CN104796017A - 一种频率自适应射频能量整流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种频率自适应射频能量整流器，包括匹配网络模块、N级交叉耦合主整流器、N级辅助整流器相连接，N级交叉耦合主整流器与模拟放大器相连接，模拟放大器的信号输出端与高速比较器的负极输入端相连接，N级辅助整流器的输出端与电阻R1的一端相连接，电阻R1的另一端与二极管D1的负极相连接且两者的连接点连接晶体管M1的栅极，二极管D1的正极与晶体管M1的源极短接并接入地，晶体管M1的漏极连接高速比较器的正极输入端，高速比较器的输出端与匹配网络模块中的可变电容相连接，高速比较器还与参考电压产生器相连接。上述技术方案可有效稳定射频整流器的射频-直流转换性能，可广泛应用于宽频带的射频能量收集应用场合。

Description

一种频率自适应射频能量整流器

技术领域

本发明涉及电流转换设备领域，具体涉及一种频率自适应射频能量整流器。

背景技术

先前的传统射频能量整流器，无论是有源整流器(ARC)、电压采样有源整流(VAR)，还是多级Dickson电荷泵整流器，其均无频率自适应功能。对于宽频带射频能量收集应用场合，如体域网(WBAN)，WiFi等，需对频率范围为350MHz至3GHz的射频能量进行收集，而射频信号频率的变化会使得整流器的性能发生较大的变化，造成射频-直流转换的不稳定。由传统射频能量整流器获得的直流电压的不稳定，会直接影响通讯节点中器件的正常工作。因此，自适应匹配电路已成为当前射频整流器所急需的功能模块。

发明内容

本发明的目的就是提供一种频率自适应射频能量整流器，其可有效解决上述问题，稳定射频整流器的射频-直流转换性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案进行实施：

一种频率自适应射频能量整流器，其特征在于：包括与射频能量信号输入端相连接的匹配网络模块以及与直流电压输出端相连接的N级交叉耦合主整流器；匹配网络模块的输出端分两路分别与N级交叉耦合主整流器和N级辅助整流器相连接，N级交叉耦合主整流器的两路输出信号端分别与模拟放大器的正、负极输入端相连接，模拟放大器的信号输出端与高速比较器的负极输入端相连接，N级辅助整流器的输出端与电阻R1的一端相连接，电阻R1的另一端与二极管D1的负极相连接且两者的连接点连接晶体管M1的栅极，二极管D1的正极与晶体管M1的源极短接并接入地，晶体管M1的漏极连接高速比较器的正极输入端，高速比较器的输出端与匹配网络模块中的可变电容相连接，高速比较器还与参考电压产生器相连接。

上述技术方案在传统整流器结构基础上，增加了频率自适应匹配网络电路模块，该模块采用负反馈结构，通过实时监测当前射频输入信号下的射频-直流转换性能，产生负反馈调谐信号来调节匹配网络中的可变电容值，从而使得输入射频信号达到最优频率匹配，最终稳定射频整流器的射频-直流转换性能。该技术可广泛应用于宽频带的射频能量收集应用场合。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为N级交叉耦合主整流器的电路结构原理图；

图3为N级辅助整流器的电路结构原理图；

图4为模拟放大器的电路结构原理图；

图5为参考电压产生器的电路结构原理图；

图6为运算放大器的电路结构原理图；

图7为高速比较器的电路结构原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

本发明采取的技术方案如图1所示，一种频率自适应射频能量整流器，包括与射频能量信号输入端相连接的匹配网络模块以及与直流电压输出端相连接的N级交叉耦合主整流器；匹配网络模块的输出端分两路分别与N级交叉耦合主整流器和N级辅助整流器相连接，N级交叉耦合主整流器的两路输出信号端分别与模拟放大器的正、负极输入端相连接，模拟放大器的信号输出端与高速比较器的负极输入端相连接，N级辅助整流器的输出端与电阻R1的一端相连接，电阻R1的另一端与二极管D1的负极相连接且两者的连接点连接晶体管M1的栅极，二极管D1的正极与晶体管M1的源极短接并接入地，晶体管M1的漏极连接高速比较器的正极输入端，高速比较器的输出端与匹配网络模块中的可变电容相连接，高速比较器还与参考电压产生器相连接。RF_INPUT为射频能量信号输入端，VDC为直流电压输出端；射频能量输入信号从RF_INUPT输入后，进入匹配网络模块中，经过匹配后的信号进入N级交叉耦合主整流器进行射频-直流转换；模拟放大器、高速比较器、N级辅助整流器，参考电压产生器、电阻R1、二极管D1和晶体管M1构成自适应网络，实现匹配网络的调节，参考电压产生器为高速比较器提供参考电平。

详细的技术方案为：

N级交叉耦合主整流器由若干依次连接的主整流单元节构成，主整流单元节包括第一、二、四晶体管，第一晶体管(M1A、M1B……M1N)的漏极和第二晶体管(M2A、M2B……M2N)的漏极短接并分三路分别连接第三电容(C3A、C3B……C3N)的一端、第四晶体管(M4A、M4B……M4N)的栅极以及第二电容(C2A、C2B……C2N)的一端，第四晶体管的漏极和第五晶体管(M5A、M5B……M5N)的漏极短接并分三路分别连接第四电容(C4A、C4B……C4N)的一端、第一晶体管的栅极和第二电容的一端，第一晶体管的源极和衬底短接并与第四晶体管的源极和衬底连接并将该连接点记为B连接点；第二晶体管的源极与第三晶体管(M3A、M3B……M3N)的源极短接并将该短接点记为A连接点，A连接点分别连接第二、三晶体管的衬底和第五、六晶体管的源极以及衬底，第三晶体管的栅极和漏极短接并连接第二晶体管的栅极和第一电容(C1A、C1B……C1N)的一端；第六晶体管(M6A、M6B……M6N)的栅极和漏极短接并连接第五晶体管的栅极和第二电容的一端；第三电容的另一端连接匹配网络模块的输出端，第四电容的另一端接地，下一主整流单元节中的B连接点与上一主整流单元节中A连接点相连接，尾部主整流单元节中A连接点与直流电压输出端VDC短接，同时连接负载电容CL的一端，电容CL的另一端接地；电阻RDET与电阻RL串联连接且串联后一端连接输入信号端INPUT、另一端接入地；输入信号端INPUT端口同时作为输出检测电压正极端，电阻RDET和RL的短接点处连接输出检测电压负极。

具体的实施方案如图2所示，INPUT为输入信号端，VOUT+和VOUT-分别为正、负输出端，VDC为直流电压输出端；晶体管M1A的漏极和晶体管M2A的漏极短接，并分三路分别连接电容C3A的一端、晶体管M4A的栅极和电容C2A的一端，晶体管M4A的漏极和晶体管M5A的漏极短接，并分三路分别连接电容C4A的一端、晶体管M1A的栅极和电容C1A的一端，晶体管M1A的源极和衬底短接，并与晶体管M4A的源极和衬底连接；晶体管M2A的源极与晶体管M3A的源极短接，并连接晶体管M2A、M3A的衬底，短接点连接晶体管M5A、M6A的源极、晶体管M5A、M6A的衬底，并作为与下一级的连接端口；晶体管M3A的栅极和漏极短接，并连接晶体管M2A的栅极和电容C1A的一端；晶体管M6A的栅极和漏极短接，并连接晶体管M5A的栅极和电容C2A的一端；电容C3A的另一端连接输入信号端INPUT，电容C4A的另一端接入地；依此规律，随后的各级均按此连接关系连接，直至第N级整流级：晶体管M1N的漏极和晶体管M2N的漏极短接，并分三路分别连接电容C3N的一端、晶体管M4N的栅极和电容C2N的一端，晶体管M4N的漏极和晶体管M5N的漏极短接，并分三路分别连接电容C4N的一端、晶体管M1N的栅极和电容C1N的一端，晶体管M1N的源极和衬底短接，并与晶体管M4N的源极和衬底连接；晶体管M2N的源极与晶体管M3N的源极短接，并连接晶体管M2N、M3N的衬底，短接点连接晶体管M5N、M6N的源极、晶体管M5N、M6N的衬底，并作为与下一级的连接端口；晶体管M3N的栅极和漏极短接，并连接晶体管M2N的栅极和电容C1N的一端；晶体管M6N的栅极和漏极短接，并连接晶体管M5N的栅极和电容C2N的一端；电容C3N的另一端连接输入信号端INPUT，电容C4N的另一端接入地；电阻RDET为检测电阻，其与电阻RL串联连接，串联后一端连接输入信号端INPUT，另一端接入地，INPUT端口同时作为输出检测电压正极端，电阻RDET和RL的短接点处连接输出检测电压负极；晶体管M3N的衬底和晶体管M6N的短接点与直流电压输出端VDC短接，同时连接负载电容CL的一端，电容CL的另一端接入地。

N级辅助整流器由若干依次连接的辅助整流单元节构成，辅助整流单元节包括第七、八晶体管，第七晶体管(M1a、M1b……M1n)的衬底和源极短接并连接第九晶体管(M3a、M3b……M3n)的衬底和源极，第八晶体管(M2a、M2b……M2n)的衬底和源极短接并连接第十晶体管(M4a、M4b……M4n)的衬底和源极，第七、八晶体管的源极短接并连接第五电容的一端和第九、十晶体管的栅极，第七、八晶体管的栅极短接并分别连接第九、十晶体管的漏极以及第六电容的一端，第五电容(C1a、C1b……C1n)的另一端连接匹配网络模块的输出端，第六电容(C2a、C2b……C2n)的另一端接地，下一辅助整流单元节中的第七、九晶体管的漏极短接连接点与上一辅助整流单元节中第八、十晶体管的漏极短接连接点相连接，尾部辅助整流单元节中第八、十晶体管的漏极短接连接点与信号输出端口OUTPUT相连接。

具体的实施方案如图3所示，INPUT为输入信号端，OUTPUT为输出信号端；晶体管M1a的衬底和源极短接，并连接晶体管M3a的衬底和源极，晶体管M2a的衬底和源极短接，并连接晶体管M4a的衬底和源极，晶体管M1a、M2a的源极短接，并连接电容C1a的一端和晶体管M3a、M4a的栅极，晶体管M1a、M2a的栅极短接，并连接晶体管M3a的漏极、M4a的漏极和电容C2a的一端，电容C1a的另一端连接输入端口INPUT，电容C2a的另一端接入地GND，晶体管M2a的漏极和晶体管M3a的漏极短接点连接下一级；随后各级均依此连接方式连接，直至第N级整流单元:晶体管M1n的衬底和源极短接，并连接晶体管M3n的衬底和源极，晶体管M2n的衬底和源极短接，并连接晶体管M4n的衬底和源极，晶体管M1n、M2n的源极短接，并连接电容C1n的一端和晶体管M3n、M4n的栅极，晶体管M1n、M2n的栅极短接，并连接晶体管M3n的漏极、M4n的漏极和电容C2n的一端，电容C1n的另一端连接输入端口INPUT，电容C2n的另一端接入地GND，晶体管M2n的漏极和晶体管M3n的漏极短接点连接输出端口OUTPUT；

图4为模拟放大器的电路结构原理图；VINP和VINN分别为运算放大器的正、负输入端，VOUT为运算放大器的输出端；电源电压VDD分五路分别连接晶体管M2、M3、M4、M5和M6的源极，晶体管M2的栅极和漏极短接，并连接晶体管M3、M4的栅极和电流源Ibias的输入端，电流源Ibias的输出端接入地GND；晶体管M3的漏极连接晶体管M7的漏极和栅极，以及晶体管M10、M11的栅极；晶体管M7的源极连接晶体管M12的栅极和漏极以及晶体管M14、M15的栅极；晶体管M12的源极连接晶体管M13的漏极和栅极以及晶体管M16、M17的栅极，晶体管M13的源极接入地；晶体管M4的漏极分两路分别连接晶体管M8、M9的源极，晶体管M8的漏极连接晶体管M14的源极和晶体管M16的漏极，晶体管M8的栅极连接正极信号输入端VINP，晶体管M9的栅极连接正极信号输入端VINN，晶体管M5的栅极与漏极短接，并连接晶体管M6的栅极和晶体管M10的源极，晶体管M10的漏极连接晶体管M14的漏极；晶体管M6的漏极连接晶体管M11的源极，晶体管M11的漏极连接晶体管M15的漏极，短接点作为运算放大器的输出端VOUT；晶体管M16、M17的源极均接入地GND；

图5为参考电压产生器的电路结构原理图；VREF为参考电压产生器的输出信号，电源电压VDD分三路分别连接晶体管M18、M19和M20的源极，运算放大器OPA的输出端连接晶体管M18、M19和M20的栅极，晶体管M18的漏极分三路分别连接电阻R1的一端、双极型晶体管Q1的集电极和基极，双极型晶体管Q1的发射极接入地GND；晶体管M19的漏极分三路分别连接运算放大器OPA的负极输入端、电阻R2的一端和电阻R3的一端；电阻R2的另一端连接双极型晶体管Q2的集电极和基极，双极型晶体管Q2的发射极接入地GND；电阻R3的另一端接入地GND；晶体管M20的漏极连接电阻R4的一端，短接点作为参考电平产生器11的输出端VREF，电阻R4的另一端接入地GND；

图6为运算放大器的电路结构原理图；VINP和VINN分别为运算放大器的正、负输入端，VOUT为运算放大器的输出端，VB2为外部电路提供的偏置电压；电源电压VDD从晶体管M21的源极进入，晶体管M21的栅极连接偏置端口VB2；晶体管M21的漏极分两路分别连接晶体管M22、M23的源极，晶体管M22和M23的栅极分别连接VINP和VINN，晶体管M24的漏极和栅极短接，并连接晶体管M22的漏极和晶体管M25的栅极，晶体管M23和M25的漏极短接，短接点与输出端VOUT连接，晶体管M24、M25的源极接入地GND；

图7为高速比较器的电路结构原理图。VIN+和VIN-分别为比较器的正、负输入端，VOUT为运算放大器的输出端，VB1为外部电路提供的偏置电压；电源电压VDD分四路分别连接晶体管M26、M27、M28和M29的源极，晶体管M27的栅极与漏极短接，并分两路分别连接晶体管M26的栅极和晶体管M30的漏极；晶体管M28的栅极与漏极短接，并分两路分别连接晶体管M29的栅极和晶体管M31的漏极；正极输入端VIN+接入晶体管M30的栅极，负极输入端VIN-接入晶体管M31的栅极，晶体管M30和M31的源极短接，并连接晶体管M32的漏端，偏置电压VB1连接晶体管M32的栅极，晶体管M32的源极接入地GND；晶体管M33的栅极与漏极短接，并连接晶体管M26的漏极和晶体管M34的栅极，晶体管M29的漏极和晶体管M34的漏极短接，短接点连接输出电压端VOUT，晶体管M33、M34的源极均接入地GND。

总之，本发明提供的频率自适应射频能量整流器可有效稳定射频整流器的射频-直流转换性能，可广泛应用于宽频带的射频能量收集应用场合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种频率自适应射频能量整流器，其特征在于：包括与射频能量信号输入端相连接的匹配网络模块以及与直流电压输出端相连接的N级交叉耦合主整流器；匹配网络模块的输出端分两路分别与N级交叉耦合主整流器和N级辅助整流器相连接，N级交叉耦合主整流器的两路输出信号端分别与模拟放大器的正、负极输入端相连接，模拟放大器的信号输出端与高速比较器的负极输入端相连接，N级辅助整流器的输出端与电阻R1的一端相连接，电阻R1的另一端与二极管D1的负极相连接且两者的连接点连接晶体管M1的栅极，二极管D1的正极与晶体管M1的源极短接并接入地，晶体管M1的漏极连接高速比较器的正极输入端，高速比较器的输出端与匹配网络模块中的可变电容相连接，高速比较器还与参考电压产生器相连接。

2.根据权利要求1所述的频率自适应射频能量整流器，其特征在于：N级辅助整流器由若干依次连接的辅助整流单元节构成，辅助整流单元节包括第七、八晶体管，第七晶体管的衬底和源极短接并连接第九晶体管的衬底和源极，第八晶体管的衬底和源极短接并连接第十晶体管的衬底和源极，第七、八晶体管的源极短接并连接第五电容的一端和第九、十晶体管的栅极，第七、八晶体管的栅极短接并分别连接第九、十晶体管的漏极以及第六电容的一端，第五电容的另一端连接匹配网络模块的输出端，第六电容的另一端接地，下一辅助整流单元节中的第七、九晶体管的漏极短接连接点与上一辅助整流单元节中第八、十晶体管的漏极短接连接点相连接，尾部辅助整流单元节中第八、十晶体管的漏极短接连接点与信号输出端口OUTPUT相连接。

3.根据权利要求1或2所述的频率自适应射频能量整流器，其特征在于：包括运算放大器的正、负极信号输入端VINP、VINN，信号输出端VOUT以及电源电压VDD，电源电压VDD分五路分别连接晶体管M2、M3、M4、M5和M6的源极，晶体管M2的栅极和漏极短接并分别连接晶体管M3、M4的栅极和电流源Ibias的输入端，电流源Ibias的输出端接地；晶体管M3的漏极分别连接晶体管M7的漏极、栅极以及晶体管M10、M11的栅极；晶体管M7的源极连接晶体管M12的栅极、漏极以及晶体管M14、M15的栅极；晶体管M12的源极连接晶体管M13的漏极、栅极以及晶体管M16、M17的栅极，晶体管M13的源极接地；晶体管M4的漏极分两路分别连接晶体管M8、M9的源极，晶体管M8的漏极分别连接晶体管M14的源极和晶体管M16的漏极，晶体管M8的栅极连接正极信号输入端VINP，晶体管M9的栅极连接负极信号输入端VINN，晶体管M5的栅极与漏极短接并分别连接晶体管M6的栅极和晶体管M10的源极，晶体管M10的漏极连接晶体管M14的漏极；晶体管M6的漏极连接晶体管M11的源极，晶体管M11的漏极连接晶体管M15的漏极且接点作为运算放大器的输出端VOUT；晶体管M16、M17的源极均接地。

4.根据权利要求3所述的频率自适应射频能量整流器，其特征在于：高速比较器包括正、负极输入端VIN+、VIN-以及电源电压VDD，电源电压VDD分四路分别连接晶体管M26、M27、M28和M29的源极，晶体管M27的栅极与漏极短接并分两路分别连接晶体管M26的栅极和晶体管M30的漏极；晶体管M28的栅极与漏极短接并分两路分别连接晶体管M29的栅极和晶体管M31的漏极；正极输入端VIN+接入晶体管M30的栅极，负极输入端VIN-接入晶体管M31的栅极，晶体管M30和M31的源极短接并连接晶体管M32的漏端，晶体管M32的栅极与外部电路提供的偏置电压VB1相连接；晶体管M32的源极接地；晶体管M33的栅极与漏极短接并连接晶体管M26的漏极和晶体管M34的栅极，晶体管M29的漏极和晶体管M34的漏极短接且短接点连接输出电压端VOUT，晶体管M33、M34的源极均接地。