CN104092371A - 一种rfid eeprom 电荷泵 - Google Patents
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Abstract
一种RFID EEPROM电荷泵，包括第一级电荷泵和第二级电荷泵组成的两级电荷泵、电平转换器和时钟产生器，第一级电荷泵由芯片供电电压Vdd供电产生比供电电压Vdd高的低电压输出信号，第一级电荷泵输出端连接第二级电荷泵，时钟产生器的输出端连接第一级电荷泵，时钟产生器的输出端通过电平转换器连接第二级电荷泵，电平转换器连接第一级电荷泵的输出端。本发明的RFIDEEPROM电荷泵，采用双级电荷泵来获得EEPROM擦写所需的电压，通过电平转换器获得第二级电荷泵所需的高压时钟，衬底效应不明显，可以从较低电压产生EEPROM编程所需高压信号，同时还可以最大限度的降低峰值电流消耗，从而提高标签芯片的灵敏度和读写距离。
Description
技术领域
本发明涉及EEPROM领域，尤其涉及一种应用于RFID集成电路中的EEPROM电荷泵。
背景技术
无线射频识别（Radio Frequency Identification ，缩写RFID）***通常包含RFID阅读器和一组RFID标签。RFID阅读器和标签通过无线方式完成通信，用于传输ID和数据，这些数据通常都存储在RFID芯片中的内嵌EEPROM上。RFID标签通常都是无源的，通过从RFID阅读器中发送的射频场获取所需的能量。由于RFID标签可获取的能量有限，且随着与RFID阅读器的距离增加而减小，所以尽量降低RFID标签的功耗就变得很重要，特别是对于UHF RFID***就更是如此。通常RFID标签工作在-20dBm甚至更低的功率下，工作电压通常为1V。
RFID标签通常采用EEPROM存储ID和数据，在EEPROM中，是通过给浮栅施为16V高压信号从而强制注入电荷而实现数据位的存储。电荷是通过量子穿隧效应转移到浮栅上的，当高压信号消失后，电荷仍会保留。这就使得晶体管处于“ON”状态，相反，当浮栅上没有电荷存在时处于“OFF”状态。
电荷泵通常是先给电容充电直至供电电平，然后交换电容两个终端，以使得在充电过程中处于接地电势的电容底端经过转换后处于供电电压电势，这样就使得另外一端处于两倍于供电电压电平。电容中的电荷然后可以转移到下一个电容，并重复上述过程。通过这样一系列的处理，就可以获得比输入电压高得多的电压信号。“迪克森”电荷泵是一种典型电荷泵结构，如图1所示，为分立元件实现方式，二极管1用来防止电荷通过反向漏电，一个双相时钟输出端2提供双向时钟信号用来交换电容用以通过低压端5的低压Vin产生高压端4的高压Vout。这种方案的主要缺点是电压转移效果受到二极管前向电压的限制。
图2为一种迪克森电荷泵用于集成电路的结构原理图，采用晶体管2连接成二极管的方式替代了原有二极管1的方式，和分立元件方式一样采用了双相时钟用于驱动电荷泵，其双相时钟信号如图3所示，该电路和分立元件一样，由于受到NMOS晶体管门限电压Vth的限制，电压转移效率并不十分理想。另外一个问题通常称为“衬底效应”，即CMOS晶体管的Vth电压信号随着源极和漏极之间的电压增加而增加。每增加一级，电荷泵的效率就比上一级更低。这种效应在升压的级数越多时就越明显。
图4为一种克服“衬底效应”的电荷泵电路，每个晶体管6的栅极电压通过额外的晶体管实现“自举”，自举晶体管增加了施加到主晶体管的电压，这时就需要一种非叠合四相时钟电路，其信号波形图如图5所示。即使采用了这种方式的自举电路，也很难从低于1.8V的电压信号产生编程所需的16V高压。因此，现在绝大部分RFID标签都只能实现读写的非对称操作，这是因为读操作通常需要1V左右的电压信号，而写则需要较高的电压，通常约1.5V。这就造成了读写操作距离的不对称，写距离通常只有读取距离的一半。
在静态情况下，在输出电压已经达到最大值并进入稳态后，电荷泵的消耗电流主要取决于负载值。电荷泵的输出阻抗，比如电流供电能力，主要取决于电荷泵的驱动时钟的频率。除尝试提高电荷泵的效率外，在改善电荷泵静态电流消耗方面并没有太多的改进余地。
然而，在电荷泵的初始充电阶段，消耗电流要比静态下高很多。初始的电流消耗是无源RFID标签芯片需要考虑的重点。无源RFID标签芯片从阅读器发射的电磁波中获取能量，入射信号电平可能非常低，通常需要使用射频电荷泵用来产生足够高的工作电压。电荷泵一般有很多级，导致输出电阻很高。此外，标签天线通常都调谐在高Q状态以匹配电荷泵的输入级。所有上述这些因素都会限制RFID输入级的提供较大电流的能力。此外，增加一个较大容量的解耦电容也会带来许多问题，如体积和成本增加等。所以，最大可能的降低EEPROM电荷泵的初始电流大小就变得极为重要，这也成为限制标签灵敏度和读取距离的最关键因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于RFID标签芯片的EEPROM电荷泵，在降低所需的供电电压的同时，最大限度降低峰值电流的消耗，从而提高标签芯片的灵敏度和读写距离。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是： 一种RFID EEPROM 电荷泵，包括第一级电荷泵和第二级电荷泵组成的两级电荷泵、电平转换器和时钟产生器，第一级电荷泵由芯片供电电压Vdd供电产生比供电电压Vdd高的低电压输出信号，第一级电荷泵输出端连接第二级电荷泵，第二级电荷泵由第一级电荷泵的输出电压Vo1供电产生EEPROM擦写所需的电压Vo2，时钟产生器的输出端连接第一级电荷泵，时钟产生器的输出端通过电平转换器连接第二级电荷泵产生第二级电荷泵所需的高压时钟，电平转换器连接第一级电荷泵的输出端，电平转换器由第一级电荷泵的输出电压Vo1供电。
所述时钟产生器包括至少一级时钟分频器、用以选择不同级分频器输出信号的多路复用器和用来控制多路复用器以选择不同的输出的计数器，分频器串联连接，主时钟仅连接第一级时钟分频器的输入端，第一级的输出作为第二级时钟分频器的输入；多路复用器连接主时钟和各级时钟分频器输出端，计数器连接主时钟和多路复用器。
所述时钟产生器为压控振荡器，通过增加电压信号增加输出信号的频率。
所述时钟产生器输出频率通过递进方式或连续方式增加产生。
所述时钟产生器输出为双相时钟信号、非重叠双相时钟信号或四相时钟信号。
所述第一级电荷泵为低压晶体管电路，采用低压本征NMOS晶体管。
所述第二级电荷泵为高压晶体管电路，采用高压本征NMOS晶体管。
所述第一级电荷泵和第二级电荷泵均采用迪克森电荷泵电路或带有衬底效应补偿电路的电荷泵。
所述芯片供电电压Vdd低于1.5V，EEPROM擦写所需的电压Vo2为16V。
本发明的RFID EEPROM 电荷泵，采用双级电荷泵来获得EEPROM擦写所需的电压，通过电平转换器获得第二级电荷泵所需的高压时钟，衬底效应不明显，可以集成到同时具有低压晶体管（如1.8V）和高压（如16V）半导体处理工艺流程的RFID芯片中，可以从较低电压产生EEPROM编程所需高压信号，同时还可以最大限度的降低峰值电流消耗，从而提高标签芯片的灵敏度和读写距离。
附图说明
图1 是分立元件组成的迪克森电荷泵原理图。
图2 是集成电路中的迪克森电荷泵原理图。
图3 是集成电路中的迪克森电荷泵的双相时钟图。
图4 带有衬底效应补偿电路的电荷泵原理图。
图5 带有衬底效应补偿电路的电荷泵的四相时钟图。
图6是本发明RFID EEPROM电荷泵原理图。
图7是本发明电平转换器的输入和输出信号波形图。
图8是本发明用于驱动电荷泵的时钟产生器原理图。
图9是本发明时钟产生器的输出波形图。
图10是电荷泵的电流消耗图。
图11电荷泵的输出电压波形图。
图中：1、二极管，2、双相时钟输出端，3、电容，4、高压输出端，5、低压输入端，6、晶体管。
具体实施方式
本发明的用于RFID芯片的电荷泵原理如图6所示，包括一个第一级电荷泵和第二级电荷泵组成的两级电荷泵，一个电平转换器和一个时钟产生器。本发明可以集成到同时具有低压晶体管（如1.8V）和高压（如16V）半导体处理工艺流程的RFID芯片中。
双级电荷泵的第一级由芯片供电电压Vdd供电，用以产生比Vdd高的电压输出信号，但同时也要足够低，从而该电荷泵可以全部采用低压晶体管电路实现。第一级电荷泵输出端连接第二级电荷泵，第二级电荷泵由第一级电荷泵的输出电压Vo1供电产生EEPROM擦写所需的电压Vo2，采用高压晶体管设计。芯片供电电压Vdd可以低于1.5V，最低可低至1V或更低。电荷泵的最终输出电压高达16V，也可根据采用的EEPROM技术所需适当变化。两级电荷泵可以采用迪克森电荷泵电路或带有衬底效应补偿电路的电荷泵，其中一个或两个也可以采用其它形式的电荷泵。
时钟产生器可由外部或内部主时钟晶振驱动，包括一级或多级时钟分频器、用以选择不同级分频器输出信号的多路复用器和用来控制多路复用器以选择不同的输出的计数器，不同的分频器可以以串接方式连接，这样主时钟仅连接到第一级时钟分频器的输入端，第一级的输出作为第二级的输入，并以此类推，下一级分频器的输出是上一级时钟频率的一半。时钟产生器还可有一个计数器用以记录不同的时间段，计数器可以用来控制多路复用器以选择不同的输出。比如，计数器第一阶段选择最后一个分频器的输出，第二阶段选择倒数第二个分频器的输出，依次类推，这样随着每一段时间增加，多路复用器的输出就增加或者加倍。
还可以通过其他方式用以产生电荷泵所需的渐增的时钟频率。晶体振荡器还可以是一个压控振荡器，通过增加电压信号用以增加输出信号的频率。
时钟产生器的输出可以是双相时钟，其中一个时钟相位是另一个的反转相位，也可以是非重叠双相时钟，也就是两个时钟相位不会同时为高。输出信号还可以是四相时钟，或者上述双级电荷泵需要的其它形式。时钟产生器可以全部由和芯片供电电压Vdd相同的低压逻辑电路实现。时钟产生器的输出可以直接连接到第一级电荷泵。时钟产生器的输出可通过电平转换器产生第二级电荷泵所需的高压时钟，该电平转换器可有第一级电荷泵的输出供电。时钟产生器输出频率通过递进方式或连续方式增加产生。时钟产生器输出为双相时钟信号、非重叠双相时钟信号或四相时钟信号。
具体实施例：
本发明的RFID EEPROM 电荷泵可用于半导体生产工艺中有低压（1.8V）、中压（3.3V）和高压（16V）晶体管的情形，RFID EEPROM 电荷泵包含一个时钟产生器、一个低压第一电荷泵级、一个高压第二电荷泵级和一个电平转换器。
第一级电荷泵的输入电压为Vdd，典型情况下为1V，也可以是更低电压。该级由时钟产生器生成的低压双相时钟驱动。第一级电荷泵的输出作为第二级电荷泵的输入Vo1，电压约3.3V。Vo1还给电平转换器供电，其输入是两个低电压双相时钟φL1 和 φL2 ，输出是两个和Vo1一致的中压双相时钟φH1 和 φH2 ，如图7所示。φH1 和 φH2 用来作为第二级电荷泵的时钟信号，第二级电荷泵的输出信号Vo2可以达到16V。
第一级电荷泵仅需要产生约3.3V电压，仅需4级升压电路，衬底效应不明显，可以采用图2所示通常的迪克森电荷泵结构，也可以使用低压（1.8V）本征 NMOS晶体管作为二极管来使用。
第二级电荷泵需要从3.3V升压到16V，由于本级时钟采用3.3V，所以仅需6级升压电路，同样衬底效应也不明显。可以采用图1所示的通常迪克森电荷泵结构，可以采用高压（16 V）本征 NMOS晶体管来作为二极管来使用。
图8为时钟产生器的原理图，时钟产生器包含两级分频器，即第一级时钟分频器和第二级时钟分频器，一个多路复用器和一个计数器，时钟产生器的输入时钟信号由内部或外部晶振产生，每一级分频器都将时钟信号频率除2，于是产生如图9所示的输出波形图a、输出波形图b、输出波形图c，计数器用来对三个时间段计数，在第一个时段，多路复用器选择选择波形图c作为输出,在第二个时间段，多路复用器选择选择波形图b作为输出,最后一个时间段，多路复用器选择选择波形图a作为输出,这样最终输出波形d就是逐级递增的频率。比如，当时钟输入是1MHz时，第一时段的输出就是250KHz，第二时间段的输出是500KHz，剩下的时段中，输出就是1MHz。
图10给出了电荷泵的电路消耗对比图。仅采用单一时钟频率的电荷泵电流消耗e，本发明的实际电流消耗f具有更低的峰值。图11给出了实际输出电压波形图g于单一频率时钟输出电压波形h对比图。图示波形表明输出电压几乎呈线性，而单一时钟频率信号设计将呈对数形式增加。由此可见，本发明的EEPROM电荷泵，在降低所需的供电电压的同时，最大限度降低峰值电流的消耗。
本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种RFID EEPROM 电荷泵，其特征在于：包括第一级电荷泵和第二级电荷泵组成的两级电荷泵、电平转换器和时钟产生器，第一级电荷泵由芯片供电电压（Vdd）供电产生比供电电压（Vdd）高的低电压输出信号，第一级电荷泵输出端连接第二级电荷泵，第二级电荷泵由第一级电荷泵的输出电压（Vo1）供电产生EEPROM擦写所需的电压（Vo2），时钟产生器的输出端连接第一级电荷泵，时钟产生器的输出端通过电平转换器连接第二级电荷泵产生第二级电荷泵所需的高压时钟，电平转换器连接第一级电荷泵的输出端，电平转换器由第一级电荷泵的输出电压（Vo1）供电。
2.根据权利要求1所述的一种RFID EEPROM 电荷泵，其特征在于：所述时钟产生器包括至少一级时钟分频器、用以选择不同级分频器输出信号的多路复用器和用来控制多路复用器以选择不同的输出的计数器，分频器串联连接，主时钟仅连接第一级时钟分频器的输入端，第一级的输出作为第二级时钟分频器的输入；多路复用器连接主时钟和各级时钟分频器输出端，计数器连接主时钟和多路复用器。
3.根据权利要求1所述的一种RFID EEPROM 电荷泵，其特征在于：所述时钟产生器为压控振荡器，通过增加电压信号增加输出信号的频率。
4.根据权利要求1所述的一种RFID EEPROM 电荷泵，其特征在于：所述时钟产生器输出频率通过递进方式或连续方式增加产生。
5.根据权利要求1所述的一种RFID EEPROM 电荷泵，其特征在于：所述时钟产生器输出为双相时钟信号、非重叠双相时钟信号或四相时钟信号。
6.根据权利要求1所述的一种RFID EEPROM 电荷泵，其特征在于：所述第一级电荷泵为低压晶体管电路，采用低压本征NMOS晶体管。
7.根据权利要求6所述的一种RFID EEPROM 电荷泵，其特征在于：所述第二级电荷泵为高压晶体管电路，采用高压本征NMOS晶体管。
8.根据权利要求7所述的一种RFID EEPROM 电荷泵，其特征在于：所述第一级电荷泵和第二级电荷泵均采用迪克森电荷泵电路或带有衬底效应补偿电路的电荷泵。
9.根据权利要求1所述的一种RFID EEPROM 电荷泵，其特征在于：所述芯片供电电压（Vdd）低于1.5V，EEPROM擦写所需的电压（Vo2）为16V。
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