WO2021208132A1 - 一种基于共享式栅交叉耦合的cmos整流电路 - Google Patents

一种基于共享式栅交叉耦合的cmos整流电路 Download PDF

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梅逢城
徐渊
曹建民
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    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Abstract

一种基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，包括：电路输入端；电路输出端；负载电容，负载电容分别与输入端以及输出端连接；第一PMOS功率管、第二PMOS功率管；第一NMOS功率管、第二NMOS功率管；第一比较器电路、第二比较器电路；第一动态偏置电路以及第二动态偏置电路；第一反相器以及第二反相器；其中，第一PMOS功率管的栅极与第一比较器电路连接，第二PMOS功率管的栅极与第二比较器电路连接；第一动态偏置电路与第一比较电路连接；第二动态偏置电路与第二比较电路连接；第一NMOS功率管与第二NMOS功率管栅极交叉连接；其中第一NMOS功率管的栅极与第二反相器的输出后端连接；第二NMOS功率管的栅极与第一反相器的输出后端连接。

Description

一种基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路 技术领域
本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)整流电路。
背景技术
随着信息技术的发展，有源植入式医疗器械在临床应用上的作用越来越重要，其在疾病诊断、治疗过程中发挥着重要的作用。例如人工视网膜、胶囊内窥镜、植入式神经刺激器等。这些有源设备通过一定的手术植入人体，由于受限于器械的体积，电池的容量有限，因此设备的能量供应成为一个极大的制约因素。无线能量传输技术为植入式医疗器械的能源供给提供了一个有效的途径。通过电磁感应的方法为有源植入式器械供电，其方法是使位于体外的线圈产生磁场，通过电磁感应，从而在体内的接收线圈上产生交流电压。通过强耦合磁谐振获取的能量并不能直接作为电压源供给内部电路使用，因为强耦合磁谐振线圈接收到的能量为交变信号，需要通过整流滤波电路获得直流电压来为芯片内部电路提供能量，所以整流滤波电路是植入式无线能量传输系统中极其重要的一个部分。
由于植入式器械通过外部手术封闭在人体内部，且受限于植入系统的体积。因此无线能量的有效供给问题一直是植入式无线能量传输电路的重要研究课题。同时还需要考虑电路的热效应对人体器官组织产生的热危害。因此，通过电磁感应的无线能量传输系统的能量转换效率显得十分重要，尽量减少传输中的能量耗散在人体组织皮肤，提升植入体能量接收系统的转换效率。植入式能量供给电路系统中，整流电路作为前端模块是关键模块，其能量转换效率直接影响着真个无线能量转换系统的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路。
本发明实施例提供了一种基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，包括：
电路输入端；
电路输出端；
负载电容，所述负载电容分别与所述输入端以及输出端连接；
第一PMOS功率管、第二PMOS功率管；
第一NMOS功率管、第二NMOS功率管；
第一比较器电路、第二比较器电路；
第一动态偏置电路以及第二动态偏置电路；
第一反相器以及第二反相器；
其中，
第一PMOS功率管的栅极与第一比较器电路连接，第一比较器电路的正输入端与所述电路输出端的正端连接，第一比较器电路的负输入端与所述电路输入端的正端连接；第二PMOS功率管的栅极与第二比较器电路连接，所述第二比较器电路的正输入端与所述电路输出端的正端连接，所述第二比较器电路的负输入端与所述电路输出端的负端连接；第一动态偏置电路与第一比较电路连接；第二动态偏置电路与所述第二比较电路连接。
所述第一NMOS功率管与第二NMOS功率管栅极交叉连接；其中第一NMOS功率管的栅极与第二反相器的输出后端连接，所述第二反相器与第二比较器电路连接；第二NMOS功率管的栅极与第一反相器的输出后端连接，所述第一反相器与第一比较器电路连接；
本发明实施例提供的一种基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路及能够提高能量的转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于共享式栅交叉的CMOS整流电路拓扑结构图；
图2是本发明实施例提供的PMOS动态衬底偏置电路；
图3是本发明实施例提供的比较器电路；
图4是本发明实施例提供的反相器电路。
具体实施例
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
本发明实施例的“第一”、“第二”等术语，仅为区别相关技术特征，不表示先后顺序。
为了说明本发明实施例所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1所示，是本发明实施例提供的一种共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路。所述CMOS整流电路具体包括：
电路输入端(Vout)，电路输出端(Vin)，负载电容(CL)，所述负载电容分别与所述输入端以及输出端连接。
第一PMOS功率管(PMOS，positive channel Metal Oxide Semiconductor)、第二PMOS功率管；第一NMOS功率管(NMOS，N-Metal-Oxide-Semiconductor)、第二NMOS功率管；第一比较器电路(CMP1)、第二比较器电路(CMP2)；第一动态偏置电路以及第二动态偏置电路；第一反相器以及第二反相器。
其中，第一PMOS功率管的栅极与第一比较器电路(CMP1)连接，第一比较器电路(CMP1)的正输入端与所述电路输出端的正端(Vout+)连接，第一比较器电路的负输入端与所述电路输入端的正端(Vin+)连接。第二PMOS功率管的栅极与第二比较器电路(CMP2)连接，所述第二比较器电路的正输入端与所述电路输出端的正端(Vout+)连接，所述第二比较器电路的负输入端与所述电路输出端的负端(Vin-)连接。
第一动态偏置电路与第一比较电路连接；第二动态偏置电路与所述第二比较电路连接。
所述第一NMOS功率管与第二NMOS功率管栅极交叉连接；其中第一NMOS功率管的栅极与第二反相器的输出后端连接，所述第二反相器与第二比较器电路连接；第二NMOS功率管的栅极与第一反相器的输出后端连接，所述第一反相器与第一比较器电路连接。
本发明实施例的CMOS整流电路的NMOS功率管和PMOS功率管通过共享栅控比较器，实现了栅交叉与比较器混合控制的结构。其中比较器的数量与传统基于比较器的CMOS整流电路相同，通过共享，该结构可以实现更高的转换效率。
本发明实施例的CMOS整流电路结构，主要优点在于没有增加电路复杂度的情况下，电路具有更高的能量转换效率。
本发明实施例的CMOS整流电路结构简单，元件成本低。易于实现在标准CMOS工艺和高压CMOS工艺下的单片集成。
进一步的，本发明实施例所述第一动态偏置电路或所述第二动态偏置电路为PMOS型衬底动态偏置电路。本发明实施例提供的一种共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，两个PMOS功率管的衬底由两组PMOS型衬底动态偏置电路分别控制，以保持PMOS功率管的衬底一直偏置在电路的最高电位。
本发明实施例提供的一种共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，所述第一动态偏置电路为PMOS型衬底动态偏置电路。
具体的，所述第一动态偏置电路包括第一PMOS管以及第二PMOS管，所述第一动态偏置电路的S端连接至第一PMOS功率管的源极。所述第一动态偏置电路的B端连接至第一PMOS功率管的衬底，所述第一动态偏置电路的D端连接至第一PMOS功率管的漏极。
本发明实施例提供的一种共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，所述第二动态偏置电路为PMOS型衬底动态偏置电路。
具体的，所述第一动态偏置电路包括第三PMOS管以及第四PMOS管，所述第二动态偏置电路的S端连接至第二PMOS功率管的源极；所述第二动态偏置电路的B端连接至第二PMOS功率管的衬底，所述第二动态偏置电路的D端连接至第二PMOS功率管的漏极。
如图3所示，一种示例性的实施方案，本发明实施例提供的，共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，所述第一比较器电路或第二比较器电路包括：二级放大器电路、自偏置电路和反相器输出波形整形电路。
具体的，本发明实施例所述二级放大器电路包括：4个NMOS管，分别为N1,N2,N3,N4，以及3个PMOS管，分别为P1,P2,P3。
其中第一级电路由N1,N2,N3与P1,P2组成，其中N1与N2形成差分输入对，P1与P2采用栅交叉耦合的连接形式作为有源负载，N3管与自偏置电路形成电流镜电路提供第一级放大电路的电流；
第二级电路由N4和P3串联连接组成，形成输出级。
本发明实施例提供的共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，所述自偏置电路包括：NMOS管N5以及PMOS管P4，所述N5和P4分别采用二极管连接形式为比较器提供偏置电流；其中P4的栅极与瓶的漏极相连，N5的栅极与N5的漏极相连；所述P4的漏极连接N5的源极。
本发明实施例提供的共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，所述比较器的输出级由两个反相器组成，其中NMOS管N6与PMOS管P5组成第一个反相器，NMOS管N7与PMOS管P6组成第二个反相器。
如图4所示，本发明实施例提供的共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，其特征在于，所述反相器包括NMOS管N1与PMOS管P1。
本发明实施例还提供了一种植入式器械，所述植入式器械包括上述所述的任一共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路。
本发明实施例中的CMOS整流电路采用了比较器共享式栅交叉控制功率管的电路结构。所述CMOS整流电路通过共享控制PMOS功率管的比较器来控制两个NMOS功率管，电路结构简单、可靠。可以提升两个NMOS功率管的导通与关断速度，从而进一步降低两个NMOS功率管的反向漏电流达到提升CMOS整流电路的电压及能量转换效率。
本发明实施例中的CMOS整流电路采用的比较器电路采用了栅交叉耦合的PMOS管作为有源负载，并采用开环二级放大器电路结构。通过这个设计可以使得比较器具有更高的增益更大的带宽，进一步提升比较器的转换速度，达到减小控制功率管开关响应时间从而减小功率管自身漏电流的目的。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

  1. 一种基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，其特征在于，包括：
    电路输入端；
    电路输出端；
    负载电容，所述负载电容分别与所述输入端以及输出端连接；
    第一PMOS功率管、第二PMOS功率管；
    第一NMOS功率管、第二NMOS功率管；
    第一比较器电路、第二比较器电路；
    第一动态偏置电路以及第二动态偏置电路；
    第一反相器以及第二反相器；
    其中，
    第一PMOS功率管的栅极与第一比较器电路连接，第一比较器电路的正输入端与所述电路输出端的正端连接，第一比较器电路的负输入端与所述电路输入端的正端连接；第二PMOS功率管的栅极与第二比较器电路连接，所述第二比较器电路的正输入端与所述电路输出端的正端连接，所述第二比较器电路的负输入端与所述电路输出端的负端连接；第一动态偏置电路与第一比较电路连接；第二动态偏置电路与所述第二比较电路连接。
    所述第一NMOS功率管与第二NMOS功率管栅极交叉连接；其中第一NMOS功率管的栅极与第二反相器的输出后端连接，所述第二反相器与第二比较器电路连接；第二NMOS功率管的栅极与第一反相器的输出后端连接，所述第一反相器与第一比较器电路连接；
  2. 如权利要求1所述的基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，其特征在于，所述第一动态偏置电路或所述第二动态偏置电路为PMOS型衬底动态偏 置电路。
  3. 如权利要求2所述的基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，其特征在于，所述第一动态偏置电路为PMOS型衬底动态偏置电路；
    所述第一动态偏置电路包括第一PMOS管以及第二PMOS管，所述第一动态偏置电路的S端连接至第一PMOS功率管的源极；所述第一动态偏置电路的B端连接至第一PMOS功率管的衬底，所述第一动态偏置电路的D端连接至第一PMOS功率管的漏极。
  4. 如权利要求2所述的基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，其特征在于，所述第二动态偏置电路为PMOS型衬底动态偏置电路；
    所述第一动态偏置电路包括第三PMOS管以及第四PMOS管，所述第二动态偏置电路的S端连接至第二PMOS功率管的源极；所述第二动态偏置电路的B端连接至第二PMOS功率管的衬底，所述第二动态偏置电路的D端连接至第二PMOS功率管的漏极。
  5. 如权利要求1所述的基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，其特征在于，所述第一比较器电路或第二比较器电路包括：二级放大器电路、自偏置电路和反相器输出波形整形电路。
  6. 如权利要求5所述的基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，其特征在于，所述二级放大器电路包括：4个NMOS管，分别为N1,N2,N3,N4，以及3个PMOS管，分别为P1,P2,P3；
    其中第一级电路由N1,N2,N3与P1,P2组成，其中N1与N2形成差分输入对，P1与P2采用栅交叉耦合的连接形式作为有源负载，N3管与自偏置电路形成电流镜电路提供第一级放大电路的电流；
    第二级电路由N4和P3串联连接组成，形成输出级。
  7. 如权利要求5所述的基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，其特征在于，所述自偏置电路包括：NMOS管N5以及PMOS管P4，所述N5和P4分别采用二极管连接形式为比较器提供偏置电流；其中P4的栅极与瓶的漏极相连，N5的栅极与N5的漏极相连；所述P4的漏极连接N5的源极。
  8. 如权利要求5所述的基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，其特征在于，所述比较器的输出级由两个反相器组成，其中NMOS管N6与PMOS管P5组成第一个反相器，NMOS管N7与PMOS管P6组成第二个反相器。
  9. 如权利要求5所述的基于共享式栅交叉耦合的CMOS整流电路，其特征在于，所述反相器包括NMOS管N1与PMOS管P1。
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