JP3371463B2 - Detection circuit - Google Patents

Detection circuit

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JP3371463B2
JP3371463B2 JP10476793A JP10476793A JP3371463B2 JP 3371463 B2 JP3371463 B2 JP 3371463B2 JP 10476793 A JP10476793 A JP 10476793A JP 10476793 A JP10476793 A JP 10476793A JP 3371463 B2 JP3371463 B2 JP 3371463B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、たとえばマイクロ波に
よりデータの読み取り/書き込みを行う非接触型ICカ
ードなどに適用される検波回路に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a detection circuit applied to, for example, a non-contact type IC card for reading / writing data by microwave.

【0002】[0002]

【従来の技術】ICカードは、マイクロプロセッサ、す
なわちマイクロコンピュータの中の中央制御部と演算部
を、1枚のシリコン基板中に組み込んだLSIやICメ
モリを内蔵し、情報処理機能などを有しており、多目
的、多機能利用が可能で、また、盗用や偽造が困難など
の特徴を有することから、その普及が期待されている。
2. Description of the Related Art An IC card has a microprocessor, that is, a central control unit and an arithmetic unit in a microcomputer, and a built-in LSI and IC memory in which a single silicon substrate is incorporated, and has an information processing function. Therefore, it is expected to be widely used because it has the characteristics of being versatile and multifunctional, and being difficult to steal or forge.

【0003】ICカードには、外部装置との接続を、カ
ードに設けた導電性の端子を介して行われる接触型のも
のと、接点部を非接触にし、データのやり取りを電波や
光などを用いて行う非接触型のものがある。接触型のI
Cカードは、接点の磨耗や汚れなどにより接触不良など
を起こし、データの授受ができなくなるなどの不都合が
あるなどに対して、非接触型のICカードはこのような
不都合がなく、比較的近距離においては良好なデータの
送受信ができるなどの利点ある。
An IC card is a contact type which is connected to an external device through a conductive terminal provided on the card, and a contact portion is made non-contact to exchange data by radio waves or light. There is a non-contact type that is used. Contact type I
The C card has the inconvenience such as contact failure due to wear and dirt on the contacts, which makes it impossible to exchange data, whereas the non-contact type IC card has no such inconvenience and is relatively close. There is an advantage that good data can be transmitted and received in the distance.

【0004】非接触型ICカードは、一般に電池が内蔵
され、その電圧に基づいてカード内部の発振回路、制御
回路、記憶部などが作動されて、たとえば制御回路は発
振回路からの基準信号に基づいて記憶部に記憶されてい
る照合情報などを出力するように構成される。
A non-contact type IC card generally has a built-in battery, and an oscillating circuit, a control circuit, a storage section and the like inside the card are operated based on the voltage of the battery. For example, the control circuit is based on a reference signal from the oscillating circuit. The collation information stored in the storage unit is output.

【0005】ところで、電波を用いた非接触型ICカー
ドにおいては、マイクロ波でデータの読み取り/書き込
み動作が行われることから、高感度、かつ、低消費電力
で検波する回路が必要となる。
By the way, in a non-contact type IC card using radio waves, since data reading / writing operations are performed by microwaves, a circuit for detecting with high sensitivity and low power consumption is required.

【0006】検波回路としては、従来より種々の回路が
提案されている。これらの回路の中で、消費電力が10
μW以下のものとして、原理的に電力消費のないダイオ
ード検波回路が知られている。
Various circuits have been conventionally proposed as a detection circuit. Among these circuits, the power consumption is 10
A diode detection circuit that consumes no power in principle is known as one having a power consumption of μW or less.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たダイオード検波回路では、トランジスタのしきい値電
圧VTH、たとえば0.7V以上の入力振幅が必要である
ことから、高感度な検波を実現することが困難である。
However, since the above-mentioned diode detection circuit requires an input amplitude of the threshold voltage V TH of the transistor, for example, 0.7 V or more, it is necessary to realize highly sensitive detection. Is difficult.

【0008】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、高感度、かつ、低消費電力で検
波することができる検波回路を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a detection circuit capable of detecting with high sensitivity and low power consumption.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の検波回路は、ドレインおよびゲート同士が
接続された第1および第2のMOSトランジスタと、
動アンプと、電流源とを有し、第1および第2のMOS
トランジスタのドレインおよびゲート同士の接続中点が
上記電流源に接続され、上記第1のMOSトランジスタ
のゲートが信号入力ラインに接続され、上記第1および
第2のMOSトランジスタのソースが電源電圧の供給ラ
インに接続され、上記差動アンプの一方の入力が上記第
1のMOSトランジスタのドレインおよびゲート同士の
接続中点と上記電流源との接続中点に接続され、他方の
入力が上記第2のMOSトランジスタのドレインおよび
ゲート同士の接続中点と上記電流源との接続中点に接続
され、かつ、上記第2のMOSトランジスタの電流能力
が上記第1のMOSトランジスタの電流能力より大きく
設定された。
In order to achieve the above object, the detection circuit of the present invention is different from the first and second MOS transistors whose drain and gate are connected to each other.
A first and second MOS having a dynamic amplifier and a current source
The middle point of connection between the drain and gate of the transistor is connected to the current source, the gate of the first MOS transistor is connected to the signal input line, and the first and
The source of the second MOS transistor is the power supply voltage supply source.
Connected to the input, one input of the differential amplifier is
Between the drain and gate of one MOS transistor
Connected to the connection midpoint and the connection midpoint between the current source and the other
The input is the drain of the second MOS transistor and
Connected to the midpoint between the gates and the midpoint between the current sources
And the current capability of the second MOS transistor is set to be larger than that of the first MOS transistor.

【0010】[0010]

【0011】本発明では、上記第1のMOSトランジス
タのドレインおよびゲート同士の接続中点と上記電流源
との間に、入力から見た対グランド容量を軽減させるた
めの第1の抵抗素子が接続され、上記第2のMOSトラ
ンジスタのドレインおよびゲート同士の接続中点と上記
電流源との間に、入力から見た対グランド容量を軽減さ
せるための第2の抵抗素子が接続された。
In the present invention, a first resistance element for reducing the capacitance to ground seen from the input is connected between the current source and the connection midpoint between the drain and gate of the first MOS transistor. A second resistance element for reducing the capacitance to ground seen from the input is connected between the connection point between the drain and gate of the second MOS transistor and the current source.

【0012】本発明では、上記第1のMOSトランジス
タのドレインおよびゲート同士の接続中点と上記電流源
との接続中点に対して、ドレイン電流の平均化を助ける
ための第1のキャパシタが接続され、上記第2のMOS
トランジスタのドレインおよびゲート同士の接続中点と
上記電流源との接続中点に対して、ドレイン電流の平均
化を助けるための第2のキャパシタが接続された。
According to the present invention, the first capacitor for helping to average the drain current is connected to the connection midpoint between the drain and gate of the first MOS transistor and the connection midpoint between the current source. And the second MOS
A second capacitor for assisting in averaging the drain current was connected to the connection midpoint between the drain and gate of the transistor and the connection midpoint between the current sources.

【0013】[0013]

【0014】[0014]

【作用】本発明によれば、たとえばRF信号入力のない
無信号時には、第1および第2のMOSトランジスタに
対して、電流源により同一のバイアス電流が供給される
が、第2のMOSトランジスタの電流能力が第1のMO
Sトランジスタの電流能力より大きく設定されているこ
とから、その電流能力差により、電流源と第1のMOS
トランジスタのゲートおよびドレインとの接続中点の電
圧V1 と、電流源と第2のMOSトランジスタのゲート
およびドレインとの接続中点の電圧V2 との関係は、V
1 >V2 となっている。このような状態にある検波回路
にRF信号が入力されると、出力電流はMOSの非線形
特性により大きく歪むが、その平均値が上述したバイア
ス電流と一致するように、電流源と第1のMOSトラン
ジスタのゲートおよびドレインとの接続中点の電圧V1
のDC電圧が降下する。すなわち、動作点が降下する。
そして、V1 <V2 となるRF入力振幅が与えられたと
き、出力段に配置される差動アンプの出力レベルは反転
し、電流変化が電圧変化として取り出される。
According to the present invention, the same bias current is supplied from the current source to the first and second MOS transistors when no signal is input without an RF signal input. Current capability is the first MO
Since it is set to be larger than the current capability of the S transistor, the current source and the first MOS are
The relationship between the voltage V 1 at the connection midpoint between the gate and drain of the transistor and the voltage V 2 at the connection midpoint between the current source and the gate and drain of the second MOS transistor is V
And it has a 1> V 2. When an RF signal is input to the detection circuit in such a state, the output current is greatly distorted due to the non-linear characteristic of the MOS, but the current source and the first MOS are arranged so that the average value thereof matches the above-mentioned bias current. Voltage V 1 at the midpoint of connection with the gate and drain of the transistor
DC voltage drops. That is, the operating point drops.
Then, when an RF input amplitude that satisfies V 1 <V 2 is applied, the output level of the differential amplifier arranged in the output stage is inverted, and the current change is extracted as a voltage change.

【0015】また、一個のMOSトランジスタを用いた
本発明の検波回路によれば、RF信号入力のない無信号
時には、電流源とMOSトランジスタのドレインとの接
続中点の電圧Vd は、電流源により供給される電流とM
OSトランジスタに流れる電流Id との電流差により、
ほぼ電源電圧VDDにはりついている。このような状態に
ある検波回路に、たとえばRF信号が入力されると、M
OSトランジスタのゲート電圧Vg は所定の値となる。
また、このゲート電圧Vg の平均電位は、バイアス電圧
のままであるが、MOSトランジスタの電流Id を平均
すると、MOSの非線形特性により無信号時のId より
増加する。MOSトランジスタの電流Id の平均電流
が、電流源の電流能力よりも多くなると、その差電流に
より電流源とMOSトランジスタのドレインとの接続中
点の電圧Vd は降下し、ほぼVSSと同レベルとなる。こ
の接続中点の電圧Vd の変化が、出力段に配置されるイ
ンバータをとおして取り出される。
Further, according to the detection circuit of the present invention using one MOS transistor, the voltage Vd at the midpoint of connection between the current source and the drain of the MOS transistor is determined by the current source when there is no RF signal input and no signal is input. Current supplied and M
Due to the current difference from the current Id flowing through the OS transistor,
It is almost stuck to the power supply voltage V DD . If, for example, an RF signal is input to the detection circuit in such a state, M
The gate voltage Vg of the OS transistor has a predetermined value.
Further, the average potential of the gate voltage Vg remains the bias voltage, but when the current Id of the MOS transistor is averaged, it increases from Id when there is no signal due to the non-linear characteristic of the MOS. When the average current of the current Id of the MOS transistor becomes larger than the current capability of the current source, the difference current causes the voltage Vd at the midpoint of connection between the current source and the drain of the MOS transistor to drop to almost the same level as V SS. Become. The change in the voltage Vd at the midpoint of connection is taken out through an inverter arranged in the output stage.

【0016】図1は、本発明に係る検波回路の実施例
(実施例1)の基本構成を示す回路図である。図1にお
いて、Q1 ,Q2 はnチャネルMOS(以下、nMOS
という)トランジスタ、Ie1,Ie2は同一特性を有する
定電流源、AMPは差動アンプ、Cinはキャパシタ、V
SSは電源電圧をそれぞれ示している。
FIG. 1 shows an embodiment of a detection circuit according to the present invention.
It is a circuit diagram which shows the basic composition of (Example 1) . In FIG. 1, Q 1 and Q 2 are n-channel MOSs (hereinafter referred to as nMOSs).
Transistor), I e1 and I e2 are constant current sources having the same characteristics, AMP is a differential amplifier, Cin is a capacitor, V
SS indicates the power supply voltage.

【0017】nMOSトランジスタQ1 のソースは電源
電圧VSS の供給ラインに接続され、ゲートはキャパシタ
Cinを介して入力端DIに接続されているとともに、ド
レインと接続されている。nMOSトランジスタQ1
ゲートとドレインとの接続中点は定電流源Ie1および差
動アンプAMPの一方の入力端に接続されている。nM
OSトランジスタQ2 のソースは電源電圧VSS の供給ラ
インに接続され、ゲートはドレインと接続され、ゲート
とドレインとの接続中点は定電流源Ie2および差動アン
プAMPの他方の入力端に接続されている。差動アンプ
AMPの出力は出力端DOに接続されている。
The source of the nMOS transistor Q 1 is connected to the supply line of the power supply voltage V SS , and the gate is connected to the input terminal DI via the capacitor Cin and also to the drain. The midpoint of the connection between the gate and drain of the nMOS transistor Q 1 is connected to the constant current source I e1 and one input end of the differential amplifier AMP. nM
The source of the OS transistor Q 2 is the supply line of the power supply voltage V SS .
The gate is connected to the drain, and the midpoint of the connection between the gate and the drain is connected to the constant current source I e2 and the other input end of the differential amplifier AMP. The output of the differential amplifier AMP is connected to the output terminal DO.

【0018】このような構成において、nMOSトラン
ジスタQ2 の電流能力はnMOSトランジスタQ1 の電
流能力より大きく設定されている。具体的には、nMO
SトランジスタQ2 のチャネル幅が、nMOSトランジ
スタQ1 のチャネル幅の2倍に設定されている。
In such a structure, the current capacity of the nMOS transistor Q 2 is set to be larger than that of the nMOS transistor Q 1 . Specifically, nMO
The channel width of the S transistor Q 2 is set to be twice the channel width of the nMOS transistor Q 1 .

【0019】次に、図1の構成における動作点の解析
を、図2に基づいて行う。まず、RF信号入力のない無
信号時には、nMOSトランジスタQ1 およびQ 2 に対
して、定電流源Ie1,Ie2により同一のバイアス電流I
1 ,I2 が供給され流れているが、上述したようにnM
OSトランジスタQ1 ,Q2 の電流能力差により、定電
流源Ie1とnMOSトランジスタQ1 のゲートおよびド
レインとの接続中点Aの電圧V1 と、定電流源Ie2とM
OSトランジスタQ2 のゲートおよびドレインとの接続
中点Bの電圧V2 との関係は、図2(a)に示すよう
に、V1 >V2 となっている。すなわち、差動アンプA
MPの一方の入力と他方の入力との入力レベルはV1
2 なる関係を満足している。
Next, analysis of the operating point in the configuration of FIG.
Is performed based on FIG. First, there is no RF signal input
NMOS transistor Q1And Q 2Against
Then, the constant current source Ie1, Ie2The same bias current I
1, I2Is being supplied, but as described above, nM
OS transistor Q1, Q2Depending on the current capacity difference of
Source Ie1And nMOS transistor Q1Gates and doors
The voltage V at the connection midpoint A with the rain1And constant current source Ie2And M
OS transistor Q2Gate and drain connection
Voltage V at midpoint B2As shown in Fig. 2 (a),
In addition, V1> V2. That is, the differential amplifier A
The input level of one input of MP and the other input is V1>
V2Are satisfied with the relationship.

【0020】このような状態にある検波回路に入力端D
Iを介してRF信号が入力されると、出力電流はMOS
の非線形特性により大きく歪むが、図2(b)に示すよ
うに、その平均値が上述したバイアス電流と一致するよ
うに、接続中点Aの電圧V1のDC電圧が降下する。す
なわち、動作点が降下する。そして、V1 <V2 となる
RF入力振幅が与えられたとき、差動アンプAMPの出
力レベルは反転する。
In the detection circuit in such a state, the input terminal D
When the RF signal is input via I, the output current is MOS
However, as shown in FIG. 2B, the DC voltage of the voltage V 1 at the connection midpoint A drops so that its average value matches the bias current described above. That is, the operating point drops. Then, when the RF input amplitude that satisfies V 1 <V 2 is applied, the output level of the differential amplifier AMP is inverted.

【0021】図3は、図1の検波回路の具体的な回路構
成例を示す図であって、図1と同一素子については同一
符号をもって表している。すなわち、Q1 ,Q2 はnM
OSトランジスタ、P1 ,P2 ,P3 は定電流源を構成
するpMOSトランジスタ、AMPは差動アンプ、Ci
n,C1 ,C2 はキャパシタ、R1 ,R2 ,R3 は抵抗
素子、VDD,VSSは電源電圧をそれぞれ示している。
FIG. 3 is a diagram showing a concrete circuit configuration example of the detection circuit of FIG. 1, and the same elements as those in FIG. 1 are represented by the same reference numerals. That is, Q 1 and Q 2 are nM
OS transistors, P 1 , P 2 , P 3 are pMOS transistors forming a constant current source, AMP is a differential amplifier, Ci
n, C 1 and C 2 are capacitors, R 1 , R 2 and R 3 are resistance elements, and V DD and V SS are power supply voltages.

【0022】図3において、pMOSトランジスタP1
〜P3 のソースはたとえば電源電圧VDD の供給ライン
接続され、各ゲート同士は接続され、pMOSトランジ
スタP3 のゲートが差動アンプAMPに接続されてい
る。pMOSトランジスタP1 のドレインは差動アンプ
AMPの一方の入力との接続中点Aに接続され、この接
続中点AとnMOSトランジスタQ1 のゲートおよびド
レイン同士の接続中点との間に抵抗素子R1 が接続され
ている。また、接続中点Aと差動アンプAMPの一方の
入力との接続ラインと接地間にはキャパシタC1 が接続
されている。
In FIG. 3, pMOS transistor P 1
The sources of P 3 to P 3 are connected to, for example, the supply line of the power supply voltage V DD , the respective gates are connected to each other, and the gate of the pMOS transistor P 3 is connected to the differential amplifier AMP. The drain of the pMOS transistor P 1 is connected to a connection midpoint A with one input of the differential amplifier AMP, and a resistance element is provided between the connection midpoint A and the midpoint of connection between the gate and drain of the nMOS transistor Q 1. R 1 is connected. Further, a capacitor C 1 is connected between the connection line between the connection midpoint A and one input of the differential amplifier AMP and the ground.

【0023】pMOSトランジスタP2 のドレインは差
動アンプAMPの他方の入力との接続中点Bに接続さ
れ、この接続中点BとnMOSトランジスタQ2 のゲー
トおよびドレイン同士の接続中点との間に抵抗素子R2
が接続されている。また、接続中点Bと差動アンプAM
Pの他方の入力との接続ラインと接地間にはキャパシタ
2 が接続されている。pMOSトランジスタP3 のド
レインはゲートに接続されているとともに、抵抗素子R
3 を介して接地されている。
The drain of the pMOS transistor P 2 is connected to the middle point B of connection with the other input of the differential amplifier AMP, and between the middle point B of connection and the middle point of connection between the gate and drain of the nMOS transistor Q 2. Resistance element R 2
Are connected. Also, the connection midpoint B and the differential amplifier AM
A capacitor C 2 is connected between the connection line of the other input of P and the ground. The drain of the pMOS transistor P 3 is connected to the gate and the resistance element R
Grounded through 3 .

【0024】抵抗素子R1 ,R2 は、入力から見た対グ
ランド容量を軽減させるために、キャパシタC1 ,C2
は、nMOSトランジスタQ1 ,Q2 のドレイン電流の
平均化を助けるために設けられている。
The resistance elements R 1 and R 2 are capacitors C 1 and C 2 in order to reduce the capacitance to ground seen from the input.
Are provided to help average the drain currents of the nMOS transistors Q 1 and Q 2 .

【0025】次に、図3を用いて本実施例に係る検波回
路における入力感度について考察する。
Next, the input sensitivity of the detection circuit according to this embodiment will be considered with reference to FIG.

【0026】以下に最低入力振幅を求める。The minimum input amplitude will be calculated below.

【数1】 ここで、V0 は無信号時のバイアス電圧、{Vm cos
(ωt)}はRF入力信号、dVはRF信号入力時のD
Cバイアス降下分をそれぞれ示している。
[Equation 1] Where V0 is the bias voltage when there is no signal, {Vm cos
(Ωt)} is the RF input signal, dV is D when the RF signal is input
The C bias drops are shown respectively.

【0027】上記(1)式において、(V0 +dV)<
2 となったとき、差動アンプAMPはその出力レベル
が反転する。差動アンプAMPのオフセットを考慮する
と、RF信号入力時のDCバイアス降下分dVとして最
低60mV程度は必要である。したがって、DCバイア
ス降下を60mV発生させる入力振幅が、最低RFレベ
ルとなる。
In the above equation (1), (V0 + dV) <
When reaching V 2 , the output level of the differential amplifier AMP is inverted. Considering the offset of the differential amplifier AMP, the DC bias drop dV at the time of inputting the RF signal needs to be at least about 60 mV. Therefore, the input amplitude that causes the DC bias drop of 60 mV becomes the minimum RF level.

【0028】ところで、入力段のnMOSトランジスタ
1 は、そのしきい値電圧VTH付近でセルフバイアスさ
れているため、次式に示すように、いわゆるexponentia
l 特性で動作する。
By the way, since the nMOS transistor Q 1 in the input stage is self-biased near its threshold voltage V TH , the so-called exponentia is given by the following equation.
l Operates with characteristics.

【数2】 ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電荷
をそれぞれ示している。
[Equation 2] Here, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, and q is the charge.

【0029】この(2)式に上記(1)式を代入する
と、無信号時およびRF入力時の電流I1 は以下のよう
になる。
By substituting the equation (1) into the equation (2), the current I 1 at the time of no signal and at the time of RF input is as follows.

【数3】 [Equation 3]

【数4】 [Equation 4]

【0030】そして、図3の検波回路においては、
(4)式の平均値が(3)式と一致するようなdVが発
生する。したがって、dVが60mVとなるVmを求め
ればよい。
Then, in the detection circuit of FIG.
DV is generated such that the average value of the equation (4) matches the equation (3). Therefore, Vm at which dV becomes 60 mV may be obtained.

【0031】上記(3)式および(4)式から次の関係
式が成立する。
From the expressions (3) and (4), the following relational expression is established.

【数5】 この(5)式右辺の積分を含む項をf(Vm/E)と置
換すると、次の関係式を得る。
[Equation 5] By substituting f (Vm / E) for the term including the integral on the right side of the equation (5), the following relational expression is obtained.

【数6】 [Equation 6]

【0032】ここで、置換したf(Vm/E)を展開す
ると以下のようになる。
When the replaced f (Vm / E) is expanded, it becomes as follows.

【数7】 [Equation 7]

【0033】したがって、上記(6)式は次式のように
書き直せる。
Therefore, the above equation (6) can be rewritten as the following equation.

【数8】 [Equation 8]

【0034】図4は、この(8)式に適当なVmを代入
しDCバイアス降下分dVを計算した結果を示す図であ
る。図4からわかるように、60mV以上のDCバイア
ス降下を得るためには、150mV以上の入力振幅があ
ればよい。このことは、入力感度が、VTH(たとえば
0.7V)以上の入力振幅が必要なダイオード検波と比
較して、以下に示すように10dB以上の改善がなされ
たことを意味する。 20log(0.7/0.15)=13.4dB
FIG. 4 is a diagram showing a result of calculating a DC bias drop dV by substituting an appropriate Vm into the equation (8). As can be seen from FIG. 4, in order to obtain a DC bias drop of 60 mV or higher, an input amplitude of 150 mV or higher is sufficient. This means that the input sensitivity is improved by 10 dB or more as shown below as compared with diode detection which requires an input amplitude of V TH (for example, 0.7 V) or more. 20 log (0.7 / 0.15) = 13.4 dB

【0035】また、検波段、リファレンス段、バイアス
発生段、並びに差動アンプでそれぞれ0.1μAの電流
が流れ、合計で0.4μA消費する。したがって、消費
電力Pd について見ると、電源電圧3Vとして1.2μ
Wの消費電力となり、ダイオード検波に劣ることのない
超低消費電力化を実現できる。
A current of 0.1 μA flows in each of the detection stage, the reference stage, the bias generation stage, and the differential amplifier, and a total of 0.4 μA is consumed. Therefore, looking at the power consumption Pd, the power supply voltage of 3V is 1.2μ.
The power consumption becomes W, and ultra-low power consumption comparable to diode detection can be realized.

【0036】以上説明したように、本実施例によれば、
MOSトランジスタをしきい値電圧VTH付近でバイアス
させるとexponential 特性で動作するというMOSトラ
ンジスタの非直線性を利用し、かつバイアス電流を低く
抑えたので、高感度、かつ、低消費電力でマイクロ波を
検波できる高周波検波回路を実現できる。したがって、
マイクロ波でデータの読み出し/書き込みを行うICカ
ードを実現できるなどの利点がある。また、検波段は、
RF入力によってバイアス電圧がわずかに動く(100
mV程度)だけであるため、検波応答速度が速い。
As described above, according to this embodiment,
Since the non-linearity of the MOS transistor, which operates with exponential characteristics when the MOS transistor is biased near the threshold voltage V TH , is used, and the bias current is suppressed to a low level, microwaves with high sensitivity and low power consumption are provided. It is possible to realize a high-frequency detection circuit that can detect Therefore,
There is an advantage that an IC card that reads / writes data by microwave can be realized. The detection stage is
The bias voltage is slightly moved by the RF input (100
(about mV), the detection response speed is fast.

【0037】図5は、本発明に係る検波回路の参考例の
基本構成を示す回路図である。
FIG. 5 is a circuit diagram showing the basic structure of a reference example of the detection circuit according to the present invention.

【0038】本参考例が上記実施例1と異なる点は、実
施例1では微小な入力電圧が大きな電流変化として変換
されるのを、差動アンプを用いてさらに電圧変化に変換
するように構成したのに対し、本参考例では、直接、電
流変化を検出するように構成したことにある。図5にお
いて、Q3 はnMOSトランジスタ、Ie1は定電流源
inはキャパシタ、VB は定電圧源、RB は抵抗素子、
INVはインバータ、VSSは電源電圧をそれぞれ示して
いる。
The present embodiment is different from the first embodiment, a configuration that the small input voltage in the first embodiment is converted as a large current change, as further converted into a voltage change by using a differential amplifier On the other hand, in this reference example, the current change is directly detected. In FIG. 5, Q 3 is an nMOS transistor, I e1 is a constant current source ,
C in is a capacitor, V B is a constant voltage source, R B is a resistance element,
INV indicates an inverter, and V SS indicates a power supply voltage.

【0039】nMOSトランジスタQ3 のソースは電源
電圧VSS の供給ラインに接続され、ゲートはキャパシタ
Cinを介して入力端DIに接続され、ドレインは定電流
源Ie1およびインバータINVの入力端に接続されてい
る。また、nMOSトランジスタQ3 のソースと電源電
圧VSS の供給ラインとの接続ラインとゲートとの間に定
電圧源VB と抵抗素子RB が直列に接続されている。イ
ンバータINVの出力は出力端DOに接続されている。
The source of the nMOS transistor Q 3 is connected to the supply line of the power supply voltage V SS , the gate is connected to the input terminal DI via the capacitor Cin, and the drain is connected to the constant current source I e1 and the input terminal of the inverter INV. Has been done. Further, a constant voltage source V B and a resistance element R B are connected in series between the gate and the connection line between the source of the nMOS transistor Q 3 and the supply line of the power supply voltage V SS . The output of the inverter INV is connected to the output terminal DO.

【0040】次に、図5の構成における動作点の解析
を、図6に基づいて行う。なお、図5の構成において、
定電流源Ie1は供給電流I1 が80nA、nMOSトラ
ンジスタQ3 は無信号時に流れる電流Id が50nAの
定電流素子で、その静特性は図6(a)に示すとおりで
あるとする。
Next, analysis of the operating point in the configuration of FIG. 5 will be performed based on FIG. In addition, in the configuration of FIG.
It is assumed that the constant current source I e1 is a constant current element having a supply current I 1 of 80 nA and the nMOS transistor Q 3 is a constant current element having a current Id of 50 nA flowing when there is no signal, and its static characteristics are as shown in FIG. 6A.

【0041】まず、RF信号入力のない無信号時には、
定電流源Ie1とnMOSトランジスタQ3 のドレインと
の接続中点Cの電圧Vd は、定電流源Ie1により供給さ
れる電流I1 (80nA)とnMOSトランジスタQ3
に流れる電流Id (50nA)との電流差(30A)に
より、ほぼ電源電圧VDDにはりついている。
First, when there is no RF signal input and there is no signal,
The voltage Vd at the connection midpoint C between the constant current source I e1 and the drain of the nMOS transistor Q 3 is the current I 1 (80 nA) supplied by the constant current source I e1 and the nMOS transistor Q 3
Due to the current difference (30 A) from the current Id (50 nA) flowing through the current Id, it is almost stuck to the power supply voltage V DD .

【0042】このような状態にある検波回路に入力端D
Iを介してRF信号が入力されると、nMOSトランジ
スタQ3 のゲート電圧Vg は次式で与えられる。
In the detection circuit in such a state, the input terminal D
When the RF signal is input via I, the gate voltage Vg of the nMOS transistor Q 3 is given by the following equation.

【数9】 ここで、VBはバイアス電圧、Vm はRF振幅、{Vm
cos(ωt)}はRF入力信号をそれぞれ示してい
る。
[Equation 9] Where VB is the bias voltage, Vm is the RF amplitude, and {Vm
cos (ωt)} indicates the RF input signal.

【0043】このゲート電圧Vg の平均電位Average potential of this gate voltage Vg

【数10】 は、バイアス電圧VBのままであるが、nMOSトラン
ジスタQ3 の電流Id を平均すると、MOSの非線形特
性により無信号時のId (Ib とする)より増加する。
[Equation 10] Is still the bias voltage VB, but when the current Id of the nMOS transistor Q 3 is averaged, it increases from Id (Ib) when there is no signal due to the non-linear characteristic of the MOS.

【0044】図6(b)に示すように、nMOSトラン
ジスタQ3 の電流Id の平均電流が、定電流源Ie1の電
流能力80nAよりも多くなると、その差電流により定
電流源Ie1とnMOSトランジスタQ3 のドレインとの
接続中点Cの電圧Vd は降下し、ほぼ電源電圧VSSと同
レベルとなる。この接続中点Cの電圧Vd の変化をイン
バータINVをとおして出力する。
[0044] As shown in FIG. 6 (b), the average current of the current Id of the nMOS transistor Q 3 is, the larger than the current capability 80nA of the constant current source I e1, constant current source I e1 and nMOS by the difference current The voltage Vd at the connection midpoint C with the drain of the transistor Q 3 drops and becomes almost the same level as the power supply voltage V SS . The change in the voltage Vd at the connection midpoint C is output through the inverter INV.

【0045】図7は、図5の検波回路の具体的な回路構
成例を示す図であって、図5と同一素子については同一
符号をもって表している。すなわち、Q3 ,Q4 はnM
OSトランジスタ、P1 ,P2 ,P3 は定電流源を構成
するpMOSトランジスタ、INVは差動アンプ、Ci
n,C3 はキャパシタ、R3 ,R4 は抵抗素子、VDD
SSは電源電圧をそれぞれ示している。
FIG. 7 is a diagram showing a specific circuit configuration example of the detection circuit of FIG. 5, and the same elements as those of FIG. 5 are represented by the same reference numerals. That is, Q 3 and Q 4 are nM
OS transistors, P 1 , P 2 , P 3 are pMOS transistors forming a constant current source, INV is a differential amplifier, Ci
n and C 3 are capacitors, R 3 and R 4 are resistive elements, V DD ,
V SS indicates the power supply voltage.

【0046】図7において、pMOSトランジスタP1
〜P3 のソースはたとえば電源電圧VDD の供給ライン
接続され、各ゲート同士は接続され、pMOSトランジ
スタP3 のゲートはドレインと接続され、その接続中点
は抵抗素子R3 を介して接地されている。pMOSトラ
ンジスタP1 のドレインはnMOSトランジスタQ3
ドレインと接続され、それらの接続中点Cはインバータ
INVの入力に接続されている。
In FIG. 7, the pMOS transistor P 1
The sources of P 3 to P 3 are connected to, for example, the supply line of the power supply voltage V DD , the respective gates are connected to each other, the gate of the pMOS transistor P 3 is connected to the drain, and the connection midpoint is grounded via the resistance element R 3. Has been done. The drain of the pMOS transistor P 1 is connected to the drain of the nMOS transistor Q 3 , and the connection midpoint C thereof is connected to the input of the inverter INV.

【0047】pMOSトランジスタP2 のドレインはn
MOSトランジスタQ4 のドレインに接続されている、
nMOSトランジスタQ4 のドレインはゲートと接続さ
れ、それらの接続中点は抵抗素子R4 を介してnMOS
トランジスタQ3 のゲートに接続されているとともに、
キャパシタC3 を介して電源電圧VSS の供給ラインに接
続されている。nMOSトランジスタQ4 のソースは電
源電圧VSS の供給ラインに接続されている。
The drain of the pMOS transistor P 2 is n
Connected to the drain of the MOS transistor Q 4 ,
The drain of the nMOS transistor Q 4 is connected to the gate of the nMOS transistor Q 4 , and the midpoint of the connection is the nMOS via the resistance element R 4.
It is connected to the gate of transistor Q 3 and
It is connected to the supply line of the power supply voltage V SS via the capacitor C 3 . The source of the nMOS transistor Q 4 is connected to the supply line of the power supply voltage V SS .

【0048】図7においては、nMOSトランジスタQ
3 およびpMOSトランジスタP1により検波段が構成
され、nMOSトランジスタQ4 ,pMOSトランジス
タP 2 、抵抗素子R4 およびキャパシタC3 によりバイ
アス発生段が構成されている。
In FIG. 7, the nMOS transistor Q
3And pMOS transistor P1The detection stage consists of
NMOS transistor QFour, PMOS transistor
Type P 2, Resistance element RFourAnd capacitor C3By
Asbestos generation stage is configured.

【0049】次に、図7を用いて本参考例に係る検波回
路における入力感度について考察する。
Next, the input sensitivity of the detection circuit according to the present reference example will be considered with reference to FIG.

【0050】入力段のnMOSトランジスタQ1 は、そ
のしきい値電圧VTH付近でセルフバイアスされているた
め、次式に示すように、いわゆるexponential 特性で動
作する。したがって、nMOSトランジスタQ3 の特性
は次式で表される。
Since the nMOS transistor Q 1 in the input stage is self-biased near its threshold voltage V TH , it operates with so-called exponential characteristics as shown in the following equation. Therefore, the characteristic of the nMOS transistor Q 3 is expressed by the following equation.

【数11】 [Equation 11]

【数12】 [Equation 12]

【0051】(12)式に上記(11)式を代入する
と、電流Id は以下のようになる。
By substituting the equation (11) into the equation (12), the current Id is as follows.

【数13】 ここで、Ib は無信号時のバイアス電流を示している。[Equation 13] Here, Ib represents the bias current when there is no signal.

【0052】電流Id の平均電流Id は、次式で与え
られる。
Average current Id of current Id Is given by the following equation.

【数14】 すなわち、[Equation 14] That is,

【数15】 となる。[Equation 15] Becomes

【0053】この(Id /Ib )が2倍程度、本例で
は100nA程度であれば、出力は反転するので、次式
で示すように、f(Vm/E)を計算することにより、
最低入力振幅がわかる。
This (Id / Ib) is about twice, in this example, about 100 nA, the output is inverted. Therefore, by calculating f (Vm / E),
Know the minimum input amplitude.

【数16】 [Equation 16]

【0054】図8は、この(16)式に数値代入を行っ
て、入力振幅と電流比との関係を計算した結果を示す図
である。図8からわかるように、2倍の電流比を得るた
めには、Vmとして約70mVが必要である。このこと
は、入力感度が、VTH(たとえば0.7V)以上の入力
振幅が必要なダイオード検波と比較して、以下に示すよ
うに20dB以上の改善がなされたことを意味する。 20log(0.7V/70mV)=20dB
FIG. 8 is a diagram showing the result of calculating the relationship between the input amplitude and the current ratio by substituting numerical values into this equation (16). As can be seen from FIG. 8, about 70 mV is required as Vm in order to obtain the double current ratio. This means that the input sensitivity is improved by 20 dB or more as shown below as compared with the diode detection that requires an input amplitude of V TH (for example, 0.7 V) or more. 20log (0.7V / 70mV) = 20dB

【0055】また、電流源で0.1μAの電流が流れ、
検波段、バイアス電圧発生段でそれぞれ50nAの電流
が流れ、合計で0.2μA消費する。したがって、消費
電力Pd について見ると、電源電圧1.5Vとして0.
3μWの消費電力となり、ダイオード検波に劣ることの
ない超低消費電力化を実現できる。
Further, a current of 0.1 μA flows in the current source,
A current of 50 nA flows in each of the detection stage and the bias voltage generation stage, consuming 0.2 μA in total. Therefore, looking at the power consumption Pd, it is assumed that the power supply voltage is 1.5V and the power consumption is 0.5V.
The power consumption is 3 μW, and ultra-low power consumption comparable to diode detection can be realized.

【0056】以上説明したように、本参考例によれば、
バイアス電流を低く抑えたことに加えて、差動アンプな
どを用いずに簡単な回路構成としたことから、低電圧動
作(1.5V程度)が可能となり、高感度検波が可能で
あることはもとより、0.3μWという超低消費電力な
検波回路を実現できる。
As described above, according to this reference example,
In addition to suppressing the bias current to a low level, a simple circuit configuration without using a differential amplifier etc. enables low-voltage operation (about 1.5 V) and high-sensitivity detection. Of course, it is possible to realize a detection circuit with ultra-low power consumption of 0.3 μW.

【0057】[0057]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高感度、かつ、低消費電力な検波を実現できる。したが
って、マイクロ波でデータの読み出し/書き込みを行う
ICカードを実現できるなどの利点がある。
As described above, according to the present invention,
It is possible to realize detection with high sensitivity and low power consumption. Therefore, there is an advantage that an IC card that reads / writes data by microwave can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る検波回路の実施例の基本構成を示
す回路図である。
1 is a circuit diagram showing the basic structure of the real施例of the detection circuit according to the present invention.

【図2】図1の動作点解析の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of an operating point analysis of FIG.

【図3】図1の検波回路の具体的な回路構成例を示す図
である。
FIG. 3 is a diagram showing a specific circuit configuration example of the detection circuit of FIG.

【図4】図3の回路のDCバイアス降下分dVを計算し
た結果を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a result of calculating a DC bias drop amount dV of the circuit of FIG.

【図5】本発明に係る検波回路の参考例の基本構成を示
す回路図である。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a basic configuration of a reference example of a detection circuit according to the present invention.

【図6】図5の動作点解析の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of the operating point analysis of FIG.

【図7】図5の検波回路の具体的な回路構成例を示す図
である。
7 is a diagram showing a specific circuit configuration example of the detection circuit of FIG.

【図8】図7の回路の入力振幅と電流比との関係を計算
した結果を示す図である。
8 is a diagram showing the result of calculation of the relationship between the input amplitude and the current ratio of the circuit of FIG.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03D 1/00 - 1/08 H03D 1/18 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H03D 1/00-1/08 H03D 1/18

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ドレインおよびゲート同士が接続された
第1および第2のMOSトランジスタと、差動アンプと、 電流源とを有し、 第1および第2のMOSトランジスタのドレインおよび
ゲート同士の接続中点が上記電流源に接続され、 上記第1のMOSトランジスタのゲートが信号入力ライ
ンに接続され、上記第1および第2のMOSトランジスタのソースが電
源電圧の供給ラインに接続され、 上記差動アンプの一方の入力が上記第1のMOSトラン
ジスタのドレインおよびゲート同士の接続中点と上記電
流源との接続中点に接続され、他方の入力が上記第2の
MOSトランジスタのドレインおよびゲート同士の接続
中点と上記電流源との接続中点に接続され、 かつ、上記第2のMOSトランジスタの電流能力が上記
第1のMOSトランジスタの電流能力より大きく設定さ
れたことを特徴とする検波回路。
1. A connection between drains and gates of first and second MOS transistors, comprising first and second MOS transistors having drains and gates connected to each other, a differential amplifier, and a current source. The midpoint is connected to the current source, the gate of the first MOS transistor is connected to the signal input line, and the sources of the first and second MOS transistors are electrically connected.
The differential amplifier is connected to the supply line of the source voltage and one input of the differential amplifier is connected to the first MOS transistor.
The middle point of connection between the drain and gate of the transistor and the above
It is connected to the middle point of the connection with the source and the other input is connected to the second
Connection between drain and gate of MOS transistor
A detection circuit connected to a midpoint between a midpoint and the current source, wherein the current capability of the second MOS transistor is set larger than the current capability of the first MOS transistor.
【請求項2】 上記第1のMOSトランジスタのドレイ
ンおよびゲート同士の接続中点と上記電流源との間に、
入力から見た対グランド容量を軽減させるための第1の
抵抗素子が接続され、 上記第2のMOSトランジスタのドレインおよびゲート
同士の接続中点と上記電流源との間に、入力から見た対
グランド容量を軽減させるための第2の抵抗素子が接続
された請求項1記載の検波回路。
2. Between the connection midpoint between the drain and gate of the first MOS transistor and the current source,
A first resistance element for reducing the capacitance to ground seen from the input is connected, and a pair seen from the input is provided between the midpoint of connection between the drain and gate of the second MOS transistor and the current source. The detection circuit according to claim 1, wherein a second resistance element for reducing the ground capacitance is connected.
【請求項3】 上記第1のMOSトランジスタのドレイ
ンおよびゲート同士の接続中点と上記電流源との接続中
点に対して、ドレイン電流の平均化を助けるための第1
のキャパシタが接続され、 上記第2のMOSトランジスタのドレインおよびゲート
同士の接続中点と上記電流源との接続中点に対して、ド
レイン電流の平均化を助けるための第2のキャパシタが
接続された請求項1または2記載の検波回路。
3. A first for assisting in averaging the drain current with respect to a connection midpoint between the drain and gate of the first MOS transistor and a connection midpoint between the current source.
Of the second MOS transistor is connected, and a second capacitor for helping the averaging of the drain current is connected to the connection midpoint between the drain and gate of the second MOS transistor and the connection midpoint between the current source. The detection circuit according to claim 1 or 2.
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