JP2016059166A - 整流回路および非接触式icカード - Google Patents

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Abstract

【課題】チップサイズの増大を抑制しつつ所定の通信特性を有することが可能な整流回路および非接触式ICカードを提供する。【解決手段】第1のMOSトランジスタは、一端が基準電位に、他端が第1のアンテナ端子に接続されている。第2のMOSトランジスタは、一端が基準電位に、他端が第2のアンテナ端子に接続されている。第1の整流素子は、第1のアンテナ端子と出力端子との間に接続され、順方向が出力端子に向かう方向である。第2の整流素子は、第2のアンテナ端子と出力端子との間に接続され、順方向が出力端子に向かう方向である。第1のスイッチ素子は、基準電位と第1のアンテナ端子との間において第1のMOSトランジスタに並列に接続されている。第2のスイッチ素子は、基準電位と第2のアンテナ端子との間において第2のMOSトランジスタに並列に接続されている。【選択図】図1

Description

本発明による実施形態は、整流回路および非接触式ICカードに関する。
ICカード通信システムにおいては、タグと称される非接触式ICカードが、読み取り/書込み装置(以下、R/Wともいう)との間で通信を行う。この通信の際に、タグは、R/Wから電力を受信する。タグがR/Wから受信する電力は、タグとR/Wとの通信距離が近距離の場合は大きい。この場合、タグのアンテナ端子の電圧は、タグのチップ耐圧を超える場合があるため、タグは、アンテナ端子の電圧を制限する必要がある。アンテナ端子電圧の制限方法としては、アンテナ端子や整流出力のインピーダンスを低下させる方法がある。
例えば、インピーダンスを低下させる整流回路に、pn接合ダイオードを用いるものがある。このpn接合ダイオードは、カソードが接地電位以下のときにオンするため、チップ基板をベース、カソードをエミッタ、周辺の不特定多数のn拡散部をコレクタとした寄生npnを形成するおそれがある。寄生npnによるタグの動作不良を避けるには、pn接合ダイオードと他のn拡散部とのアイソレーションが必要となり、チップサイズの増大を抑制することが困難となる。
また、他の従来の整流回路に、nMOSトランジスタを用いるものがある。このnMOSトランジスタは、ゲートに接続されたアンテナ端子の電圧が上昇している場合は殆どの期間オンするので、インピーダンスは、ほぼ常時低くなる。インピーダンスがほぼ常時低くなることで、R/Wは、負荷変調によるタグの送信信号を検出しにくくなり、所定の通信特性を有することが困難となる。
特開2008−67488号公報
チップサイズの増大を抑制しつつ所定の通信特性を有することが可能な整流回路および非接触式ICカードを提供する。
本実施形態による整流回路は、第1のアンテナ端子と、第2のアンテナ端子と、第1のMOSトランジスタと、第2のMOSトランジスタと、第1の整流素子と、第2の整流素子と、第1のスイッチ素子と、第2のスイッチ素子とを備える。第1のMOSトランジスタは、一端が基準電位に接続され、他端が第1のアンテナ端子に接続されている。第2のMOSトランジスタは、一端が基準電位に接続され、他端が第2のアンテナ端子に接続されている。第1の整流素子は、第1のアンテナ端子と出力端子との間に接続され、順方向が第1のアンテナ端子から出力端子に向かう方向である。第2の整流素子は、第2のアンテナ端子と出力端子との間に接続され、順方向が第2のアンテナ端子から出力端子に向かう方向である。第1のスイッチ素子は、基準電位と第1のアンテナ端子との間において第1のMOSトランジスタに並列に接続されている。第2のスイッチ素子は、基準電位と第2のアンテナ端子との間において第2のMOSトランジスタに並列に接続されている。第1のスイッチ素子は、第2の整流素子を流れる第2の電流が第2の閾値以上の場合にオンする。第2のスイッチ素子は、第1の整流素子を流れる第1の電流が第1の閾値以上の場合にオンする。
第1の実施形態による非接触式ICカード1の構成の一例を示す図である。 第1の実施形態による整流回路11の回路図である。 図2の整流回路11の動作の一例を示す第1の模式図である。 図2の整流回路11の動作の一例を示す第2の模式図である。 図2の整流回路11のアンテナ端子の電圧波形図である。 第2の実施形態による整流回路11の回路図である。 図6の整流回路11の動作の一例を示す模式図である。 図6の整流回路11のアンテナ端子の電圧波形図である。
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態による非接触式ICカード1の構成の一例を示す図である。図1に示される非接触式ICカード1は、R/Wとの間で無線通信を行うタグとして用いることができるものである。
なお、非接触式ICカードには、整流回路の整流電流に基づいて非接触式ICカード自身の動作電力を得るパッシブ型のタグと、電池などの別電源から電力を得るアクティブ型のタグとがある。図1に示される非接触式ICカード1は、アクティブ型のタグおよびパッシブ型のタグのいずれであってもよい。
この接触式ICカード1は、整流回路11と、変調回路12と、クランプ回路13と、受信回路14と、ロジック部15と、第1のアンテナコイルL1と、第1のキャパシタC1と、第1のアンテナ端子ANT1と、第2のアンテナ端子ANT2と、出力端子TOUTとを備える。
第1のアンテナコイルL1は、一端が第1のアンテナ端子ANT1に接続され、他端が第2のアンテナ端子ANT2に接続されている。また、第1のアンテナ端子ANT1は、整流回路11の第1の入力端に接続され、第2のアンテナ端子ANT2は、整流回路11の第2の入力端に接続されている。
また、変調回路12は、第1のアンテナコイルL1の一端と第1のアンテナコイルL1の他端との間に接続されている。
また、クランプ回路13および受信回路14は、出力端子TOUTに接続されている。また、無線通信信号の送受信を司るロジック部15は、受信回路14の出力端および変調回路12の入力端に接続されている。
一方、R/Wは、直列接続された第2のアンテナコイルL2、第2のキャパシタC2、アンプAMPおよび交流電源ACを備える。また、図示はしないが、R/Wは、搬送波にASK変調(振幅偏移変調)を施す変調回路や、非接触式ICカード1からの返信信号の復調を行う復調回路などを備える。
このような構成の非接触式ICカード1は、R/Wから受信信号を受信する際には、R/Wとの無線通信に基づいて第1のアンテナコイルL1に発生した誘導電流を、整流回路11によって整流する。より具体的には、整流回路11は、第1のアンテナ端子ANT1および第2のアンテナ端子ANT2から交互に整流回路11に入力される交流電流を整流して、直流電流に変換する。
整流回路11は、第1及び第2のアンテナ端子ANT1、ANT2からの入力電流を整流することで、R/Wが発生する磁界に含まれるASK成分すなわちR/Wからの受信信号を取り出すことができる。整流回路11は、取り出されたASK成分を受信回路14に出力する。
クランプ回路13は、整流回路11の整流の際に、整流出力すなわち出力端子TOUTの電圧を低電圧に抑えることで、第1及び第2のアンテナ端子ANT1、ANT2の発生電圧が該端子ANT1、ANT2に接続される素子の耐圧を超えることを防止する。クランプ回路13は、例えば、整流出力の電圧が閾値以上になると抵抗値が小さくなることで、整流出力の電圧を低電圧に抑えてもよい。
受信回路14は、整流回路11で取り出されたASK成分を二値化し、二値化されたASK成分(受信信号)をロジック部15に出力する。
一方、非接触式ICカード1は、R/Wに送信信号を送信(返信)する際には、変調回路12で、ロジック部15から入力された送信信号を、負荷変調すなわちロードスイッチングを用いてR/Wに返信する。より具体的には、変調回路12は、第1のアンテナ端子ANT1および第2のアンテナ端子ANT2のインピーダンスを変化させることで、R/Wの第2のアンテナコイルL2の電圧を変化させる。
R/Wは、第2のアンテナコイルL2の電圧の変化に基づいて、非接触式ICカード1からの送信信号を検波する。
ここで、図2は、第1の実施形態による整流回路11の回路図である。図2に示すように、整流回路11は、第1のMOSトランジスタQ1と、第2のMOSトランジスタQ2と、第1の整流素子の一例である第6のMOSトランジスタQ6と、第2の整流素子の一例である第7のMOSトランジスタQ7と、第1のスイッチ素子の一例である第4のMOSトランジスタQ4と、第2のスイッチ素子の一例である第5のMOSトランジスタQ5と、バイアス生成部111と、電圧印加部112と、第3のキャパシタC3と、を備える。
第1のMOSトランジスタQ1は、例えば、ゲートが第2のMOSトランジスタQ2のゲートに接続され、ドレイン(一端)が基準電位の一例である接地電位GNDに接続され、ソース(他端)が第1のアンテナ端子ANT1に接続されたnMOSトランジスタである。また、第2のMOSトランジスタQ2は、例えば、ドレイン(一端)が接地電位GNDに接続され、ソース(他端)が第2アンテナ端子ANT2に接続されたnMOSトランジスタである。
この第1のMOSトランジスタQ1は、第2のアンテナ端子ANT2から出力端子TOUTに流れる第2の電流i2に基づく後述の第2の還流電流を、接地ノードNEから第1のアンテナ端子ANT1に流す。また、第2のMOSトランジスタQ2は、第1のアンテナ端子ANT1から出力端子TOUTに流れる第1の電流i1に基づく後述の第1の還流電流を、接地ノードNEから第2のアンテナ端子ANT2に流す。
第6のMOSトランジスタQ6は、例えば、第1のアンテナ端子ANT1と出力端子TOUTとの間にダイオード接続され、順方向が第1のアンテナ端子ANT1から出力端子TOUTに向かう方向であるpMOSトランジスタである。また、第7のMOSトランジスタQ7は、例えば、第2のアンテナ端子ANT2と出力端子TOUTとの間にダイオード接続され、順方向が第2のアンテナ端子ANT2から出力端子TOUTに向かう方向であるpMOSトランジスタである。
この第6のMOSトランジスタQ6は、第1の電流i1を順方向に流す。第7のMOSトランジスタQ7によれば、第2の電流i2を順方向に流す。
また、第4のMOSトランジスタQ4は、例えば、接地電位GNDと第1のアンテナ端子ANT1との間において、第1のMOSトランジスタQ1に並列に接続されたnMOSトランジスタである。この第4のMOSトランジスタQ4は、ゲートが電圧印加部112に接続され、ソースが第1のアンテナ端子ANT1に接続され、ドレインが接地電位GNDに接続されている。
この第4のMOSトランジスタQ4は、第1のMOSトランジスタQ1とともに後述する第2の還流電流を分流する。第2の還流電流を分流することで、第1のアンテナ端子ANT1のインピーダンスを低減することができる。
また、第5のMOSトランジスタQ5は、例えば、接地電位GNDと第2のアンテナ端子ANT2との間において、第2のMOSトランジスタQ2に並列に接続されたnMOSトランジスタである。この第5のMOSトランジスタQ5は、ゲートが電圧印加部112に接続され、ソースが第2のアンテナ端子ANT2に接続され、ドレインが接地電位GNDに接続されている。
この第5のMOSトランジスタQ5は、第2のMOSトランジスタQ2とともに後述する第1の還流電流を分流する。第1の還流電流を分流することで、第2のアンテナ端子ANT2のインピーダンスを低減することができる。
また、バイアス生成部111は、第1のMOSトランジスタQ1および第2のMOSトランジスタQ2のバイアスを生成する構成部であり、第1の抵抗R1と、第3のMOSトランジスタQ3とを備える。
第1の抵抗R1は、一端が整流出力ノードNOUTに接続されている。第3のMOSトランジスタQ3は、例えば、ゲートが第3のMOSトランジスタQ3のドレイン、第1のMOSトランジスタQ1のゲートおよび第2のMOSトランジスタQ2のゲートに接続され、ソースが接地電位GNDに接続され、ドレインが第1の抵抗R1の他端に接続されたnMOSトランジスタである。
バイアス生成部111は、第1〜第3のMOSトランジスタQ1〜Q3をオンすることができる。
電圧印加部112は、第7のMOSトランジスタQ7を流れる第2の電流i2に応じた電圧を第4のMOSトランジスタQ4のゲートに印加し、かつ、第6のMOSトランジスタQ6を流れる第1の電流i1に応じた電圧を第5のMOSトランジスタQ5のゲートに印加する構成部である。
電圧印加部112は、第8のMOSトランジスタQ8と、第9のMOSトランジスタQ9と、第2の抵抗R2と、第3の抵抗R3とを備える。
第8のMOSトランジスタQ8は、例えば、ゲートが第6のMOSトランジスタQ6のゲートに接続され、ソースが第6のMOSトランジスタQ6のソースに接続され、ドレインが第5のMOSトランジスタQ5のゲートおよび第2の抵抗R2の一端に接続されたpMOSトランジスタである。ここで、この第8のMOSトランジスタQ8は、第6のMOSトランジスタQ6とともにカレントミラー回路を構成する。すなわち、第8のMOSトランジスタQ8は、第6のMOSトランジスタQ6に流れる電流i1をミラーしている。第2の抵抗R2の他端は、接地電位GNDに接続されている。
第2の抵抗R2は、第5のMOSトランジスタQ5のゲートとソースとの間に接続されている。第2の抵抗R2には、第8のMOSトランジスタQ8が第6のMOSトランジスタQ6を流れる第1の電流i1をミラーすることによって生成した後述の第1のミラー電流i1mが流れる。
第8のMOSトランジスタQ8および第2の抵抗R2は、後述の第1のミラー電流i1mに基づく電圧を、第5のMOSトランジスタQ5のゲートに印加することができる。
第9のMOSトランジスタQ9は、例えば、ゲートが第7のMOSトランジスタQ7のゲートに接続され、ソースが第7のMOSトランジスタQ7のソースに接続され、ドレインが第4のMOSトランジスタQ4のゲートおよび第3の抵抗R3の一端に接続されたpMOSトランジスタである。ここで、この第9のMOSトランジスタQ9は、例えば、第7のMOSトランジスタQ7とともにカレントミラー回路を構成する。すなわち第9のMOSトランジスタQ9は、第7のMOSトランジスタQ7に流れる電流i2をミラーしている。第3の抵抗R3の他端は、接地電位GNDに接続されている。
第3の抵抗R3は、第4のMOSトランジスタQ4のゲートとソースとの間に接続されている。第3の抵抗R3には、第9のMOSトランジスタQ9が第7のMOSトランジスタQ7を流れる第2の電流i2をミラーすることによって生成した後述の第2のミラー電流i2mが流れる。
第9のMOSトランジスタQ9および第3の抵抗R3は後述の第2のミラー電流i2mに基づく電圧を、第4のMOSトランジスタQ4のゲートに印加することができる。
第3のキャパシタC3は、一端が第1の抵抗R1の一端と出力端子TOUTとの間に接続され、他端が接地電位GNDに接続されている。
この第3のキャパシタC3は、充放電を行うことで、例えば、整流波形の平滑化や、整流回路11の回路素子のオン動作の適正化を行うことができる。
なお、第2のMOSトランジスタQ2のサイズは、第1のMOSトランジスタQ1のサイズと同じであってもよい。また、第5のMOSトランジスタQ5のサイズは、第4のMOSトランジスタQ4のサイズと同じであってもよい。また、第7のMOSトランジスタQ7のサイズは、第6のMOSトランジスタQ6のサイズと同じであってもよい。また、第9のMOSトランジスタQ9のサイズは、第8のMOSトランジスタQ8のサイズと同じであってもよい。このように、シンメトリックなトランジスタの配置を採用することで、整流回路11の構成を簡素化することができる。
以下、図3〜図5を用いて、図2の整流回路11の動作例を説明する。図3は、図2の整流回路11の動作の一例を示す第1の模式図である。より詳しくは、図3は、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が低く、第6のMOSトランジスタQ6を流れる第1の電流i1の電流値が第1の閾値未満の場合の動作例を示す模式図である。ここで、第1の閾値とは、第5のMOSトランジスタQ5をオンするための第1の電流i1の電流値の閾値すなわち下限値である。
図4は、図2の整流回路11の動作の一例を示す第2の模式図である。より詳しくは、図4は、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が高く、第1の電流i1の電流値が第1の閾値以上の場合の動作例を示す模式図である。
図5は、図2の整流回路11のアンテナ端子の電圧波形図である。図5において、横軸は時間(s)を示し、縦軸は電圧値(V)を示す。より詳しくは、図5Aは、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が低い場合(図3に示される例の場合)における第2のアンテナ端子ANT2の電圧波形図である。図5Bは、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が高い場合(図4に示される例の場合)における第2のアンテナ端子ANT2の電圧波形図である。
先ず、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が低い図3の場合の動作例を説明する。なお、第1乃至第9のMOSトランジスタQ1〜Q9の初期状態はオフ状態であることとする。
図3に示すように、整流回路11には、第1のアンテナ端子ANT1から、第1のアンテナ接続ノードNANT1を介して第1の電流i1が入力される。この第1の電流i1の電流値は、第1の閾値未満である。
そして、整流回路11は、入力された第1の電流i1を、第6のMOSトランジスタQ6および整流出力ノードNOUTを経て出力端子TOUTに出力する。
このとき、第8のMOSトランジスタQ8は、第6のMOSトランジスタQ6を流れる第1の電流i1をミラーして、図3に示される第1のミラー電流i1mを生成する。第1のミラー電流i1mの電流値は、第1の電流i1の電流値と同じでもよいし、MOSトランジスタのサイズ比に応じて異なっていてもよい。第8のMOSトランジスタQ8は、生成された第1のミラー電流i1mを第2の抵抗R2に流す。
そして、第2の抵抗R2は、第1のミラー電流i1mが流れることで電圧を発生し、発生された電圧を第5のMOSトランジスタQ5のゲートに印加する。このとき、第5のMOSトランジスタQ5のゲートには、第1の電流i1が第1の閾値未満であることで閾値電圧Vth未満の電圧が印加される。閾値電圧Vth未満の電圧が印加されることで、第5のMOSトランジスタQ5は、オフしたままとなる。
バイアス生成部111の第1の抵抗R1は、整流出力ノードNOUTを経た第1の電流i1の一部が流れることで電圧を発生する。発生された電圧は、第1のMOSトランジスタQ1、第2のMOSトランジスタQ2および第3のMOSトランジスタQ3のゲートに印加される。このようにして、バイアス生成部111は、各MOSトランジスタQ1〜Q3を同時に駆動制御することができる。
第1のMOSトランジスタQ1および第2のMOSトランジスタQ2は、バイアス生成部111の第1の抵抗R1に基づいてゲートに閾値電圧以上の電圧が印加され、かつ、ソース電位が接地電位GNDとほぼ同じか低くなるとオンして、インピーダンスが低下する。
第3のMOSトランジスタQ3は、第1の抵抗R1に基づいてゲートに閾値電圧以上の電圧が印加されてオンすることで、第1のMOSトランジスタQ1のゲートおよび第2のMOSトランジスタQ2のゲートを接地電位GNDに接続する。
したがって、第1の電流i1が第1の閾値未満の場合には、第5のMOSトランジスタQ5がオフしたまま第2のMOSトランジスタQ2がオンする。
クランプ回路13には、出力端子TOUTから出力された電流すなわち整流電流が入力される。クランプ回路13は、入力された電流を、接地電位GNDおよび接地ノードNEを通して第1の還流電流i1r(図3参照)として整流回路11に還流する。
第1の還流電流i1rは、オン状態の第2のMOSトランジスタQ2を通って第2のアンテナ端子ANT2に流れる。一方、第5のMOSトランジスタQ5はオフ状態であるので、第1の還流電流i1rは、第5のMOSトランジスタQ5には流れない。
このとき、第1のアンテナ端子ANT1の電圧は、第3のMOSトランジスタQ3を五極管領域で動作させる程度まで上昇しているため、第2のアンテナ端子ANT2の下限電圧は、ほぼ接地電位GNDレベルになる(図5A参照)。
すなわち、第2のアンテナ端子ANT2の下限電圧は、第2のMOSトランジスタQ2と第2のアンテナ端子ANT2に接続されたn拡散部との間で寄生npnトランジスタが形成される電圧(図5における−0.6V以下)までは下がらない。
したがって、第1の電流i1が第1の閾値未満の場合には、第5のMOSトランジスタQ5がオフしていても、第2のMOSトランジスタQ2と第2のアンテナ端子ANT2側のn拡散部との間で寄生npnトランジスタが形成されることを抑制することができる。
一方、もし、第1の電流i1が第1の閾値未満の場合に第5のMOSトランジスタQ5がオンすると、第2のアンテナ端子ANT2のインピーダンスは、上述のように寄生npnトランジスタの形成が抑制されている状況下においても、無用に低くなる。この場合、第2のアンテナ端子ANT2のインピーダンスは常に低い状態となり得るため、R/Wは、整流回路11の負荷変調による送信信号を適切に検知できなくなってしまう。
これに対して、本実施形態によれば、第1の電流i1が第1の閾値未満の場合には、第5のMOSトランジスタQ5をオフ状態に維持することで、第2のアンテナ端子ANT2のインピーダンスが常に低くなることを抑制することができる。
なお、第1のアンテナ端子ANT1の電圧は、第3のMOSトランジスタQ3をオンできない程度に小さい場合がある。この場合には、第3のMOSトランジスタQ3は、第2のアンテナ端子ANT2の下限電圧を接地電位GNDレベルに制御することができないので、第2のMOSトランジスタQ2と第2のアンテナ端子ANT2側のn拡散部との間で寄生npnトランジスタが形成され得る。
しかし、この場合、寄生npnトランジスタが形成されたとしても、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が低いことで第2のMOSトランジスタQ2に流れる還流電流も小さいので、寄生npnトランジスタに流れる電流は、回路の動作特性に悪影響を与えない程度に小さい。
次に、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が高い図4の場合の動作例を説明する。なお、図3の場合と同様に、MOSトランジスタQ1〜Q9の初期状態はオフ状態であることとする。
図4の場合、整流回路11には、第1のアンテナ端子ANT1から第1の閾値以上の電流値の第1の電流i1が入力される。
第8のMOSトランジスタQ8および第2の抵抗R2は、第1の電流i1が第1の閾値以上であることに応じて、第5のMOSトランジスタQ5のゲートに閾値電圧Vth以上の電圧を印加する。閾値電圧Vth以上の電圧が印加されることで、第5のMOSトランジスタQ5はオンする。また、第2のMOSトランジスタQ2および第3のMOSトランジスタQ3は、図3の場合と同様に、第1の抵抗R1からゲートに印加される電圧に基づいてオンする。
したがって、第1の電流i1が第1の閾値以上の場合には、第2のMOSトランジスタQ2および第5のMOSトランジスタQ5の双方がオンする。
第5のMOSトランジスタQ5は、オンすることで、第1の還流電流i1rの一部i1rQ5を流す。第2のMOSトランジスタQ2は、第1の還流電流i1rの残部i1rQ2を流す。
ここで、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が高い場合には、第1の還流電流i1rは大きくなる。このとき、もし、第2のMOSトランジスタQ2のみに第1の還流電流i1rを流した場合、第2のアンテナ端子ANT2の電圧の低下が大きくなる。この結果、第2のMOSトランジスタQ2と第2のアンテナ端子ANT2側のn拡散部との間で寄生npnトランジスタが形成されてしまう。
これに対して、本実施形態では、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が高い場合には、第5のMOSトランジスタQ5に第1の還流電流を分流することができるので、第2のアンテナ端子ANT2の電圧の低下を抑えることができる。第2のアンテナ端子ANT2の電圧の低下を抑えることができるので、第2のアンテナ端子ANT2のインピーダンスを低減することができる。第2のアンテナ端子ANT2のインピーダンスを低減することができるので、第2のMOSトランジスタQ2と第2のアンテナ端子ANT2側のn拡散部との間で寄生npnトランジスタが形成されることを抑制することができる。
例えば、図5Bに示すように、第2のアンテナ端子ANT2の下限電圧は、第5のMOSトランジスタQ5がオンすることで、−0.6Vより大きい値になる。図5Bの波形図は、寄生npnが形成されていないことを示す。
ここまでは、第1のアンテナ端子ANT1から整流回路11に第1の電流i1が流れる場合の動作例について説明したが、第2のアンテナ端子ANT2から整流回路11に第2の電流i2が流れる場合の動作例も同様である。
具体的には、先ず、第2のアンテナ端子ANT2の電圧が低い場合、整流回路11には、第2のアンテナ端子ANT2から、第2のアンテナ接続ノードNANT2を介して第2の閾値未満の第2の電流i2が入力される。ここで、第2の閾値とは、第4のMOSトランジスタQ4をオンするための第2の電流i2の電流値の閾値すなわち下限値である。整流回路11は、入力された第2の電流i2を、第7のMOSトランジスタQ7および整流出力ノードNOUTを経て出力端子TOUTに出力する。
第9のMOSトランジスタQ9は、第7のMOSトランジスタQ7を流れる第2の電流i2をミラーして、図示しない第2のミラー電流を生成する。第2のミラー電流の電流値は、第2の電流i2の電流値と同じでもよいし、MOSトランジスタのサイズ比に応じて異なっていてもよい。第9のMOSトランジスタQ9は、生成された第2のミラー電流を第3の抵抗R3に流す。
そして、第3の抵抗R3は、第2のミラー電流が流れることで電圧を発生し、発生された電圧を第4のMOSトランジスタQ4のゲートに印加する。このとき、第4のMOSトランジスタQ4のゲートには、第2の電流i2が第2の閾値未満であることで閾値電圧Vth未満の電圧が印加される。閾値電圧Vth未満の電圧が印加されることで、第4のMOSトランジスタQ4は、オフしたままとなる。一方、第1のMOSトランジスタQ1および第3のMOSトランジスタQ3は、図3の場合と同様の要領でオンする。
したがって、第2の電流i2が第2の閾値未満の場合には、第4のMOSトランジスタQ4がオフしたまま第1のMOSトランジスタQ1がオンする。
クランプ回路13には、出力端子TOUTから出力された整流電流が入力される。クランプ回路13は、入力された電流を、接地電位GNDおよび接地ノードNEを通して、図示しない第2の還流電流として整流回路11に還流する。
第2の還流電流は、オン状態の第1のMOSトランジスタQ1を通って第1のアンテナ端子ANT1に流れる。一方、第4のMOSトランジスタQ4はオフ状態であるので、第2の還流電流は、第4のMOSトランジスタQ4には流れない。
このとき、第2のアンテナ端子ANT2の電圧は、第3のMOSトランジスタQ3を五極管領域で動作させる程度まで上昇しているため、第1のアンテナ端子ANT1の下限電圧は、ほぼ接地電位GNDレベルになる。
すなわち、第1のアンテナ端子ANT1の下限電圧は、第1のMOSトランジスタQ1と第1のアンテナ端子ANT1に接続されたn拡散部との間で寄生npnトランジスタが形成される電圧までは下がらない。
したがって、第2の電流i2が第2の閾値未満の場合には、第4のMOSトランジスタQ4がオフしていても、第1のMOSトランジスタQ1と第1のアンテナ端子ANT1側のn拡散部との間で寄生npnトランジスタが形成されることを抑制することができる。
また、本実施形態では、第2の電流i2が第2の閾値未満の場合には、第4のMOSトランジスタQ4をオフ状態に維持することで、第1のアンテナ端子ANT1のインピーダンスが常に低くなることを抑制することができる。
次に、第2のアンテナ端子ANT2の電圧が高い場合に、整流回路11には、第2のアンテナ端子ANT2から第2の閾値以上の電流値の第2の電流i2が入力される。
第9のMOSトランジスタQ9および第3の抵抗R3は、第2の電流i2が第2の閾値以上であることに応じて、第4のMOSトランジスタQ4のゲートに閾値電圧Vth以上の電圧を印加する。閾値電圧Vth以上の電圧が印加されることで、第4のMOSトランジスタQ4はオンする。また、第1のMOSトランジスタQ1は、第2のアンテナ端子ANT2の電圧が低い場合と同様の要領でオンする。
したがって、第2の電流i2が第2の閾値以上の場合には、第1のMOSトランジスタQ1および第4のMOSトランジスタQ4の双方がオンする。
第4のMOSトランジスタQ4は、オンすることで、第2の還流電流の一部を流す。第1のMOSトランジスタQ1は、第2の還流電流の残部を流す。
本実施形態では、第2のアンテナ端子ANT2の電圧が高い場合には、第4のMOSトランジスタQ4に第2の還流電流を分流することができるので、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が低くなることを抑えることができる。第1のアンテナ端子ANT1の電圧が低くなることを抑えることができるので、第1のアンテナ端子ANT1のインピーダンスを低減することができる。第1のアンテナ端子ANT1のインピーダンスを低減することができるので、第1のMOSトランジスタQ1と第1のアンテナ端子ANT1側のn拡散部との間で寄生npnトランジスタが形成されることを抑制することができる。
以上述べたように、本実施形態の整流回路11は、アンテナ端子ANT1、ANT2の電圧が高く、寄生npnの抑制が必要な場合に、第4のMOSトランジスタQ4および第5のMOSトランジスタQ5をオンしてインピーダンスを低減させることができる。インピーダンスを低減させることができる結果、寄生npnが抑制されるように整流素子とアンテナ端子ANT1、ANT2側のn拡散部とのアイソレーションを行うことを要しなくなる。
また、本実施形態の整流回路11は、インピーダンスを必要時に低くすることができるので、インピーダンスを常時低くする場合に比較して、R/Wに、負荷変調による送信信号を検知させやすくすることができる。すなわち、本実施形態の整流回路11は、チップサイズの増大を抑制しつつ所定の通信特性を有することが可能である。
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明にあたり、第1の実施形態に対応する構成については同一の符号を用いて重複した説明は省略する。
図6は、第2の実施形態による整流回路11の回路図である。図6に示すように、整流回路11は、第1の整流素子の一例である第1のダイオードD1と、第2の整流素子の一例である第2のダイオードD2と、第3の整流素子の一例である第11のMOSトランジスタQ111と、第4の整流素子の一例である第12のMOSトランジスタQ112と、抵抗回路の一例である第13のMOSトランジスタQ113とを備える。
図6に示すように、非接触式ICカード1は、フィードバック(FB)回路130を備える。
第1のダイオードD1は、アノードが基準電位の一例である接地電位GNDに接続され、カソードが第1のアンテナ端子ANT1に接続されたpn接合型ダイオードである。第2のダイオードD2は、アノードが接地電位GNDに接続され、カソードが第2のアンテナ端子ANT2に接続されたpn接合型ダイオードである。
第1のダイオードD1は、第2のアンテナ端子ANT2から出力端子TOUTに流れる電流に基づく還流電流を、接地ノードNEから第1のアンテナ端子ANT1に流すことができる。第2のダイオードD2は、第1のアンテナ端子ANT1から出力端子TOUTに流れる電流に基づく還流電流を、接地ノードNEから第2のアンテナ端子ANT2に流すことができる。
第11のMOSトランジスタQ111は、第1のアンテナ端子ANT1と出力端子TOUTとの間にダイオード接続され、順方向が第1のアンテナ端子ANT1から出力端子TOUTに向かう方向であるpMOSトランジスタである。第12のMOSトランジスタQ112は、第2のアンテナ端子ANT2と出力端子TOUTとの間にダイオード接続され、順方向が第2のアンテナ端子ANT2から出力端子TOUTに向かう方向であるpMOSトランジスタである。
第11のMOSトランジスタQ111は、第1のアンテナ端子ANT1から整流回路11に入力された電流を順方向に流すことができる。第12のMOSトランジスタQ112は、第2のアンテナ端子ANT2から整流回路11に入力された電流を順方向に流すことができる。
第13のMOSトランジスタQ113は、ゲートがフィードバック回路130に接続され、ソースが第2のアンテナ端子ANT2に接続され、ドレインが第1のアンテナ端子ANT1に接続されたnMOSトランジスタである。
第13のMOSトランジスタQ113は、後述するアンテナ端子間電流iANTを流すことができる。
フィードバック回路130は、出力端子TOUTの電圧に応じた電圧を第13のMOSトランジスタQ113のゲートに印加する回路である。具体的には、フィードバック回路130は、出力端子TOUTの電圧が高い場合に、第13のMOSトランジスタQ113のゲートに高電圧を印加し、出力端子TOUTの電圧が低い場合に、第13のMOSトランジスタQ113のゲートに低電圧を印加する。
例えば、フィードバック回路130は、出力端子TOUTの電圧が閾値以上の場合に、第13のMOSトランジスタQ113のゲートに閾値電圧Vth以上の電圧を印加してもよい。また、フィードバック回路130は、第13のMOSトランジスタQ113のゲートに、出力端子TOUTの電圧と接地電位GNDとの差分に基づくバンドギャップリファレンス電圧を印加してもよい。
フィードバック回路130は、第13のMOSトランジスタQ113をオンすることができる。
図7は、図6の整流回路11の動作の一例を示す模式図である。図8は、図6の整流回路11のアンテナ端子の電圧波形図である。なお、図8は、第2のアンテナ端子ANT2の電圧波形を示す。
本実施形態の整流回路11は、第1のアンテナ端子ANT1から第1のアンテナ接続ノードNANT1を介して入力された電流を、第11のMOSトランジスタQ111および整流出力ノードNOUTを経て、出力端子TOUTに出力する。フィードバック回路130には、出力端子TOUTに出力された当該電流が入力される。フィードバック回路130は、当該電流を、接地電位GNDおよび接地ノードNEを通して還流させる。第2のダイオードD2は、還流された当該電流を、第2のアンテナ端子ANT2側に流す。
また、フィードバック回路130は、出力端子TOUTから入力された電流に基づいて出力端子TOUTの電圧を算出する。そして、フィードバック回路130は、出力端子TOUTの電圧が閾値以上になると、第13のMOSトランジスタQ113のゲート電圧を上昇させて、閾値電圧Vth以上にする。
したがって、第13のMOSトランジスタQ113は、出力端子TOUTの電圧が低い場合には、オン抵抗が大きくなってオフされたままとなり、出力端子TOUTの電圧が高い場合には、オン抵抗が小さくなってオンする。
第13のMOSトランジスタQ113がオンすることで、第1のアンテナ端子ANT1と第2のアンテナ端子ANT2との間には、図7に示されるようにアンテナ端子間電流iANTが流れる。このアンテナ端子間電流iANTは、第2のアンテナ端子ANT2のインピーダンスを低くすることができる。
ここで、第2のアンテナ端子ANT2の電圧は、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が低い場合(図8A)および高い場合(図8B)のいずれの場合にも、第2のダイオードD2と第2のアンテナ端子ANT2側のn拡散部との間で寄生npnトランジスタが形成される電圧(−0.6V)に低下する。
しかし、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が低い場合には、該端子ANT1の入力電流は少ない。このため、第13のMOSトランジスタQ113がオフしていても、第2のダイオードD2に流れる電流は少なく、第2のダイオードD2の順方向電圧は低い。したがって、寄生npnトランジスタのベース・エミッタ間電圧も低く、寄生npnトランジスタに流れる電流は少ない。
一方、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が高い場合には、該端子ANT1の入力電流の一部を、第13のMOSトランジスタQ113がアンテナ端子間電流iANTとして分流するので、第2のダイオードD2に流れる電流は少ない。したがって、第1のアンテナ端子ANT1の電圧が低い場合と同様に、寄生npnトランジスタに流れる電流は少ない。
なお、フィードバック回路130の周波数特性をアンテナ端子ANT1、ANT2の電圧周期に追従しない程度に低い周波数特性に設定すると、第13のMOSトランジスタQ113のオン抵抗は、アンテナ端子ANT1、ANT2の電圧周期の間、ほぼ一定となる。
しかし、第13のMOSトランジスタQ113のオン抵抗がほぼ一定の場合であっても、アンテナ端子間電流iANTは、アンテナ端子ANT1、ANT2間の電位差が大きいときは大きく、同電位のときは流れない。したがって、アンテナ端子ANT1、ANT2のインピーダンスは、不要に低下しない。
本実施形態の整流回路11では、第13のMOSトランジスタQ113による第1及び第2のアンテナ端子ANT1、ANT2間の抵抗調整を行うことで、大電流が接地電位GNDを経由して第1及び第2のダイオードD1、D2のアノードに流れることを防止することができる。大電流が第1及び第2のダイオードD1、D2のアノードに流れることを防止できるので、第1及び第2のダイオードD1、D2と第1及び第2のアンテナ端子ANT1、ANT2側のn拡散部との間の寄生npnトランジスタに流れる電流を、実用上問題がない程度に抑制することができる。
また、本実施形態の整流回路11では、第1及び第2のアンテナ端子ANT1、ANT2のインピーダンスを必要以上に低下させないようにすることができる。すなわち、第1の実施形態と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態の整流回路11は、第1の実施形態の整流回路11よりも部品点数が少ない。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1 非接触式ICカード
11 整流回路
12 変調回路
13 クランプ回路
14 受信回路
15 ロジック部
L1 第1のアンテナコイル
C1 第1のキャパシタ
ANT1 第1のアンテナ端子
ANT2 第2のアンテナ端子
TOUT 出力端子

Claims (13)

  1. 一端が基準電位に接続され、他端が第1のアンテナ端子に接続された第1のトランジスタと、
    一端が前記基準電位に接続され、他端が第2のアンテナ端子に接続された第2のトランジスタと、
    前記第1のアンテナ端子と整流出力ノードとの間に接続され、順方向が前記第1のアンテナ端子から前記整流出力ノードに向かう方向である第1の整流素子と、
    前記第2のアンテナ端子と前記整流出力ノードとの間に接続され、順方向が前記第2のアンテナ端子から前記整流出力ノードに向かう方向である第2の整流素子と、
    前記基準電位と前記第1のアンテナ端子との間において前記第1のトランジスタに並列に接続された第1のスイッチ素子と、
    前記基準電位と前記第2のアンテナ端子との間において前記第2のトランジスタに並列に接続された第2のスイッチ素子と、を備え、
    前記第1のスイッチ素子は、前記第2の整流素子を流れる第2の電流に応じてオンし、
    前記第2のスイッチ素子は、前記第1の整流素子を流れる第1の電流に応じてオンする、整流回路。
  2. 前記第2の電流が第2の閾値未満の場合には、前記第1のスイッチ素子がオフしたまま前記第1のトランジスタがオンし、
    前記第2の電流が前記第2の閾値以上の場合には、前記第1のスイッチ素子および前記第1のトランジスタの双方がオンし、
    前記第1の電流が第1の閾値未満の場合には、前記第2のスイッチ素子がオフしたまま前記第2のトランジスタがオンし、
    前記第1の電流が前記第1の閾値以上の場合には、前記第2のスイッチ素子および前記第2のトランジスタの双方がオンする、請求項1に記載の整流回路。
  3. 前記第1のトランジスタのゲートは、前記第2のトランジスタのゲートに接続され、
    前記整流回路は、
    前記整流出力ノードに流れる電流から、前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタのゲートに供給する電圧を生成する電圧生成部を更に備える、請求項2に記載の整流回路。
  4. 前記電圧生成部は、
    一端が前記整流出力ノードに接続された第1の抵抗と、
    電流経路の一端が前記第1の抵抗の他端に接続され、前記電流経路の他端が前記基準電位に接続され、ゲートが前記電流経路の一端と前記第1のトランジスタ及び第2のトランジスタのゲートとに接続された第3のトランジスタと、を備える、請求項3に記載の整流回路。
  5. 前記第1のスイッチ素子は、電流経路の一端が前記基準電位に接続され、前記電流経路の他端が前記第1のアンテナ端子に接続された第4のトランジスタであり、
    前記第2のスイッチ素子は、電流経路の一端が前記基準電位に接続され、前記電流経路の他端が前記第2のアンテナ端子に接続された第5のトランジスタであり、
    前記整流回路は、
    前記第2の電流に応じた電圧を前記第4のトランジスタのゲートに印加し、かつ、前記第1の電流に応じた電圧を前記第5のトランジスタのゲートに印加する電圧印加部を更に備える、請求項2に記載の整流回路。
  6. 前記第1の整流素子は、ダイオード接続された第6のトランジスタであり、
    前記第2の整流素子は、ダイオード接続された第7のトランジスタであり、
    前記電圧印加部は、
    第8のトランジスタ、第9のトランジスタ、第2の抵抗及び第3の抵抗を備え、
    前記第8のトランジスタは、前記第6のトランジスタとカレントミラー回路を構成し、
    前記第9のトランジスタは、前記第7のトランジスタとカレントミラー回路を構成し、
    前記第2の抵抗は、一端が前記第8のトランジスタの電流経路及び前記第5のトランジスタのゲートに接続され、他端が前記基準電位に接続され、
    前記第3の抵抗は、一端が前記第9のトランジスタの電流経路及び前記第4のトランジスタのゲートに接続され、他端が前記基準電位に接続されたことを特徴とする、請求項5に記載の整流回路。
  7. 前記基準電位は、接地電位であり、
    前記第1のトランジスタは、ドレインが前記接地電位に接続され、ソースが前記第1のアンテナ端子に接続されたnMOSトランジスタであり、
    前記第2のトランジスタは、ドレインが前記接地電位に接続され、ソースが前記第2のアンテナ端子に接続されたnMOSトランジスタである、請求項2に記載の整流回路。
  8. 電流経路の一端が基準電位に接続され、前記電流経路の他端が第1のアンテナ端子に接続された第1のトランジスタと、
    電流経路の一端が前記基準電位に接続され、前記電流経路の他端が第2のアンテナ端子に接続された第2のトランジスタと、
    ソースが前記基準電位に接続され、ドレインが前記第1のアンテナ端子に接続された第4のトランジスタと、
    ソースが前記基準電位に接続され、ドレインが前記第2のアンテナ端子に接続された第5のトランジスタと、
    前記第1のアンテナ端子と出力端子との間にダイオード接続され、順方向が前記第1のアンテナ端子から前記出力端子に向かう方向である第6のトランジスタと、
    前記第2のアンテナ端子と前記出力端子との間にダイオード接続され、順方向が前記第2のアンテナ端子から前記出力端子に向かう方向である第7のトランジスタと、
    前記第5のトランジスタのゲートとソースとの間に接続され、前記第6のトランジスタを流れる第1の電流をミラーした電流が流れる第2の抵抗と、
    前記第4のトランジスタのゲートとソースとの間に接続され、前記第7のトランジスタを流れる第2の電流をミラーした電流が流れる第3の抵抗と、を備える整流回路。
  9. 基準電位と第1のアンテナ端子との間に接続され、順方向が前記基準電位から前記第1のアンテナ端子に向かう方向である第1の整流素子と、
    前記基準電位と第2のアンテナ端子との間に接続され、順方向が前記基準電位から前記第2のアンテナ端子に向かう方向である第2の整流素子と、
    前記第1のアンテナ端子と出力端子との間に接続され、順方向が前記第1のアンテナ端子から前記出力端子に向かう方向である第3の整流素子と、
    前記第2のアンテナ端子と前記出力端子との間に接続され、順方向が前記第2のアンテナ端子から前記出力端子に向かう方向である第4の整流素子と、
    前記第1のアンテナ端子と前記第2のアンテナ端子との間に接続された抵抗回路と、を備える、整流回路。
  10. 前記抵抗回路は、
    前記出力端子の電圧が高い場合に抵抗が小さくなり、前記出力端子の電圧が低い場合に抵抗が大きくなる、請求項9に記載の整流回路。
  11. 前記抵抗回路は、
    前記出力端子の電圧が高い場合にオン抵抗が小さくなり、前記出力端子の電圧が低い場合にオン抵抗が大きくなるトランジスタである、請求項9に記載の整流回路。
  12. 前記第1の整流素子は、アノードが前記基準電位に接続され、カソードが前記第1のアンテナ端子に接続された第1のダイオードであり、
    前記第2の整流素子は、アノードが前記基準電位に接続され、カソードが前記第2のアンテナ端子に接続された第2のダイオードである、請求項9に記載の整流回路。
  13. 整流回路を備えた非接触式ICカードであって、
    前記整流回路は、
    一端が基準電位に接続され、他端が第1のアンテナ端子に接続された第1のトランジスタと、
    一端が前記基準電位に接続され、他端が第2のアンテナ端子に接続された第2のトランジスタと、
    前記第1のアンテナ端子と出力端子との間に接続され、順方向が前記第1のアンテナ端子から前記出力端子に向かう方向である第1の整流素子と、
    前記第2のアンテナ端子と前記出力端子との間に接続され、順方向が前記第2のアンテナ端子から前記出力端子に向かう方向である第2の整流素子と、
    前記基準電位と前記第1のアンテナ端子との間において前記第1のトランジスタに並列に接続された第1のスイッチ素子と、
    前記基準電位と前記第2のアンテナ端子との間において前記第2のトランジスタに並列に接続された第2のスイッチ素子と、を備え、
    前記第1のスイッチ素子は、前記第2の整流素子を流れる第2の電流に応じてオンし、
    前記第2のスイッチ素子は、前記第1の整流素子を流れる第1の電流に応じてオンする、非接触式ICカード。
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JP5995022B1 (ja) * 2015-09-10 2016-09-21 パナソニックIpマネジメント株式会社 無線電力伝送システムおよび送電装置

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