are separated, thus forming a smoothing capacity. In order to it is achieved that the DC voltage, which otherwise pulsates strongly, smoothed is.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind bei dem Gleichrichter der erste Substratbereich und der zweite Substratbereich aus einem elementaren Halbleiter, wie z.B. Silizium, oder einem Verbindungshalbleiter gebildet. Beispiele für Verbindungshalbleiter sind III-V-Halbleiter, wie z.B. Galliumarsenid oder Indiumphosphid, II-VI-Halbleiter, wie z.B. Cadmiumselenid, und IV-IV-Halbleiter, wie z.B. Siliziumcarbid.In another embodiment in the rectifier, the first substrate region and the second Substrate region of an elemental semiconductor, such. Silicon, or a compound semiconductor. Examples of compound semiconductors are III-V semiconductors, e.g. Gallium arsenide or indium phosphide, II-VI semiconductor, such as. Cadmium selenide, and IV-IV semiconductors, such as e.g. Silicon carbide.
Obwohl die Substratbereiche aus einem der vielen bekannten Halbleitermaterialien gebildet sein können, werden die Substratbereiche besonders bevorzugt aus Silizium, Galliumarsenid oder Indiumphosphid gebildet, da die Verarbeitung dieser Materialien gut bekannt ist und mit herkömmlichen Prozess-Anlagen leicht durchgeführt werden kann.Even though the substrate regions of one of the many known semiconductor materials can be formed The substrate regions are particularly preferably made of silicon, gallium arsenide or indium phosphide formed as the processing of these materials well known and with conventional Process plants easily performed can be.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die erste Diode und die zweite Diode aus jeweils einem Transistor in Diodenschaltung gebildet.In another embodiment the first diode and the second diode are each a transistor formed in diode connection.
Vorteil dieser Anordnung ist, dass diese Anordnung eine kleinere Fläche auf dem ersten Substratbereich benötigt.advantage This arrangement is that this arrangement has a smaller area needed for the first substrate area.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist bei einem Gleichrichter, der auf einem RFID-Chip angeordnet ist, eine Antenne des RFID-Chips als Wechselspannungsquelle angeschlossen.According to one Another embodiment of the invention is in a rectifier, which is arranged on an RFID chip, an antenna of the RFID chip connected as AC voltage source.
Dieses Ausführungsbeispiel hat z.B. den Vorteil, dass zur Versorgung von elektronischen Bauelementen auf einem RFID-Chip keine Batterie notwendig ist, da die dazu notwendige Versorgungsspannung aus der Antenne des RFID-Chips gewonnen werden kann.This embodiment has e.g. the advantage that for the supply of electronic components on an RFID chip No battery is necessary because the necessary supply voltage can be obtained from the antenna of the RFID chip.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the figures and will be discussed below explained in more detail.
Die beschriebenen Figuren dienen nur zur Erklärung der Erfindung und stellen insbesondere keine maßstabsgetreuen Abbildungen des Gegenstands der Erfindung dar.The Figures described only serve to explain the invention and provide in particular, not to scale Illustrations of the subject invention.
Das
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung
ist in
Wie
in
Zur
Spannungsstabilisierung kann der Gleichrichter eine dritte Diode
(nicht gezeigt) oder ein anderes geeignetes elektronisches Element
aufweisen, das parallel an die Gleichspannungskontakte
Damit wird ein Gleichrichter für hochfrequente Wechselspannungen geschaffen, der z.B. für den Einsatz im UHF-Bereich sehr geeignet ist, da er einen hohen Wirkungsgrad aufweist.In order to becomes a rectifier for high-frequency alternating voltages created e.g. for use in the UHF range is very suitable because it has a high efficiency having.
Gemäß
Daher
geschieht die Einspeisung der Wechselspannung mittels der Wechselspannungskontakte AC_In1
Der
Gleichspannungskontakt
Der
erste Substratbereich
Ein
Unterschied zur herkömmlichen
Gleichrichterschaltung, die in
Vorteile
der beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung gegenüber
der bekannten Schaltung (
Die
parasitäre
Sperrschicht-Kapazität
Die
Kopplung des Gleichrichters über
das Substrat
Herkömmliche
RFID-Transponder sind mittels zweier Bonding-Pads, die sich auf einer Seite befinden,
mit einer externen Antenne gekoppelt. Demgegenüber ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel der
Anschluss einer externen Antenne über ein Bonding-Pad
Als Kontaktierungsverfahren sind Verfahren mit leitfähiger Tinte vorstellbar. Der Chip kann dann mittels Drucktechnik an eine externe Antenne gekoppelt werden. Die Antenne und die Verbindungen können mit leitfähigen Drucktechniken kostensparend realisiert werden, da der Chip nicht mit einer hohen Genauigkeit platziert werden muss, wie dies bei der bisherigen Verbindungs-Methode mit zwei Bonding-Pads der Fall ist.When Contacting methods are conceivable methods with conductive ink. Of the Chip can then be coupled by means of printing technology to an external antenna become. The antenna and the connections can be made using conductive printing techniques be realized cost-saving, since the chip is not with a high accuracy must be placed, as with the previous connection method with two bonding pads is the case.
Es wird somit ein effizienter Gleichrichter bereitgestellt, der zudem den Kontaktierungsaufwand für externe Antennen deutlich reduziert.It Thus, an efficient rectifier is provided, which also the contacting effort for external antennas significantly reduced.
- 11
- RFID-TransponderRFID transponder
- 22
- Antenneantenna
- 33
- Gleichrichterrectifier
- 44
- Taktgeneratorclock generator
- 55
- Steuereinheitcontrol unit
- 66
- HF-ModulatorRF modulator
- 2020
- WechselspannungsquelleAC voltage source
- 2121
- Koppel-KapazitätCoupling capacitance
- 2222
- Glättungskapazitätsmoothing capacitor
- 2323
- erste Diodefirst diode
- 2424
- zweite Diodesecond diode
- 26a26a
- Gleichspannungskontakt VSSDC Contact VSS
- 26b26b
- Gleichspannungskontakt VDDDC Contact VDD
- 3030
- WechselspannungsquelleAC voltage source
- 3131
- erste Kapazitätfirst capacity
- 3232
- zweite Kapazitätsecond capacity
- 4040
- p-Substratp-substrate
- 4141
- erste n-Wannefirst n-well
- 4242
- zweite n-Wannesecond n-well
- 4343
- erste Diodefirst diode
- 4444
- zweite Diodesecond diode
- 4545
- erste Metallschichtfirst metal layer
- 4646
- zweite Metallschichtsecond metal layer
- 47a47a
- Gleich-/Wechselspannungskontakt AC_In2/VSSDC / AC contact AC_In2 / VSS
- 47b47b
- Gleichspannungskontakt VDDDC Contact VDD
- 48a48a
- Wechselspannungskontakt AC_In1AC Contact AC_In1
- 4949
- parasitäre Kopplungparasitic coupling
- 5050
- WechselspannungsquelleAC voltage source
- 5151
- Koppel-KapazitätCoupling capacitance
- 5252
- Glättungskapazitätsmoothing capacitor
- 5353
- erste Diodefirst diode
- 5454
- zweite Diodesecond diode
- 56a56a
- Gleichspannungskontakt VSSDC Contact VSS
- 56b56b
- Gleichspannungskontakt VDDDC Contact VDD
- 57a57a
- Wechselspannungskontakt AC_In1AC Contact AC_In1
- 57b57b
- Wechselspannungskontakt AC_In2AC Contact AC_In2
- 5959
- Gleichspannung UaDC Ua
- 6060
- p-Substratp-substrate
- 6161
- n-Wannen-well
- 6363
- erste Diodefirst diode
- 6464
- zweite Diodesecond diode
- 6565
- Metallschichtmetal layer
- 66a66a
- Gleichspannungskontakt VSSDC Contact VSS
- 66b66b
- Gleichspannungskontakt VDDDC Contact VDD
- 67a67a
- Wechselspannungskontakt AC_In1AC Contact AC_In1
- 67b67b
- Wechselspannungskontakt AC_In2AC Contact AC_In2
- 6868
- Sperrschicht-KapazitätDepletion capacitance
- 7070
- Substratsubstratum
- 7171
- Substrat-KontaktSubstrate contact
- 7272
- Bonding-PadBonding pad
- 7373
- RFID-ChipRFID chip
Claims (6)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE200510050324 DE102005050324B4 (en) | 2005-10-20 | 2005-10-20 | rectifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE200510050324 DE102005050324B4 (en) | 2005-10-20 | 2005-10-20 | rectifier |
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Publication Number | Publication Date |
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DE102005050324A1 true DE102005050324A1 (en) | 2007-04-26 |
DE102005050324B4 DE102005050324B4 (en) | 2010-02-18 |
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---|---|---|---|
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
DE1639177A1 (en) * | 1968-02-23 | 1971-01-14 | Itt Ind Gmbh Deutsche | MONOLITHICALLY INTEGRATED RECTIFIER CIRCUIT |
EP0052860B1 (en) * | 1980-11-26 | 1986-09-03 | Deutsche ITT Industries GmbH | Monolithic integrated semiconductor bridge circuit |
-
2005
- 2005-10-20 DE DE200510050324 patent/DE102005050324B4/en not_active Expired - Fee Related
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DE1639177A1 (en) * | 1968-02-23 | 1971-01-14 | Itt Ind Gmbh Deutsche | MONOLITHICALLY INTEGRATED RECTIFIER CIRCUIT |
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Legal Events
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---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
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Effective date: 20130501 |