CN106849706B - 一种ac-dc整流器单元及其应用电路 - Google Patents

一种ac-dc整流器单元及其应用电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种AC‑DC整流器单元及其应用电路，该整流器单元包括：第一整流单元，用于通过输入差分对整流对管将同相射频输入信号转换为直流输出电压；第二整流单元，用于通过输入差分对整流对管反相射频输入信号转换为直流输出电压；第一偏置电路单元，利用动态偏置电路为第二整流单元整流器对管提供偏置电压，消除差分整流对管的阈值损耗且保持较低的反向电流；第二偏置电路单元，利用动态偏置电路为第一整流单元整流器对管提供偏置电压，消除差分整流对管的阈值损耗且保持较低的反向电流；储能电容，用于滤除直流输出电压上的交流信号以得到稳定的直流输出电压，本发明实现了提高低功率输入条件下整流器单元AC‑DC转换效率的目的。

Description

一种AC-DC整流器单元及其应用电路
技术领域
本发明涉及一种AC-DC整流器，特别是涉及一种适用于超高频RFID的高效率AC-DC整流器单元及其应用电路。
背景技术
随着无源超高频RFID技术应用领域快速扩展，对超高频RFID标签芯片的灵敏度的要求越来越高。无源超高频RFID标签芯片工作所需的能量完全由标签芯片读写器所发射频信号提供，整流器电路的作用是将标签天线接收到的射频信号转换为标签芯片内部电路所能工作的直流功率，能量转换效率的高低直接影响到标签芯片的灵敏度。反向漏电流和正向导通电压是影响整流器能量转换效率的两个主要方面，因此降低反向漏电和正向导通电压是高效率整流器实现的关键。
采用特殊器件(如肖特基二极管、低阈值MOS管)或者电路设计来提升整流器效率是目前最常用手段，然而特殊器件往往会增加工艺复杂度，影响了 RFID的成本及应用。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种适用于超高频RFID的AC-DC整流器单元及其应用电路，以降低正向导通电压和反向漏电，提高低功率输入条件下整流器单元的效率。
为达上述及其它目的，本发明提出一种AC-DC整流器单元，适用于高频 RFID，包括：
第一整流单元，用于通过输入差分对整流对管将同相射频输入信号RF+转换为直流输出电压Vout；
第二整流单元，用于通过输入差分对整流对管反相射频输入信号RF-转换为直流输出电压Vout；
第一偏置电路单元，利用动态偏置电路为第二整流单元整流对管提供偏置电压，消除差分整流对管的阈值损耗且保持较低的反向电流；
第二偏置电路单元，利用动态偏置电路为第一整流单元整流对管提供偏置电压，消除差分整流对管的阈值损耗且保持较低的反向电流；
储能电容CL，用于滤除直流输出电压Vout上的交流信号以得到稳定的直流输出电压。
进一步地，该第一偏置电路单元包括第二PMOS管PM2L、第三PMOS管 PM3L、第二NMOS管NM2L、第三NMOS管NM3L，该第二PMOS管PM2L 与第二NMOS管NM2L分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout进行分压然后通过漏端相连漏级输出第一控制电压V1L，给该第二整流单元的整流对管中的PMOS管提供偏置，第三PMOS管PM3L与第三NMOS管NM3L分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout进行分压然后通过漏端相连输出输出第二控制电压V2L，给该第二整流单元的整流对管中的NMOS管提供偏置。
进一步地，该第一控制电压V1L与该第二控制电压V2L通过第一加速电容 C3L相连以加快电路AC-DC的转换速度。
进一步地，该第一偏置电路单元还包括第三耦合电容C2L,该第三耦合电容 C2L一端连接该同相射频输入信号RF+，另一端与第二NMOS管NM2L的栅极和漏极相连。
进一步地，该第二偏置电路单元包括第四PMOS管PM2R、第四NMOS管 NM2R、第五PMOS管PM3R、第五NMOS管NM3R，该第四PMOS管PM2R 与第四NMOS管NM2R分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout进行分压，然后通过漏端相连漏级输出第三控制电压V1R，给该第一整流单元的整流对管中的PMOS管提供偏置，第五PMOS管PM3R与第五NMOS管NM3R 分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout进行分压然后通过漏端相连输出第四控制电压V2R，给该第一整流单元的整流对管中的NMOS管提供偏置。
进一步地，该第三控制电压V1R与该第四 控制电压V2R通过第二加速电容 C3R相连以加快电路AC-DC的转换速度。
进一步地，该第二偏置电路单元还包括第四耦合电容C2R,该第四耦合电容 C2R一端连接该反相射频输入信号RF-，另一端与第四NMOS管NM2R的栅极和漏极相连。
进一步地，该第一整流单元包括第一PMOS管PM1L、第一NMOS管NM1L 该同相射频输入信号RF+连接至该第一耦合电容C1L的一端，该第一耦合电容 C1L的另一端连接至该第一PMOS管PM1L的源极和第一NMOS管NM1L的漏极，该第一PMOS管PM1L栅极接该第三控制电压V1R，该第一PMOS管 PM1L的漏极与该第二PMOS管PM2L的源极、第三PMOS管PM3L的源极、第四PMOS管PM2R的源极、第五PMOS管PM3R的源极以及储能电容CL的一端相连组成直流输出节点Vout，该第一NMOS管NM1L的栅极接该第四控制电压V2R,源极接地。
进一步地，该第二整流单元包括第六PMOS管PM1R、第六NMOS管NM1R 和第二耦合电容C1R，该反相射频输入信号RF-连接至该第二耦合电容C1R的一端，该第二耦合电容C1R的另一端连接至该第六PMOS管PM1R的源极和第六NMOS管NM1R的漏极，该第六PMOS管PM1R栅极接该第一控制电压V1L，该第六PMOS管PM1R的漏极与第一PMOS管PM1L的漏极、该第二PMOS管PM2L的源极、第三PMOS管PM3L的源极、第四PMOS管PM2R的源极、第五PMOS管PM3R的源极以及储能电容CL的一端相连组成直流输出节点 Vout，该第六NMOS管NM1R的栅极接该第二控制电压V2L,源极接地。
为达到上述目的，本发明还提供一种AC-DC整流器单元的应用电路，该电路包括多个AC-DC整流器单元，将各AC-DC整流器单元射频端口并联，同时将第i级的直流输出端口Vout连接至第i+1级的直流输入端口Vin，第一级单元的直流输入端口Vin接地。
与现有技术相比，本发明基于动态偏置技术实现了一种适用于超高频RFID 的AC-DC整流器单元及其应用电路，降低了正向导通电压和反向漏电，极大的提高了低功率输入条件下整理器单元的效率(仿真结果表明三级该整流器单元级连而成的整流器电路，输入功率-13dBm、负载50KΩ的条件下转换效率大于 50％)，对于提高超高频RFID电子标签的灵敏度和通信距离有显著作用。
附图说明
图1为本发明一种AC-DC整流器单元的电路结构图；
图2为本发明一种AC-DC整流器单元的应用电路的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种AC-DC整流器单元的电路结构图。如图1所示，本发明一种AC-DC整流器单元，适用于高频RFID，包括：第一整流单元10、第二整流单元20、第一偏置电路单元30、第二偏置电路单元40以及储能电容CL。
其中，第一整流单元10，用于利用输入差分对整流对管将同相射频输入信号RF+转换为直流输出Vout，在本发明具体实施例中，第一整流单元10包括组成输入差分对整流对管的PMOS管PM1L、NMOS管NM1L以及第一耦合电容 C1L；第二整流单元20，用于利用输入差分对整流对管将反相射频输入信号RF- 转换为直流输出Vout，在本发明具体实施例中，第二整流单元20包括组成输入差分对整流对管的PMOS管PM1R、NMOS管NM1R以及第二耦合电容C1R；第一偏置电路单元30通过动态偏置电路为第二整流单元20的整流对管提供偏置电压，以消除差分整流对管的阈值损耗且保持较低的反向电流，在本发明具体实施例中，第一偏置电路单元30由PMOS管PM2L、NMOS管NM2L、PMOS 管PM3L、NMOS管NM3L、第一加速电容C3L和第三耦合电容C2L组成，PMOS 管PM2L与NMOS管NM2L分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout 进行分压并在PMOS管PM2L与NMOS管NM2L的漏级输出第一控制电压V1L， PMOS管PM3L与NMOS管NM3L分别接成二极管形成分压电路，对直流输出 Vout进行分压并在PMOS管PM3L与NMOS管NM3L的漏级输出第二控制电压V2L，第一控制电压V1L与第二控制电压V2L通过电容C3L相连，第一控制电压V1L和第二控制电压V2L分别控制第二整流单元20的PMOS管PM1R、 NMOS管NM1R的通断以减小漏电并对第二耦合电容C1R进行充电；第二偏置电路单元40通过动态偏置电路为第一整流单元10的整流对管提供偏置电压，以消除差分整流对管的阈值损耗且保持较低的反向电流，在本发明具体实施例中，第二偏置电路单元40由PMOS管PM2R、NMOS管NM2R、PMOS管PM3R、 NMOS管NM3R、第二加速电容C3R和第四耦合电容C2R组成，PMOS管PM2R 与NMOS管NM2R分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout进行分压并在PMOS管PM2R与NMOS管NM2R的漏级输出第三控制电压V1R，PMOS 管PM3R与NMOS管NM3R分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout 进行分压并在PMOS管PM3R与NMOS管NM3R的漏级输出第四控制电压 V2R，第三控制电压V1R与第四控制电压V2R通过第二加速电容C3R相连，第三控制电压V1R和第四控制电压V2R去分别控制第一整流单元10的PMOS 管PM1L、NMOS管NM1L的通断以减小漏电并对第一耦合电容C1L进行充电；储能电容CL由多个MOS电容组成，用于滤除直流输出电压Vout上的交流信号以得到稳定的直流输出电压。在本发明具体实施例中，第一耦合电容C1L、第二耦合电容C1R起隔直流作用；第一加速电容C3L、第二加速电容C3R作用是加快电路AC-DC转换速度。
同相射频输入信号RF+连接至第一耦合电容C1L和第三耦合电容C2L的一端，反相射频输入信号RF-连接至第二耦合电容C1R和第四耦合电容C2R的一端，第一耦合电容C1L的另一端连接至PMOS管PM1L的源极和NMOS管NM1L 的漏极，第二耦合电容C1R的另一端连接至PMOS管PM1R的源极和NMOS 管NM1R的漏极，PMOS管PM1L的漏极与PMOS管PM1R的漏极、PMOS管PM2L的源极、PMOS管PM3L的源极、PMOS管PM2R的源极、PMOS管PM3R 的源极以及储能电容CL的一端相连组成直流输出节点Vout；第三耦合电容C2L 的另一端与NMOS管NM2L的栅极和漏极、PMOS管PM2L的栅极和漏极、第一加速电容C3L的一端以及PMOS管PM1R的栅极相连组成节点第一控制电压 V1L；第四耦合电容C2R的另一端与NMOS管NM2R的栅极和漏极、PMOS管PM2R的栅极和漏极、第二加速电容C3R的一端以及PMOS管PM1L的栅极相连组成节点第三控制电压V1R；第一加速电容C3L的另一端与NMOS管NM3L 的栅极和漏极、PMOS管PM3L的栅极和漏极、以及NMOS管NM1R的栅极相连组成节点第二控制电压V2L；第二加速电容C3R的另一端与NMOS管NM3R 的栅极和漏极、PMOS管PM3R的栅极和漏极、以及NMOS管NM1L的栅极相连组成节点第四控制电压V2R；NMOS管NM1L、NM2L、NM3L、NM1R、NM2R、 NM3R的源极和储能电容CL的另一端接地。
工作时，第一控制电压V1L、第二控制电压V2L、第三控制电压V1R、第四控制电压V2R由输出直流电压的分压与输入射频信号电压的分压组成，由于同相射频输入信号RF+与反相射频输入信号RF-是差分电压，当同相射频输入信号RF+处于峰值时，反相射频输入信号RF-处于谷值，此时PMOS管PM1L和 NMOS管NM1R打开，PMOS管PM1R和NMOS管NM1L断开，同相射频信号RF+通过PMOS管PM1L向储能电容CL充电，由于电容上的电压不能突变，反相射频信号RF-通过第四耦合电容C2R向第三控制电压V1R传递，PM1L栅极的偏置电压即第三控制电压V1R是输出直流电压分压加上一负交流电压(反相射频信号RF-处于谷值)，有效提升了PMOS管PM1L的导通角，降低了PMOS 管PM1L的开启电压，另一方面PMOS管PM1R的源极电压为负值(反相射频信号RF-处于谷值)，由于电容上的电压不能突变，同相射频信号RF+通过第二耦合电容C2L向第一控制电压V1L传递，PMOS管PM1R的栅极偏置电压即第一控制电压V1L为输出直流电压分压加上一正交流电压(同相射频信号RF+处于峰值)，有效降低了此时PMOS管PM1R的漏电流；同时，第二控制电压V2L 为输出直流电压分压加上一正交流电压(同相射频信号RF+处于峰值，并通过第二耦合电容C2L、第一加速电容C3L向第二控制电压V2L传递)，该电压使得NMOS管NM1R导通，第二耦合电容C1R被充电，第四控制电压V2R为输出直流电压分压加上一负交流电压(反相射频信号RF-处于谷值)，该电压使得 NMOS管NM1L截止，第一耦合电容C1L向储能电容CL放电。当反相射频信号RF-信号处于峰值时，同相射频信号RF+信号处于谷值，PMOS管PM1L与 PM1R的工作状态以及NMOS管NM1L与NM1R的工作状态与上述电路相反。
可见，本发明之适用于超高频RFID的AC-DC整流器单元通过动态偏置电路有效降低了正向导通电压和反向漏电，提高了整流器单元电路低输入功率下的AC-DC转换效率。
图2为本发明一种AC-DC整流器单元的应用电路的结构示意图。也就是说，本发明之AC-DC整流器单元作为一个整体单元N级联形成应用电路，如图2 所示，应用时将各AC-DC整流器单元的接地作为直流输入端口Vin，具体是将射频端口并联，即RF+连接在一起而RF-连接在一起，同时将第i级的直流输出端口Vout连接至第i+1级的直流输入端口Vin(i＝1，……，N-1)，第一级单元的直流输入端口Vin接地，各级单元的参数可能不同。
综上所述，本发明基于动态偏置技术实现了一种适用于超高频RFID的 AC-DC整流器单元及其应用电路，降低了正向导通电压和反向漏电，极大的提高了低功率输入条件下整理器单元的效率(仿真结果表明三级该整流器单元级连而成的整流器电路，输入功率-13dBm、负载50KΩ的条件下转换效率大于 50％)，对于提高超高频RFID电子标签的灵敏度和通信距离有显著作用。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (9)

1.一种AC-DC整流器单元，适用于超高频RFID，包括：
第一整流单元，用于通过输入差分对整流对管将同相射频输入信号RF+转换为直流输出电压Vout；
第二整流单元，用于通过输入差分对整流对管反相射频输入信号RF-转换为直流输出电压Vout；
第一偏置电路单元，利用动态偏置电路为第二整流单元整流器对管提供偏置电压，消除差分整流对管的阈值损耗且保持较低的反向电流,该第一偏置电路单元包括第二PMOS管PM2L、第三PMOS管PM3L、第二NMOS管NM2L、第三NMOS管NM3L，该第二PMOS管PM2L与第二NMOS管NM2L分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout进行分压然后通过漏端相连漏级输出第一控制电压V1L，给该第二整流单元的整流对管中的PMOS管提供偏置，第三PMOS管PM3L与第三NMOS管NM3L分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout进行分压然后通过漏端相连输出第二控制电压V2L，给该第二整流单元的整流对管中的NMOS管提供偏置；
第二偏置电路单元，利用动态偏置电路为第一整流单元整流器对管提供偏置电压，消除差分整流对管的阈值损耗且保持较低的反向电流；
储能电容CL，用于滤除直流输出电压Vout上的交流信号以得到稳定的直流输出电压。
2.如权利要求1所述AC-DC整流器单元，其特征在于：该第一控制电压V1L与该第二控制电压V2L通过第一加速电容C3L相连以加快电路AC-DC的转换速度。
3.如权利要求1所述的AC-DC整流器单元，其特征在于：该第一偏置电路单元还包括第三耦合电容C2L,该第三耦合电容C2L一端连接该同相射频输入信号RF+，另一端与第二NMOS管NM2L的栅极和漏极相连。
4.如权利要求1所述的AC-DC整流器单元，其特征在于：该第二偏置电路单元包括第四PMOS管PM2R、第四NMOS管NM2R、第五PMOS管PM3R、第五NMOS管NM3R，该第四PMOS管PM2R与第四NMOS管NM2R分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout进行分压，然后通过漏端相连漏级输出第三控制电压V1R，给该第一整流单元的整流对管中的PMOS管提供偏置，第五PMOS管PM3R与第五NMOS管NM3R分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout进行分压然后通过漏端相连输出第四控制电压V2R，给该第一整流单元的整流对管中的NMOS管提供偏置。
5.如权利要求4所述的一种AC-DC整流器单元，其特征在于：该第三控制电压V1R与该第四 控制电压V2R通过第二加速电容C3R相连以加快电路AC-DC的转换速度。
6.如权利要求5所述的AC-DC整流器单元，其特征在于：该第二偏置电路单元还包括第四耦合电容C2R,该第四耦合电容C2R一端连接该反相射频输入信号RF-，另一端与第四NMOS管NM2R的栅极和漏极相连。
7.如权利要求5所述的AC-DC整流器单元，其特征在于：该第一整流单元包括第一PMOS管PM1L、第一NMOS管NM1L以及第一耦合电容C1L，该同相射频输入信号RF+连接至该第一耦合电容C1L的一端，该第一耦合电容C1L的另一端连接至该第一PMOS管PM1L的源极和第一NMOS管NM1L的漏极，该第一PMOS管PM1L栅极接该第三控制电压V1R，该第一PMOS管PM1L的漏极与该第二PMOS管PM2L的源极、第三PMOS管PM3L的源极、第四PMOS 管PM2R的源极、第五PMOS管PM3R的源极以及储能电容CL的一端相连组成直流输出节点Vout，该第一NMOS管NM1L的栅极接该第四控制电压V2R,源极接地。
8.如权利要求7所述的一种AC-DC整流器单元，其特征在于：该第二整流单元包括第六PMOS管PM1R、第六NMOS管NM1R和第二耦合电容C1R，该反相射频输入信号RF-连接至该第二耦合电容C1R的一端，该第二耦合电容C1R的另一端连接至该第六PMOS管PM1R的源极和第六NMOS管NM1R的漏极，该第六PMOS管PM1R栅极接该第一控制电压V1L，该第六PMOS管PM1R的漏极与第一PMOS管PM1L的漏极、该第二PMOS管PM2L的源极、第三PMOS管PM3L的源极、第四PMOS管PM2R的源极、第五PMOS管PM3R的源极以及储能电容CL的一端相连组成直流输出节点Vout，该第六NMOS管NM1R的栅极接该第二控制电压V2L,源极接地。
9.一种AC-DC整流器单元的应用电路，其特征在于，该电路包括多个AC-DC整流器单元，将各AC-DC整流器单元射频端口并联，同时将第i级的直流输出端口Vout连接至第i+1级的直流输入端口Vin，第一级单元的直流输入端口Vin接地，各AC-DC整流器单元包括：
第一整流单元，用于通过输入差分对整流对管将同相射频输入信号RF+转换为直流输出电压Vout；
第二整流单元，用于通过输入差分对整流对管反相射频输入信号RF-转换为直流输出电压Vout；
第一偏置电路单元，利用动态偏置电路为第二整流单元整流器对管提供偏置电压，消除差分整流对管的阈值损耗且保持较低的反向电流,该第一偏置电路单元包括第二PMOS管PM2L、第三PMOS管PM3L、第二NMOS管NM2L、第三NMOS管NM3L，该第二PMOS管PM2L与第二NMOS管NM2L分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout进行分压然后通过漏端相连漏级输出第一控制电压V1L，给该第二整流单元的整流对管中的PMOS管提供偏置，第三PMOS管PM3L与第三NMOS管NM3L分别接成二极管形成分压电路，对直流输出Vout进行分压然后通过漏端相连输出第二控制电压V2L，给该第二整流单元的整流对管中的NMOS管提供偏置；
第二偏置电路单元，利用动态偏置电路为第一整流单元整流器对管提供偏置电压，消除差分整流对管的阈值损耗且保持较低的反向电流；
储能电容CL，用于滤除直流输出电压Vout上的交流信号以得到稳定的直流输出电压。
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