TWI623182B - 自我補償互補式整流器 - Google Patents

Abstract

一種用以將射頻訊號轉換成直流電壓之自我補償互補式整流器，利用新式整流器架構與新式補償方式既能克服傳統之整流器臨限電壓過大的問題同時也能降低反向電流，使得自我補償互補式整流器具有較佳的功率轉換效率。自我補償互補式整流器包含多級互補式電路。多級互補式電路的第j級的前補償正節點與前補償負節點分別耦接至多級互補式電路的第i級的射頻輸入正節點與射頻輸入負節點；多級互補式電路的第j級的後補償正節點與後補償負節點分別耦接至多級互補式電路的第k級的射頻輸入正節點與射頻輸入負節點。其中i、j、k為正整數，且i<j<k。

Description

自我補償互補式整流器

本揭露實施例是有關於一種整流器，且特別是有關於一種用於降低反向電流(reverse current)同時克服臨限電壓過大之問題的自我補償互補式整流器。

傳統上，將射頻訊號整流成直流電壓之常見方式為利用二極體或是將電晶體接成二極體型式來進行整流，例如，迪克森電荷泵(Dickson charge pump)就是其中一種傳統的整流方法。圖1係繪示傳統之迪克森整流器的電路圖，迪克森整流器利用射頻輸入正端RF+與射頻輸入負端RF-來接收射頻訊號，並藉由直流電壓輸出端V_O來輸出直流電壓。然而這種整流方式在遠距離傳輸時，會有接收到的訊號過小、臨限電壓過大的問題，導致功率轉換效率不佳。

針對上述問題，改善方式之一是降低臨限電壓。例如使用低臨限電壓的先進製程電晶體，然而使用先進製程電晶體將導致成本提高。又例如先對電晶體閘極預充一補償電壓，例如，T.Umeda等人在2006年於IEEE JSSC期刊所發表之“A 950-MHz rectifier circuit for Sensor network tags with 10-m distance”當中所採用之方式，然而臨限電壓補償過多會使反向電流(reverse current)增加，造成功率轉換效率降低。

而為了降低反向電流，也有人提出互補式的整流器，例如，S.Atsushi等人在2008年於IEEE A-SSCC期刊所發表之“Differential-drive CMOS rectifier for UHF RFIDS with 66% PCE at -12dBm Input”當中所採用之方式，利用N型金屬氧化物半導體(NMOS)與P型金屬氧化物半導體(PMOS)來等效成兩個二極體，並在差動輸入的情況下兩者輪流開關，從而降低反向電流。然而，互補式整流器本身存在著臨限電壓過大的問題。

本揭露之目的在於提出一種自我補償互補式整流器，使用新式整流器架構與新式補償方式既能克服臨限電壓過大的問題從而使順向電流增加同時也能降低反向電流，使得自我補償互補式整流器具有較佳的功率轉換效率。

根據本揭露之上述目的，提出一種用以將射頻訊號轉換成直流電壓之自我補償互補式整流器，自我補償互補式整流器包括多級互補式電路，多級互補式電路的每一級包括正端NMOS、正端PMOS、負端NMOS與負端PMOS。多級互補式電路的每一級具有前補償正節點、前補償負節點、後補償正節點與後補償負節點。前補償正節點耦接至負端PMOS的閘極，前補償負節點耦接至正端PMOS的閘極， 後補償正節點耦接至負端NMOS的閘極，後補償負節點耦接至正端NMOS的閘極。

在一些實施例中，上述多級互補式電路的每一級更具有射頻輸入正節點與射頻輸入正節點。射頻輸入正節點耦接至正端NMOS的汲極與正端PMOS的汲極，射頻輸入負節點耦接至負端NMOS的汲極與負端PMOS的汲極。

在一些實施例中，上述多級互補式電路的第j級的前補償正節點耦接至多級互補式電路的第i級的射頻輸入正節點；多級互補式電路的第j級的前補償負節點耦接至多級互補式電路的第i級的射頻輸入負節點；多級互補式電路的第j級的後補償正節點耦接至多級互補式電路的第k級的射頻輸入正節點；多級互補式電路的第j級的後補償負節點耦接至多級互補式電路的第k級的射頻輸入負節點。其中i、j、k為正整數，且i<j<k。

在一些實施例中，上述多級互補式電路的每一級更具有直流輸入節點與直流輸出節點。直流輸入節點耦接至正端NMOS的源極與負端NMOS的源極，直流輸出節點耦接至正端PMOS的源極與負端PMOS的源極。其中多級互補式電路的第j級的直流輸出節點耦接至多級互補式電路的第j+1級的直流輸入節點，其中j為正整數。

在一些實施例中，上述自我補償互補式整流器具有射頻輸入正端、射頻輸入負端與直流電壓輸出端。射頻輸入正端與射頻輸入負端用以接收射頻訊號。直流電壓輸出端用以輸出直流電壓。

在一些實施例中，上述多級互補式電路的最前級的直流輸入節點係接地。多級互補式電路的最末級的直流輸出節點耦接至自我補償互補式整流器的直流電壓輸出端。

在一些實施例中，上述多級互補式電路的每一級的射頻輸入正節點各自透過正端電容耦接至自我補償互補式整流器的射頻輸入正端；多級互補式電路的每一級的射頻輸入負節點各自透過負端電容耦接至自我補償互補式整流器的射頻輸入負端。

在一些實施例中，上述自我補償互補式整流器更包括虛擬級電路，虛擬級電路包括正端NMOS與負端NMOS。虛擬級電路具有射頻輸入正節點、射頻輸入負節點與直流輸出節點。射頻輸入正節點耦接至虛擬級電路的正端NMOS的汲極與虛擬級電路的負端NMOS的閘極。射頻輸入負節點耦接至虛擬級電路的負端NMOS的汲極與虛擬級電路的正端NMOS的閘極。直流輸出節點耦接至虛擬級電路的正端NMOS的源極、虛擬級電路的負端NMOS的源極與自我補償互補式整流器的直流電壓輸出端。

在一些實施例中，上述多級互補式電路的最前級的前補償正節點耦接至多級互補式電路的最前級的射頻輸入正節點；多級互補式電路的最前級的前補償負節點耦接至多級互補式電路的最前級的射頻輸入負節點；多級互補式電路的最末級的後補償正節點耦接至虛擬級電路的射頻輸入正節點；多級互補式電路的最末級的後補償負節點耦接至虛擬級電路的射頻輸入負節點。

在一些實施例中，上述虛擬級電路的射頻輸入正節點透過正端電容耦接至自我補償互補式整流器的射頻輸入正端；虛擬級電路的射頻輸入負節點透過負端電容耦接至自我補償互補式整流器的射頻輸入負端。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧自我補償互補式整流器

110₁‧‧‧多級互補式電路的第1級

110_i‧‧‧多級互補式電路的第i級

110_j‧‧‧多級互補式電路的第j級

110_k‧‧‧多級互補式電路的第k級

110_k+1‧‧‧多級互補式電路的第k+1級

110_N‧‧‧多級互補式電路的第N級

120‧‧‧虛擬級電路

C+‧‧‧正端電容

C-‧‧‧負端電容

N+‧‧‧正端NMOS

N-‧‧‧負端NMOS

P+‧‧‧正端PMOS

P-‧‧‧負端PMOS

RF+‧‧‧射頻輸入正端

RF-‧‧‧射頻輸入負端

V_{P-_i}、V_{P-_j}、V_{P-_k}、V_{P-_N}‧‧‧前補償負節點

V_{P+_i}、V_{P+_j}、V_{P+_k}、V_{P+_N}‧‧‧前補償正節點

V_{N-_i}、V_{N-_j}、V_{N-_k}、V_{N-_N}‧‧‧後補償負節點

V_{N+_i}、V_{N+_j}、V_{N+_k}、V_{N+_N}‧‧‧後補償正節點

V_{IN_1}、V_{IN_i}、V_{IN_j}、V_{IN_k}、V_{IN_k+1}、V_{IN_N}‧‧‧直流輸入節點

V_{OUT_1}、V_{OUT_i}、V_{OUT_j}、V_{OUT_k}、V_{OUT_k+1}、V_{OUT_N}、V_{OUT_D}‧‧‧直流輸出節點

V_{RF+_1}、V_{RF+_i}、V_{RF+_j}、V_{RF+_k}、V_{RF+_k+1}、V_{RF+_N}、V_{RF+_D}‧‧‧射頻輸入正節點

V_{RF-_1}、V_{RF-_i}、V_{RF-_j}、V_{RF-_k}、V_{RF-_k+1}、V_{RF-_N}、V_{RF-_D}‧‧‧射頻輸入負節點

V_O‧‧‧直流電壓輸出端

從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本揭露之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。

[圖1]係繪示傳統之迪克森整流器的電路圖。

[圖2]係繪示根據本揭露的實施例之自我補償互補式整流器的架構示意圖。

[圖3]係繪示根據本揭露的實施例之自我補償互補式整流器的多級互補式電路的第k級之內部詳細線路圖。

[圖4]係繪示根據本揭露的實施例之自我補償互補式整流器的多級互補式電路之前後級之間的耦接線路圖。

[圖5]係繪示根據本揭露的實施例之自我補償互補式整流器的多級互補式電路之最末級與虛擬級電路之間的耦接線路圖。

[圖6]係繪示各種習知之整流器與本揭露之自我補償互補式整流器的輸出電流模擬圖。

[圖7]係繪示根據本揭露的實施例之射頻獵能器的架構示意圖。

以下仔細討論本揭露的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本揭露之範圍。另外，關於本文中所使用之「耦接」，可指二個元件直接地或間接地作電性連接。也就是說，當以下描述「第一物件耦接至第二物件」時，第一物件與第二物件之間還可設置其他的物件。

圖2係繪示根據本揭露的實施例之自我補償互補式整流器100的架構示意圖。自我補償互補式整流器100用以將射頻訊號轉換成直流電壓。自我補償互補式整流器100包括多級互補式電路110₁~110_N。應注意的是，為了使圖2之呈現不致過於複雜，多級互補式電路之每一級的內部詳細線路圖並未繪示於圖2之中，且多級互補式電路之各級之間的耦接關係也並未完整繪示於圖2之中。圖3係繪示根據本揭露的實施例之自我補償互補式整流器100的多級互補式電路的第k級110_k之內部詳細線路圖。多級互補式電路的第k級110_k包含正端NMOS(N+)、正端PMOS(P+)、負端NMOS(N-)與負端PMOS(P-)。第k級互補式電路110_k具有射頻輸入正節點V_{RF+_k}、射頻輸入負節點V_{RF-_k}、直流輸入節點V_{IN_k}與直流輸出節點V_{OUT_k}、前補償負節點V_{P-_k}、 前補償正節點V_{P+_k}、後補償負節點V_{N-_k}與後補償正節點V_N+_{_k}。

對多級互補式電路之每一級而言，以多級互補式電路的第k級110_k為例，請參照圖3，射頻輸入正節點V_{RF+_k}耦接至正端NMOS(N+)的汲極與正端PMOS(P+)的汲極，射頻輸入負節點V_{RF-_k}耦接至負端NMOS(N-)的汲極與負端PMOS(P-)的汲極。直流輸入節點V_{IN_k}耦接至正端NMOS(N+)的源極與負端NMOS(N-)的源極，直流輸出節點V_{OUT_k}耦接至正端PMOS(P+)的源極與負端PMOS(P-)的源極。前補償正節點V_{P+_k}耦接至負端PMOS(P-)的閘極，前補償負節點V_{P-_k}耦接至正端PMOS(P+)的閘極，後補償正節點V_{N+_k}耦接至負端NMOS(N-)的閘極，後補償負節點V_{N-_k}耦接至正端NMOS(N+)的閘極。

請回到圖2，自我補償互補式整流器100具有射頻輸入正端RF+、射頻輸入負端RF-與直流電壓輸出端V_O。其中，自我補償互補式整流器100藉由射頻輸入正端RF+與射頻輸入負端RF-來接收射頻訊號，且自我補償互補式整流器100藉由直流電壓輸出端V_O來輸出直流電壓。請參照圖2，多級互補式電路110₁~110_N的每一級的射頻輸入正節點V_{RF+_1}~V_{RF+_N}皆透過正端電容C+耦接至自我補償互補式整流器100的射頻輸入正端RF+。多級互補式電路110₁~110_N的每一級的射頻輸入負節點V_{RF-_1}~V_{RF-_N}皆透過負端電容C-耦接至自我補償互補式整流器100的射頻輸入負端RF-。

對多級互補式電路之每一級而言，請參照圖2，以多級互補式電路的第k級110_k為例，多級互補式電路的第k級110_k的直流輸出節點V_{OUT_k}耦接至後一級互補式電路(即多級互補式電路的第k+1級110_k+1)的直流輸入節點(即V_{IN_k+1})。依此類推，在此不贅述。

圖4係繪示根據本揭露的實施例之自我補償互補式整流器100的多級互補式電路之前後級之間的耦接線路圖。多級互補式電路的第j級110_j的前補償正節點V_{P+_j}耦接至多級互補式電路的第i級110_i的射頻輸入正節點V_{RF+_i}，多級互補式電路的第j級110_j的前補償負節點V_{P-_j}耦接至多級互補式電路的第i級110_i的射頻輸入負節點V_{RF-_i}，多級互補式電路的第j級110_j的後補償正節點V_{N+_j}耦接至多級互補式電路的第k級110_k的射頻輸入正節點V_{RF+_k}，多級互補式電路的第j級110_j的後補償負節點V_{N-_j}耦接至多級互補式電路的第k級110_k的射頻輸入負節點V_{RF-_k}。其中i、j、k為正整數，且i<j<k，亦即，i=j-1,j-2,...，k=j+1,j+2,...。值得一提的是，在本揭露的實施例中，使用者可分別就正端NMOS(N+)、正端PMOS(P+)、負端NMOS(N-)與負端PMOS(P-)的實際需求來選擇i與k的數值。換句話說，本揭露的自我補償互補式整流器100藉由上述之電壓補償的方式來對多級互補式電路110₁~110_N的每一級的電晶體的閘極進行臨界電壓補償，從而克服傳統上整流器之臨限電壓過大的問題。

上述雖已詳細描述多級互補式電路110₁~110_N 之各級之間的耦接關係，惟對於多級互補式電路的最前級110₁而言，已沒有所謂之前一級互補式電路，因此於此段落另行說明如下。請回到圖2，多級互補式電路的第1級110₁的直流輸入節點V_{IN_1}係接地。多級互補式電路的第1級110₁的前補償正節點V_{P+_1}(圖未示)耦接至多級互補式電路的第1級110₁的射頻輸入正節點V_{RF+_1}，多級互補式電路的第1級110₁的前補償負節點V_{P-_1}(圖未示)耦接至多級互補式電路的第1級110₁的射頻輸入負節點V_{RF-_1}。

上述雖已詳細描述多級互補式電路110₁~110_N之各級之間的耦接關係，惟對於多級互補式電路的最末級110_N而言，已沒有所謂之後一級互補式電路，因此於此段落另行說明如下。請回到圖2，自我補償互補式整流器100包括虛擬級電路120。圖5係繪示根據本揭露的實施例之自我補償互補式整流器100之多級互補式電路的最末級110_N與虛擬級電路120之間的耦接線路圖。請一併參閱圖2與圖5，虛擬級電路120包含正端NMOS(N+)與負端NMOS(N-)。虛擬級電路120具有射頻輸入正節點V_{RF+_D}、射頻輸入負節點V_{RF-_D}、直流輸出節點V_{OUT_D}。請參照圖5，虛擬級電路120的射頻輸入正節點V_{RF+_D}耦接至虛擬級電路120的正端NMOS(N+)的汲極與虛擬級電路120的負端NMOS(N-)的閘極，虛擬級電路120的射頻輸入負節點V_{RF-_D}耦接至虛擬級電路120的負端NMOS(N-)的汲極與虛擬級電路120的正端NMOS(N+)的閘極。虛擬級電路120的直流輸出節點V_{OUT_D}耦接至虛擬級電路120的正端 NMOS(N+)的源極與虛擬級電路120的負端NMOS(N-)的源極。虛擬級電路120的射頻輸入正節點V_{RF+_D}透過正端電容C+耦接至自我補償互補式整流器100的射頻輸入正端RF+。虛擬級電路120的射頻輸入負節點V_{RF-_D}透過負端電容C-耦接至自我補償互補式整流器100的射頻輸入負端RF-。請一併參閱圖2與圖5，多級互補式電路的最末級110_N的直流輸出節點V_{OUT_N}耦接至自我補償互補式整流器100的直流電壓輸出端V_O，虛擬級電路120的直流輸出節點V_{OUT_D}耦接至自我補償互補式整流器100的直流電壓輸出端V_O。請參照圖5，多級互補式電路的最末級110_N的後補償正節點V_{N+_N}耦接至虛擬級電路120的射頻輸入正節點V_{RF+_D}，多級互補式電路的最末級110_N的後補償負節點V_{N-_N}耦接至虛擬級電路120的射頻輸入負節點V_{RF-_D}。

圖6係繪示各種習知之整流器與本揭露之自我補償互補式整流器的輸出電流模擬圖。圖6之縱軸所表示者為電流值，其中電流大於零所代表者為順向電流，其中電流小於零所代表者為反向電流。由圖6可知，迪克森整流器呈現相對較低之順向電流，且其反向電流大致相等於順向電流。迪克森自我補償整流器雖然大幅增加了順向電流，但也同時增加了反向電流。互補式的整流器雖具有極低之反向電流，但其順向電流也偏低。與習知之整流器相較，本揭露之自我補償互補式整流器兼具低反向電流與高順向電流的優點。

值得一提的是，本揭露之自我補償互補式整流 器可與天線共同設計，以實現高功率轉換效率及高靈敏度之射頻獵能器(RF Energy Harvester)，如圖7所示。其中，本揭露之自我補償互補式整流器之等效電路相當於大電容並聯小電阻，因此本揭露之自我補償互補式整流器具有低品質因數(quality factor)之輸入阻抗，從而可使用易於實現且偏差小之低品質因數的天線來達成共軛匹配。換句話說，應用本揭露之自我補償互補式整流器來實現之射頻獵能器，其所需使用之天線具有設計容易之優點。應注意的是，本揭露之自我補償互補式整流器之應用不限於此，本揭露之自我補償互補式整流器亦可應用於無線傳能(例如無線充電)的電路中。

綜合上述，本揭露提出一種自我補償互補式整流器，利用新式整流器架構與新式補償方式既能克服傳統之整流器的臨限電壓過大的問題從而使順向電流增加，同時也能降低反向電流，因此本揭露之自我補償互補式整流器具有較佳的功率轉換效率。

以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本揭露的態樣。熟習此技藝者應了解到，其可輕易地把本揭露當作基礎來設計或修改其他的製程與結構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本揭露的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本揭露精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。

Claims (10)

1. 一種自我補償互補式整流器，用以將一射頻訊號轉換成一直流電壓，包括一多級互補式電路，其中該多級互補式電路的每一級包括一正端N型金屬氧化物半導體(NMOS)、一正端P型金屬氧化物半導體(PMOS)、一負端NMOS與一負端PMOS，其中該多級互補式電路的每一級具有：一前補償正節點，耦接至該負端PMOS的閘極；一前補償負節點，耦接至該正端PMOS的閘極；一後補償正節點，耦接至該負端NMOS的閘極；以及一後補償負節點，耦接至該正端NMOS的閘極。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自我補償互補式整流器，其中該多級互補式電路的每一級更具有：一射頻輸入正節點，耦接至該正端NMOS的汲極與該正端PMOS的汲極；以及一射頻輸入負節點，耦接至該負端NMOS的汲極與該負端PMOS的汲極。
3. 如申請專利範圍第2項所述之自我補償互補式整流器，其中該多級互補式電路的第j級的該前補償正節點耦接至該多級互補式電路的第i級的該射頻輸入正節點； 該多級互補式電路的第j級的該前補償負節點耦接至該多級互補式電路的第i級的該射頻輸入負節點；該多級互補式電路的第j級的該後補償正節點耦接至該多級互補式電路的第k級的該射頻輸入正節點；以及該多級互補式電路的第j級的該後補償負節點耦接至該多級互補式電路的第k級的該射頻輸入負節點；其中i、j、k為正整數，且i<j<k。
4. 如申請專利範圍第2項所述之自我補償互補式整流器，其中該多級互補式電路的每一級更具有：一直流輸入節點，耦接至該正端NMOS的源極與該負端NMOS的源極；以及一直流輸出節點，耦接至該正端PMOS的源極與該負端PMOS的源極；其中該多級互補式電路的第j級的該直流輸出節點耦接至該多級互補式電路的第j+1級的該直流輸入節點；其中j為正整數。
5. 如申請專利範圍第4項所述之自我補償互補式整流器，具有：一射頻輸入正端；一射頻輸入負端，其中該射頻輸入正端與該射頻輸入負端用以接收該射頻訊號；以及一直流電壓輸出端，用以輸出該直流電壓。
6. 如申請專利範圍第5項所述之自我補償互補式整流器，其中該多級互補式電路的最前級的該直流輸入節點係接地，其中該多級互補式電路的最末級的該直流輸出節點耦接至該自我補償互補式整流器的該直流電壓輸出端。
7. 如申請專利範圍第5項所述之自我補償互補式整流器，其中該多級互補式電路的每一級的該射頻輸入正節點各自透過一正端電容耦接至該自我補償互補式整流器的該射頻輸入正端；以及其中該多級互補式電路的每一級的該射頻輸入負節點各自透過一負端電容耦接至該自我補償互補式整流器的該射頻輸入負端。
8. 如申請專利範圍第5項所述之自我補償互補式整流器，更包括一虛擬級電路，其中該虛擬級電路包括一正端NMOS與一負端NMOS，其中該虛擬級電路具有：一射頻輸入正節點，耦接至該虛擬級電路的該正端NMOS的汲極與該虛擬級電路的該負端NMOS的閘極；以及 一射頻輸入負節點，耦接至該虛擬級電路的該負端NMOS的汲極與該虛擬級電路的該正端NMOS的閘極；以及一直流輸出節點，耦接至該虛擬級電路的該正端NMOS的源極、該虛擬級電路的該負端NMOS的源極與該自我補償互補式整流器的該直流電壓輸出端。
9. 如申請專利範圍第8項所述之自我補償互補式整流器，其中該多級互補式電路的最前級的該前補償正節點耦接至該多級互補式電路的最前級的該射頻輸入正節點；其中該多級互補式電路的最前級的該前補償負節點耦接至該多級互補式電路的最前級的該射頻輸入負節點；其中該多級互補式電路的最末級的該後補償正節點耦接至該虛擬級電路的該射頻輸入正節點；以及其中該多級互補式電路的最末級的該後補償負節點耦接至該虛擬級電路的該射頻輸入負節點。
10. 如申請專利範圍第8項所述之自我補償互補式整流器，其中該虛擬級電路的該射頻輸入正節點透過一正端電容耦接至該自我補償互補式整流器的該射頻輸入正端；以及其中該虛擬級電路的該射頻輸入負節點透過一負端 電容耦接至該自我補償互補式整流器的該射頻輸入負端。