電荷泵的次級單元的製作方法

2023-06-20 13:18:41 3

專利名稱：電荷泵的次級單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電荷泵的次級單元領域，並且涉及一種包括次級單元的電荷泵。
背景技術：
電荷泵是一種通過一連串電容器對電荷進行泵浦的電路。所述電容器通過控制開 關互連，以產生比所述電路的電源電壓更高或更低的輸出電壓。電荷泵廣泛應用於存儲器 和功率管理集成電路(IC)。電荷泵電路也用於無源射頻識別(RFID)標籤，其中首先將通過 收發機接收到的AC電壓轉換為DC電壓並且然後將其放大到所需電平。在RFID標籤中使用的一種已知類型的電荷泵電路是迪克森(Dickson)電荷泵，所 述迪克森電荷泵使用串聯二極體用於電荷轉移，使用電容器用於電荷存儲。在現有已公開文獻中和說明書的任何背景技術中的列舉和討論不應該必然地看 作是對所述文獻或背景技術是現有技術或者公知常識的一部分的承認。

發明內容
根據本發明的第一方面，提出了一種用於具有第一和第二操作階段的電荷泵的次 級單元，所述次級單元包括dc輸入管腳；dc輸出管腳；第一 rf輸入管腳，配置用於接收第一差分信號；第二 rf輸入管腳，配置用於接收第二差分信號；第一電晶體，具有第一、第二和第三端子，其中在該電晶體的第一和第二端子之間 提供電流溝道；以及第二電晶體，具有第一、第二和第三端子，其中在該電晶體的第一和第二端子之間 提供電流溝道；其中所述第一電晶體的第一端子與所述dc輸入管腳相連，所述第一電晶體的第 二端子與所述第二電晶體的第一端子相連，以及所述第二電晶體的第二端子與所述dc輸 出管腳相連；其中所述第一 rf輸入管腳與所述第一電晶體的第二端子以及所述第二電晶體的 第一端子相連，使得在所述第二操作階段期間，所述第二電晶體的電流溝道傳導在所述第 一 rf輸入管腳處接收的信令，以及在所述第一操作階段期間，所述第一電晶體的電流溝道 傳導在所述第一 rf輸入管腳處接收的信令，所述次級單元還包括第一偏置電壓源和第二偏置電壓源；其中所述第一電晶體的第三端子配置用於從所述第二 rf輸入管腳接收第二差分 信號以及從所述第一偏置電壓源接收第一偏移電壓信號；以及所述第二電晶體的第三端子配置用於從所述第二 rf輸入管腳接收第二差分信號 以及從所述第二偏置電壓源接收第二偏移電壓信號。
這種次級單元可以使得能夠提供有效的電荷泵浦，即通過利用所述第一和第二偏 移電壓信號來有效地降低由所述差分信號所經歷的所述電晶體的閾值電壓，使得在滿足所 述電晶體的閾值電壓時浪費掉了由所述差分信號向所述電晶體的第三/控制端子提供的 少量電壓，並且使得在電流溝道正向偏置的較大比例時間，可以「導通」所述電流溝道。可以認為是當電晶體的電流溝道正向偏置時所述電晶體的有效閾值電壓減小，使 得在所述電晶體兩端降低減小的電壓，以便準備所述電流溝道的傳導，並且當電晶體的電 流溝道反向偏置時，可以增加所述第三/控制端子處經歷的最小電壓，以便減小所述晶體 管的任何洩露電流。這可以減小由所述電晶體浪費掉的能量。因為第二差分信號可以提供適於將所述電晶體導通所需次數的信令，並且所述偏 移電壓信號適用於調節電晶體的有效閾值電壓以改進所述電荷泵的效率，差分輸入信號的 利用是有利的。可以將所述第一和/或第二電晶體的第三端子看作是所述電晶體的控制端子，例 如所述電晶體的柵極或者基極端子。可以將在所述第一電晶體的第三端子處接收到的信號 看作是第一電流溝道控制信號，以及可以將所述第二電晶體的第三端子處接收到的信號看 作是第二電流溝道控制信號。應該理解的是當電晶體的第三/控制端子處的電壓超過閾值電壓時，所述電晶體 的電流溝道可以傳導信令，以及當所述電晶體的第三控制端子處的電壓小於所述閾值電壓 時，所述電晶體的電流溝道實質上不傳導信令。所述第一和/或第二偏置電壓源可以是dc電壓源。所述第一和/或第二偏移電 壓信號可以是實質上恆定的dc信號。所述第一和/或第二偏置電壓源可以是電荷泵，並且 可以稱作是輔助電荷泵。由所述第一和第二偏置電壓源產生的第一和第二偏移電壓信號可 以包括波紋電壓分量。所述第一偏置電壓源可以配置用於提供具有小於所述第一電晶體閾值的實質上 恆定值的第一偏移電壓信號。所述第二偏置電壓源可以配置用於提供具有小於所述第二晶 體管閾值的實質上恆定值的第二偏移電壓信號。所述第一和/或第二偏移電壓信號可以具有小於其相關聯的電晶體的閾值電壓 的恆定值。所述偏移電壓信號的恆定值可以正好小於所述閾值電壓。例如，對於具有0.6V 閾值電壓的電晶體，所述相關聯的偏移電壓信號可以具有0. 5V的值。可以選擇所述偏移電壓信號的值，使得當所述第二差分信號小於零時，所述偏移 電壓信號和所述第二差分rf信號的和小於所述閾值電壓，並且使得至少在所述第二差分 信號大於零的一段時間，可選地在所述第二差分信號大於零的大多數時間，所述偏移電壓 信號和所述第二差分信號的和大於所述閾值電壓。在一些實施例中，當所述電流溝道正向 偏置時，可以選擇所述偏移電壓信號的值，以便增加和/或最大化超過所述閾值電壓的時 間的比例。可以將這裡描述的一個或多個實施例看作是在適當的操作階段期間增加所述電 流溝道傳導的時間量。電荷泵的級可以包括上述的第一次級單元以及具有與所述第一次級單元類似部 件的第二次級單元，而所述第二次級單元的第一 rf輸入管腳配置用於接收所述第二差分 信號，以及所述第二次級單元的第二 rf輸入管腳配置用於接收所述第一差分信號。
對於這種第二級，所述第一差分信號可以提供所要求的信令，或者至少提供當晶 體管電流溝道傳導第二差分信號時超過所述電晶體閾值電壓的信令。應該理解的是依賴於所使用電晶體的類型，電晶體在其集電極和發射極之間或者 在其源極和漏極之間具有電流溝道。如本領域已知的，所述電流溝道可以處於正向偏置，從 而所述電流溝道可以傳導，或者所述電流溝道可以處於反向偏置，從而所述電流溝道不會 顯著地傳導。在一些實施例中，可以將電晶體的電流溝道看作是具有根據在所述電晶體的 基極/柵極端子處接收到的信號可控的閾值電壓的二極體。應該理解的是任何已知的部件或電路可以用作這裡公開的一個或多個電晶體，包 括金屬氧化物半導體(MOS)電晶體、場效應電晶體(FET)、M0SFET、雙極結型電晶體(BJT)、 具有多個控制管腳的電晶體和可以提供根據本發明所要求功能的任何電路/部件。所述第一電晶體的電流溝道在第二操作階段期間可能不會顯著地傳導在所述第 一 rf輸入管腳處接收到的信令，並且所述第二電晶體的電流溝道在第一操作階段期間可 能不會顯著地傳導在所述第一 rf輸入管腳處接收到的信令。這可能是由於所述電流溝道 的朝向使得當所述第二電晶體的電流溝道反向偏置時，所述第一電晶體的電流溝道正向偏 置，反之亦然。應該理解的是，當電晶體的電流溝道反向偏置時流過所述電流溝道的任何洩露電 流可能不會看作是「顯著傳導」的電流溝道。所述第一和第二差分信號可以是射頻(rf)信號，可以接收所述射頻信號作為射 頻識別(RFID)信號。所述第一和第二差分信號可以是彼此180°異相，並且這可能是由於 電荷泵的對稱設計。第一操作階段可以是在所述第一 rf輸入管腳處接收到的信令為低/負並且在所 述第二 rf輸入管腳處接收到的信令為高/正的時間。第二操作階段可以是在所述第一 rf 輸入管腳處接收到的信令為高/正並且在所述第二 rf輸入管腳處接收到的信令為低/負 的時間。在其他示例中，可以顛倒所述第一操作階段和所述第二操作階段。所述第一電晶體可以是η型場效應電晶體。所述第二電晶體可以是P型場效應晶 體管。這些電晶體是用於實現電晶體的電流溝道的便利方式，所述電晶體的電流溝道具有 相對於在所述第一 rf輸入管腳處可接收的第一差分信號的所需正向偏置和反向偏置。所述次級單元還可以包括第一電容器。所述電容器的第一極板可以與所述rf輸 入管腳相連，所述電容器的第二極板可以與所述第一電晶體的第二端子以及所述第二晶體 管的第一端子相連。所述第一電容器可以在第一操作階段期間存儲通過前一個次級單元 (可以稱作較低的dc電平)的dc輸出管腳提供的電荷，並且在所述第二操作階段期間將所 述電荷釋放到所述dc輸出管腳，可以將其看作是提供較高的dc電平。所述次級單元還可以包括在所述dc輸出管腳和所述電路中的任意dc節點之間連 接的第二電容器。所述dc節點可以是來自前一次級單元的dc輸出管腳或者可以是接地管 腳。所述接地管腳可以是虛擬地管腳。第二電容器通過在所述第二操作階段期間存儲電荷 並且在所述第一操作階段期間將所述電荷釋放到dc輸出管腳，用於對在所述dc輸出管腳 上提供的輸出電壓進行平滑。所述dc輸入管腳可以配置用於如果存在前一次級單元則與前一次級單元的dc輸 出管腳相連，或者可以配置用於如果不存在前一次級單元則與(虛擬)地管腳相連。所述dc輸出管腳可以配置用於如果存在下一次級單元則與下一次級單元的dc輸入管腳相連， 或者可以配置用於如果不存在下一次級單元則與電荷泵輸出管腳相連。這樣，可以串聯提 供多個次級單元以產生所要求的電壓。根據本發明的另一個方面，提出了一種具有第一和第二操作階段的電荷泵，所述 電荷泵包括第一 rf輸入管腳，配置用於接收第一差分信號；第二 rf輸入管腳，配置用於接收第二差分信號；輸出管腳；多個級，每一級均包括第一次級單元和第二次級單元，所述第一次級單元包括第一 dc輸入管腳；第一 dc輸出管腳；第一電晶體，具有第一、第二和第三端子，其中在該電晶體的第一和第二端子之間 提供電流溝道；以及第二電晶體，具有第一、第二和第三端子，其中在該電晶體的第一和第二端子之間 提供電流溝道；其中所述第一電晶體的第一端子與所述第一 dc輸入管腳相連，所述第一電晶體 的第二端子與所述第二電晶體的第一端子相連，以及所述第二電晶體的第二端子與所述第
一dc輸出管腳相連；其中所述第一 rf輸入管腳與所述第一電晶體的第二端子以及第二電晶體的第一 端子相連，使得在所述第一操作階段期間所述第一電晶體的電流溝道傳導在所述第一 rf 輸入管腳處接收到的信令，以及在所述第二操作階段期間所述第二電晶體的電流溝道傳導 在所述第一 rf輸入管腳處接收到的信令，所述第一次級單元還包括第一偏置電壓源和第二偏置電壓源；其中所述第一電晶體的第三端子配置用於從所述第二 rf輸入管腳接收第二差分 信號以及從所述第一偏置電壓源接收第一偏移電壓信號；以及所述第二電晶體的第三端子配置用於從所述第二 rf輸入管腳接收第二差分信號 以及從所述第二偏置電壓源接收第二偏移電壓信號；所述第二次級單元包括第二 dc輸入管腳；第二 dc輸出管腳；第三電晶體，具有第一、第二和第三端子，其中在該電晶體的第一和第二端子之間 提供電流溝道；以及第四電晶體，具有第一、第二和第三端子，其中在該電晶體的第一和第二端子之間 提供電流溝道；其中所述第三電晶體的第一端子與所述第二 dc輸入管腳相連，所述第三電晶體 的第二端子與所述第四電晶體的第一端子相連，以及所述第四電晶體的第二端子與所述第
二dc輸出管腳相連；
其中所述第二 rf輸入管腳與所述第三電晶體的第二端子以及第四電晶體的第一 端子相連，使得在所述第二操作階段期間所述第三電晶體的電流溝道傳導在所述第二 rf 輸入管腳處接收到的信令，以及在所述第一操作階段所述第四電晶體的電流溝道傳導在所 述第二輸入管腳處接收到的信令，所述第二次級單元還包括第三偏置電壓源和第四偏置電壓源；其中所述第三電晶體的第三端子配置用於從所述第一 rf輸入管腳接收第一差分 信號以及從所述第三偏置電壓源接收第三偏移電壓信號；以及所述第四電晶體的第三端子配置用於從所述第一 rf輸入管腳接收第一差分信號 以及從所述第四偏置電壓源接收第四偏移電壓信號；其中所述第一級的第一和第二次級單元的dc輸入管腳與地相連；最後一級的第一和第二次級單元的dc輸出管腳與所述輸出管腳相連；以及任何其他級的第一和第二次級單元的dc輸出管腳與下一級的第一和第二次級單 元的dc輸入管腳相連。在一些實施例中，可能需要將所述第一和第二次級單元的dc輸出管腳連接在一 起以提供用於所述級的公共dc輸出管腳。所述公共dc輸出管腳可以與下一級的第一次級 單元的dc輸入管腳以及第二次級單元的dc輸入管腳都相連。在其他實施例中，所述公共dc輸出管腳可以與下一級的公共dc輸入管腳相連，從 而所述公共dc輸入管腳與所述下一級的第一和第二次級單元的dc輸入管腳都內部相連。 這樣，可以從當前級的第一和第二次級單元的dc輸出管腳向所述下一級的第一和第二次 級單元的dc輸入管腳提供公共信號。在其他實施例中，可以不必將針對給定級的第一和第二次級單元的dc輸出管腳 相連，並且所述第一次級單元的dc輸出管腳可以與下一級的次級單元之一的dc輸入管腳 相連，並且所述第二次級單元的dc輸出管腳可以與下一級的另一個次級單元的dc輸入管 腳相連。可以提供虛擬地。可以將所述虛擬地看作是提供在每一級的第一和第二次級單元 之間，從而在所述第一和第二次級單元中部件的對稱性對於虛擬地的存在有貢獻。所述第 一級的次級單元的dc輸入管腳可以與所述虛擬地相連。也可以提供連接在所述次級單元 的dc輸出管腳和虛擬地之間的第二 /緩衝電容器。所述第一和第三電晶體可以是η型M0SFET。所述第二和第四電晶體可以是ρ型 MOSFET。可以提出一種射頻識別(RFID)設備，包括這裡所公開的任意次級單元或電荷泵。 所述RFID設備可以是標籤，並且可以是無源RFID標籤。所述RFID設備可以配置用於在超高頻率(UHF)工作，並且所述次級單元或電荷泵 可以配置用於接收UHF差分信號。


現在參考附圖並且只作為示例進行描述，其中圖1示出了現有技術的迪克森電荷泵；圖加和2b示意性地示出了根據本發明實施例的電荷泵；
圖3示意性地示出了圖2的電荷泵的次級單元的電路圖；圖4示出了可以由本發明實施例使用的電流溝道控制信號；圖如和恥示出了本發明實施例可以使用的輔助電荷泵；以及圖6示意性地示出了根據本發明實施例的電荷泵的次級單元的電路圖。
具體實施例方式這裡描述的本發明的一個或多個實施例涉及一種配置用於接收兩個差分輸入信 號的電荷泵。所述電荷泵可以包括多個級，每一個所述級均包括第一和第二次級單元以及 位於這兩個次級單元之間的「虛擬地」。另外，所述次級單元包括兩個電晶體，每一個電晶體 均具有第三/控制端子，所述第三/控制端子要求在所述電晶體的電流溝道能夠傳導所述 差分輸入信號之一之前超過閾值電壓。所述差分輸入信號的另一個提供給所述第三/控制 端子以便按照要求導通所述電流溝道。與一個或多個電晶體相關聯的是偏置電壓源，所述偏置電壓源配置用於向所述晶 體管的所述第三/控制端子提供dc偏移電壓以便有效地減小所述電晶體的閾值電壓，並且 配置用於當正向偏置時使能所述電晶體的電流溝道能夠更加有效地傳導。與本發明的實施例相關聯的優勢可以包括相對於現有技術已知電荷泵具有改進 效率的電荷泵，並且這可以是由於當所述溝道傳導時電晶體兩端的電壓降的減小、以及當 所述電晶體通道沒有顯著傳導時洩露電流的減小而導致的。可以使用所述差分輸入信號有 利地並且便捷地實現這種電晶體控制。例如，所述兩個差分輸入信號之一可以通過電晶體 的電流溝道，而另一個差分輸入信號與所述偏移電壓組合用於當應該傳導時導通所述晶體 管。圖1示出了現有技術的迪克森電荷泵100。所述迪克森電荷泵100由在輸入管腳 104和輸出管腳110之間串聯的多個級116構成。每一級包括在所述級116的輸入管腳和 所述級116的輸出管腳之間串聯連接的第一二極體102和第二二極體112。第一電容器106 連接在所述第二二極體112的輸出和接地管腳114之間。第二電容器108連接在所述第 一二極體102的輸出和射頻(rf)輸入管腳104之間。如現有技術已知的，通過電路100對電荷「進行泵浦」，使得可以在每一級116處積 累dc電壓，並且求和在一起以在輸出管腳110處提供dc輸出電壓。每一個二極體102、112要求超過閾值電壓以便按照正向偏置操作，並且所述閾值 電壓可以是0. 5V的量級。作為實際示例，假設迪克森電荷泵100接收具有0. 6V幅度的輸入 rf信號。這意味著所述迪克森電荷泵100的每一級116隻可以用於當輸入rf輸入信號的 幅度超過0. 5V時提供dc輸出電壓。因此，為了獲得0. 6V的輸出信號，因為可能要求0. 6V 的輸出信號用於供應給任何後續處理，要求至少六級迪克森電荷泵。在一些示例中，可能要 求最多36個級116來產生所要求的輸出信號。應該理解的是每一個二極體102、112兩端接收到的rf輸入電壓的較大比例可能 導致無效的電路100。圖加示出了根據本發明實施例的電荷泵電路200。在該示例中，所述電荷泵電路200配置用於無源射頻識別(RFID)設備/標籤。所 述標籤可以是安裝到天線上的小的矽集成電路(IC)，並且可以用於識別相關聯的目標。這裡描述的一個或多個實施例可以使用超高頻(UHF)範圍的AC輸入信號，例如900MHz的量 級。圖加的電荷泵電路200配置用於對接收到的UHF信號進行整流，並且對所述電壓進行 放大以確保將足夠高的輸出電壓提供給後續處理。 當將該示例的電荷泵電路200配置用於無源RFID標籤時，因為可以限制可用的功 率，可以特別有利地改進能量轉換效率。所述電荷泵電路200包括第一 rf輸入管腳202和第二 rf輸入管腳204。所述第 一和第二輸入管腳202、204配置用於接收差分輸入信令，例如從如上所述的UHF rf輸入信 號得出的差分輸入信令。可以將所述第一輸入管腳202看作是接收第一輸入信號rfl，在圖加中將其示出 為起始於零幅度並且初始上升的正弦波形。可以將所述第二輸入管腳204看作是接收第二 差分輸入信號rf2，並且在圖加中將其用圖表表示為起始於零幅度並且出示下降的正弦波 形。本領域普通技術人員應該理解的是由於電荷泵200的對稱性，所述第一和第二差分信 號rfl、rf2彼此180°異相。所述第一和第二輸入管腳202、204都可以與相同的天線直接或者間接相連，和/ 或可以作為將其作為差分晶片輸入來接收。圖加的電荷泵電路200包括第一級208和第二級210。應該理解的是在其他實施 例中，可以提供只包括一個級或者多於兩個級的任意個數的級。可以選擇所述級的個數，使 得可以實現所需輸出電壓，每一級對於最終輸出電壓都有貢獻。通過最後一級的dc輸出管 腳(dd)來提供最終輸出電壓。每一級208、210包括第一次級單元212、214和第二次級單元216、218，其中每一個
次級單元具有dc輸入管腳和dc輸出管腳。如更加詳細地描述，將虛擬地206設置在所述第一和第二次級單元之間，因為所 述第一次級單元212、214相對於所述第二次級單元216、218對稱。應該理解的相對於所述 虛擬地206考慮時，所述差分輸入信號rfl、rf2彼此180°異相。所述電荷泵電路200具有兩個操作階段當所述第一差分信號rfl的幅度為負而 所述第二差分信號rf2的幅度為正時的第一操作階段；以及當所述第一差分輸入信號rfl 的幅度為正而所述第二差分輸入信號為負時的第二操作階段。如根據傳統迪克森電荷泵已 知的，在一些部件正向偏置而一些部件反向偏置時，不同的部件配置用於在接收到的信令 的不同階段期間進行傳導。以第一級208作為示例，所述第一次級單元212配置用於接收所述第一差分輸入 信號rfl和所述第二差分輸入信號rf2兩者。當所述第一差分輸入信號rfl為正時，所述 第一差分輸入信號rfl對於所述第一次級單元212的輸出信號del 220有貢獻，並且所述 第二差分輸入信號rf2用於向所述第一次級單元212內的電晶體的柵極/基極端子施加電 壓(ac)，以便根據所述電荷泵電路200的操作階段來「導通」所述電晶體的電流溝道。此 外，也可以向電晶體的所述柵極/基極端子施加恆定的偏置電壓(dc)，並且這樣的話，可以 按照儘可能減小交流電壓(ac)滿足的電晶體閾值電壓要求的方式來調節所述電晶體的有 效閾值電壓。可以將所述第二差分輸入信號rf2和所述恆定偏置電壓的組合看作是電流溝 道控制信號。調節電晶體的所述有效閾值電壓可以包括當所述電晶體的通道正向偏置時 減小所述有效閾值電壓，反之亦然。
所述電荷泵電路200的第一級208的第二次級單元216按照與所述第一次級單元 212類似的方式配置，但是利用反轉的輸入信號。圖2b示出了根據本發明另外實施例的電荷泵200，。圖2b的電荷泵200，與圖加 的電荷泵200類似，並且向類似的部件賦予相同的參考符號。所述第一級的第一次級單元212和第二次級單元216的dc輸出管腳連接在一起， 並且將其配置為圖2b的實施例中的公共(單獨)dc輸出管腳220』。應該理解的是這與圖 2a的電荷泵200的不同之處在於將來自第一次級單元212的第一 dc輸出管腳和來自第二 次級單元214的第二 dc輸出管腳配置為第一級208的分離的輸出管腳。類似地，所述第二級210的第一次級單元214和第二次級單元218的dc輸入管腳 連接在一起，以提供第二級210的公共(單獨)dc輸入管腳221』。圖3示出了用於根據本發明實施例的電荷泵電路的次級單元的示例電路圖。圖3 所示的次級單元表示圖加的電荷泵電路200的第一級208的第一次級單元212的示例。因為圖3所示的次級單元212是電荷泵電路的第一級的一部分，標記為dcO的dc 輸入管腳222與虛擬地206相連。將產生標記為del信號的dc輸出管腳220配置作為次 級單元212的輸出，並且可以如圖加或2b所示作為輸入與下一級相連。這如圖加所示， 其中將第一級208的第一次級單元212的dc輸出220配置作為與第二級210的第一次級 單元214的dc輸入。類似地從圖加可以看出，第一級的第二次級單元的dc輸出配置作為 第二級的第二次級單元的dc輸入。連接在圖3所示的次級單元212的dc輸入管腳222和dc輸出管腳220之間的是 串聯的兩個場效應電晶體(FET) 224、226的電流溝道。第一 FET2M是η型M0SFET，第二晶 體管2 是ρ型M0SFET。在該示例中，第一 FET 224的漏極與dc輸入管腳206相連，第一 FET 2M的源極與第二 FET 2 的漏極相連，以及第二 FET 2 的源極與dc輸出管腳220 相連。應該理解的是這兩個FET 2對、2沈可以執行與圖1所示的現有技術迪克森電荷泵的 二極體類似的功能。第一電容器228的第一極板與第一 FET 224的源極和第二 FET 226的漏極之間的 節點236相連。第一電容器228的第二極板與第一 rf輸入管腳202相連以便接收第一差 分輸入信號rfl。已知是作為緩衝電容器的第二電容器230連接在dc輸出管腳220和虛擬地206 之間。在其他實施例中，應該理解的是第二電容器230可以連接在dc輸出管腳220和任意 穩定的dc節點之間，並且仍然在不同操作階段期間執行所要求的充電和放電功能。合適的 dc節點的示例可以是如果存在的情況下所述電荷泵中前一級/次級單元的dc輸出管腳。第一偏移電壓部件232與第一 FET 224的柵極相連。第一偏移電壓部件232配置 用於產生實質上恆定的dc偏移/偏置電壓。第一 FET 2M的柵極從第一偏移電壓部件232 接收所述偏移電壓，並且從所述第二 rf輸入管腳204接收第二差分輸入信號rf2，將所述偏 移電壓和所述第二差分輸入信號一起稱作電流溝道控制信號。如圖4所示，所述電流溝道 控制信號302包括交流分量(rf)和恆流分量(dc)。如下面將描述的，所述電流溝道控制 信號302包括由所述偏移電壓部件232提供的恆流(dc)分量304以提供dc偏移電壓。此 外，所述電流溝道控制信號包括從所述第二 rf輸入管腳(γ )接收的rf(ac)分量306。使用dc偏移電壓可以有效地控制需要第二差分輸入信號rf2對於滿足FET 224的電流溝道傳導而在柵極處要求的閾值電壓的貢獻程度。可以將其看作是有效地降低了 FET 2M的閾值電壓。因為由於dc偏移電壓的緣故，第二差分輸入信號rf2可以更加容易 地超過所述FET 2 的閾值電壓，當所述FET 2 的電流溝道正向偏置並且傳導所述第一 差分輸入信號rfl時，有效地減小了所述閾值電壓。類似地，由第一偏移電壓部件232提供的dc偏移電壓配置用於當FET2M處於反 向偏置並且不再傳導第一差分信號rfl時減小洩漏電流。這是因為由於所述dc偏移電壓， 由第二差分輸入信號rf2提供的電流溝道控制信號的交流分量可能不會下降到如現有技 術那樣低的值。已經理解的是第二差分輸入信號rf2與dc偏移信號的結合適用於提供給 FET 242的柵極，因為第二差分輸入信號rf2引起FET 242的電流溝道在所需要時間更加有 效地傳導。第二偏移電壓部件234與第二差分偏移信號的組合與第二 FET 226的柵極相連， 以便提供與涉及第一 FET 224描述的電流溝道控制信號的功能類似的方式提供電流溝道 控制信號。應該理解的是所述第二偏移電壓部件234具有與第一偏移電壓部件232相反的 極性，因為與η型FET 2Μ相反，將其提供用於ρ型FET 2 的操作。由第一和第二偏移電壓部件234、236提供的dc偏移電壓信號可以具有接近與其 相連的所述電晶體的閾值電壓的幅度。例如，如果電晶體具有0.6V的閾值電壓，那麼所述 偏移電壓部件可以配置用於產生具有0. 5v幅度的dc偏移電壓信號。dc偏移電壓信號的正 確選擇可以確保只有應該傳導的時候電晶體的電流溝道才傳導，而不會通過也提供給晶體 管的柵極的差分輸入信號浪費掉不需要的電壓，並且也可以確保在電流溝道正向偏置的較 大比例時間導通所述電晶體的電流溝道。可以將所述偏移電壓部件232、234看作是輔助電荷泵，並且以下參考圖6提供對 於輔助電荷泵的示例實現的另外細節。應該理解的是通過使用差分輸入信號rfl、rf2，每一個差分信號rfl、rf2的幅度 是在所述天線處原始接收到的信號的一半。儘管如此，由於通過使用偏移電壓部件調節了 所述電晶體(作為整流元件的示例)的有效閾值電壓而提高的效率，這種電路可以提供這 裡所公開的一個或多個優勢。現在將描述當使用時電流如何流過圖3的次級單元212。在第一操作階段期間，當第一差分信號rfl為低/負、並且第二差分信號rf2為高 /正時，所述第一 FET 2 的電流溝道正向偏置，並且因此對第一電容器2 充電。因為第 二電晶體226的電流溝道反向偏置並且不會向dc輸出管腳220提供電路，對所述電容器 228進行充電。在第二操作階段期間，第一差分輸入信號rfl為高/正，並且第二差分輸入信號 rf2為低/負。在這一操作階段期間，第一 η型FET 2Μ的漏極和源極之間的電流溝道反 向偏置並且不會顯著地傳導，可以將其看作與反向偏置的二極體的功能類似。不可以將任 意洩露電流看作是顯著的傳導。在這一操作階段期間，所述第一 FET 2Μ的柵極源極電壓 應該小於其閾值，使得所述電流溝道不傳導。由於第一差分信號rfl和第二差分輸入信號 rf2之間的相位關係，當rfl的瞬時值為高時，rf2的瞬時值總是為低。因此，可以將第二差 分信號rf2用於確保第一 FET 224的柵極源極電壓總是小於閾值電壓。同樣在差分輸入信號rfl的第二階段期間，第二 P型FET 2 的電流溝道正向偏置並且因此傳導。這樣，在第一差分輸入信號rf 1處接收到的信號通過dc輸出管腳220處 的次級單元212的輸出，並且在設備228中存儲的電荷傳遞到輸出節點220並且存儲在緩 衝電容器230中。在這一操作階段期間，第二 FET 2 的有效閾值電壓應該儘可能低，使得 在第二FET 2 的電路通道兩端下降較低的電壓。為了控制第二FET 2 的有效閾值電壓， 當第二 FET 2 是ρ型(而不是像第一 FET 224那樣的η型)時，在第二 FET 226的柵極 處要求較低的電壓。圖fe和恥示出了如何將輔助電荷泵/偏置電壓源442根據本發明實施例的電荷 泵的次級單元中的另外細節。圖如示出了所述輔助電荷泵背後的原理，以及圖恥示出了 如何結合這種電荷泵442的傳統實現示例。圖示出了與圖3所示FET 2M類似的η型MOSFET 424，但是用於電荷泵的第二 級210。所述MOSFET似4的柵極與電容器440的第一級板相連，並且電容器440的第二極 板與第二差分輸入信號rf2相連。同樣與M0SFET4M的柵極相連的是二極體444的負極。 二極體444的正極與偏置電壓源442的正極端子相連，偏置電壓源442的負極端子與del 相連，從前一級(如從圖2可以看出)輸出del。二極體444可以確保將偏置電壓源442產生的dc偏移/偏置電壓與第二差分信 號rf2 —起提供給FET 424的柵極，並且不會將第二差分信號rf2提供給所述偏置電壓源 442。所述偏置電壓源442可以是這裡所述的輔助電荷泵。圖恥示出了圖的電路的示例實現，將二極體444用ρ型MOSFET 446來代替， 所述ρ型MOSFET 446的漏極與所述η型MOSFET的柵極相連，所述ρ型MOSFET的源極與偏 置電壓源442的正極端子相連，而所述ρ型MOSFET的柵極與dc節點406相連，例如del或 者虛擬地。這種實現可以是有效和經濟利用矽的方便結構。圖6示出了根據本發明實施例的電荷泵的次級單元514的電路圖。圖6的次級單 元514是電荷泵的第二級的第一次級單元的示例，圖6中與圖3的部件一樣的部件用500 系列中的相應參考數字來表示。位於圖6左側的用於第一 FET 524的輔助電荷泵/偏置電壓源532實現為具有η 溝道電晶體的經典三級迪克森泵，以產生相對於dc輸入管腳522 (del)處接收到的信號偏 移的正DC電壓。應該理解的是所述輔助電荷泵532可以配置用於產生或者第一差分輸入 信號rfl或者第二差分輸入信號rf2所要求的dc偏移電壓。由η型電晶體546提供了輔助電荷泵542的輸出和第二差分輸入信號rf2的迭加。 可以將這個三級迪克森泵和附加的η型電晶體546 —起看作三級半電荷泵，其輸出與第一 FET 524的柵極相連將相同的原理應用於針對第二 FET 526的輔助電荷泵534，並且在圖6的右側示 出。在這種情況下，所述輔助電荷泵配置用於產生相對於在dc輸出管腳520(dd)處提供 的信號的負偏移電壓，並且用P型電晶體代替η型電晶體來執行這種迭加。應該理解的是可以用η型或P型電晶體來實現所述輔助電荷泵532、534的任一個 以及用於將所述dc偏移電壓與所述差分輸入信號進行迭加的電晶體之一，並且也可以用 包括本領域已知的可以穩定DC輸出電壓的部件的多個複雜電路來實現。本發明的一個或多個實施例可以使用來自差分晶片輸入的兩個180°移位輸入信 號(rfl、rf2)來控制整流元件(例如電晶體)，使得在第一輸入(rfl)的傳導階段(pi)期間，將所述第二信號(rf2)的另一個階段用於減小電晶體的閾值電壓，從而減小電壓降並 且因此減小電晶體的功率損耗。在所述第一輸入(rfl)的反轉階段(ρ》期間，所述第二信 號(rf2)的階段可以用於減小電晶體的洩露電流，再次提供了電晶體的功率損耗的減小。 這兩個180°偏移信號可以使得能夠實現整流元件改進的導通/截止切換，因此產生了較 高的RF/DC功率轉換效率。可以將一個或多個實施例看作是提供用於UHF RFID設備的電荷泵，所述電荷泵使 用差分輸入通過相位偏移的切換來增加整流效率。已經發現在該領域的現有技術電荷泵可以提供35%量級的效率(利用最優的分 量值和設置)，而本發明的實施例可以提供超過50%的效率，並且這是在執行分量和設置 優化之前實現的。
權利要求
1.一種用於具有第一和第二操作階段的電荷泵O00)的次級單元012)，所述次級單 元(21 包括dc輸入管腳(222)； dc輸出管腳(220)；第一 rf輸入管腳(20 ，配置用於接收第一差分信號； 第二 rf輸入管腳(204)，配置用於接收第二差分信號；第一電晶體0 )，具有第一、第二和第三端子，其中在該電晶體0 )的第一和第二 端子之間提供電流溝道；以及第二電晶體0沈)，具有第一、第二和第三端子，其中在該電晶體0 )的第一和第二 端子之間提供電流溝道；其中所述第一電晶體(224)的第一端子與所述dc輸入管腳(22 相連，所述第一晶體 管(224)的第二端子與所述第二電晶體(226)的第一端子相連，以及所述第二電晶體(226) 的第二端子與所述dc輸出管腳(220)相連；其中所述第一 rf輸入管腳Q02)與所述第一電晶體OM)的第二端子以及第二晶體 管(226)的第一端子相連，使得在所述第一操作階段期間，所述第一電晶體(224)的電流溝 道傳導在所述第一 rf輸入管腳(20 處接收的信令，以及在所述第二操作階段期間，所述 第二電晶體0 )的電流溝道傳導在所述第一 rf輸入管腳(20 處接收的信令， 所述次級單元(21 還包括第一偏置電壓源(23 和第二偏置電壓源034)； 其中所述第一電晶體0 )的第三端子配置用於從所述第二 rf輸入管腳(204)接收 第二差分信號以及從所述第一偏置電壓源(23 接收第一偏移電壓信號；以及所述第二電晶體026)的第三端子配置用於從所述第二 rf輸入管腳(204)接收第二 差分信號以及從所述第二偏置電壓源(234)接收第二偏移電壓信號。
2.根據權利要求1所述的次級單元012)，其中所述第一和第二差分信號彼此180°異相。
3.根據權利要求2所述的次級單元012)，其中所述第二操作階段是在所述第一rf輸 入管腳(20 處接收到的信令為正並且在所述第二 rf輸入管腳(20 處接收到的信令為 負的時間，以及所述第一操作階段是在所述第一 rf輸入管腳(20 處接收到的信令為負並 且在所述第二 rf輸入管腳(202)處接收到的信令為正的時間。
4.根據任一前述權利要求所述的次級單元012)，其中所述第一電晶體的電流溝道配 置用於在第一操作階段期間不會顯著地傳導在所述第一 rf輸入管腳(20 處接收到的信 令，並且所述第二電晶體的電流溝道配置用於在第二操作階段期間不會顯著地傳導在所述 第一 rf輸入管腳(20 處接收到的信令。
5.根據任一前述權利要求所述的次級單元012)，其中所述第一和第二偏置電壓源是 dc電壓源。
6.根據權利要求5所述的次級單元012)，其中所述第一和第二偏置電壓源是電荷泵。
7.根據權利要求5或6所述的次級單元012)，其中所述第一偏置電壓源配置用於提 供具有小於所述第一電晶體閾值的實質上恆定值的第一偏移電壓信號，以及所述第二偏置 電壓源配置用於提供具有小於所述第二電晶體閾值的實質上恆定值的第二偏移電壓信號。
8.根據任一前述權利要求所述的次級單元012)，其中所述第一和第二電晶體是場效應電晶體FET。
9.根據權利要求6所述的次級單元，其中所述第一電晶體是η型場效應電晶體，並且所 述第二電晶體是P型場效應電晶體。
10.根據任一前述權利要求所述的次級單元，還包括第一電容器0觀)，其中所述電容 器的第一極板與所述rf輸入管腳(20 相連，所述電容器0 )的第二極板與所述第一晶 體管OM)的第二端子以及所述第二電晶體0 )的第一端子相連。
11.根據任一前述權利要求所述的次級單元，還包括連接在所述dc輸出管腳(220)和 dc節點之間的第二電容器(230)。
12.根據任一前述權利要求所述的次級單元，其中所述dc輸入管腳(22 配置用於如 果存在前一次級單元則與前一次級單元的dc輸出管腳相連，或者配置用於如果不存在前 一次級單元則與地管腳相連。
13.根據任一前述權利要求所述的次級單元，其中所述dc輸出管腳(220)配置用於如 果存在下一次級單元則與下一次級單元的dc輸入管腳相連，或者配置用於如果不存在下 一次級單元則與電荷泵輸出管腳相連。
14.一種具有第一和第二操作階段的電荷泵000)，所述電荷泵(200)包括 第一 rf輸入管腳002)，配置用於接收第一差分信號；第二 rf輸入管腳004)，配置用於接收第二差分信號； 輸出管腳；多個級008、210)，每一級均包括 第一次級單元(21 和第二次級單元016)， 所述第一次級單元(21 包括 第一 dc輸入管腳(222)； 第一 dc輸出管腳(220)；第一電晶體0 )，具有第一、第二和第三端子，其中在該電晶體0 )的第一和第二 端子之間提供電流溝道；以及第二電晶體0沈)，具有第一、第二和第三端子，其中在該電晶體0 )的第一和第二 端子之間提供電流溝道；其中所述第一電晶體(224)的第一端子與所述第一 dc輸入管腳(22 相連，所述第一 電晶體OM)的第二端子與所述第二電晶體0 )的第一端子相連，以及所述第二電晶體 (226)的第二端子與所述第一 dc輸出管腳(220)相連；其中所述第一 rf輸入管腳(20 與所述第一電晶體OM)的第二端子以及第二晶體 管0 )的第一端子相連，使得在所述第一操作階段期間所述第一電晶體OM)的電流溝 道傳導在所述第一rf輸入管腳(20 處接收到的信令，以及在所述第二操作階段期間所述 第二電晶體0 )的電流溝道傳導在所述第一 rf輸入管腳(20 處接收到的信令， 所述第一次級單元還包括第一偏置電壓源(23 和第二偏置電壓源034)； 其中所述第一電晶體0 )的第三端子配置用於從所述第二 rf輸入管腳(204)接收 第二差分信號以及從所述第一偏置電壓源(23 接收第一偏移電壓信號；以及所述第二電晶體026)的第三端子配置用於從所述第二 rf輸入管腳(204)接收第二 差分信號以及從所述第二偏置電壓源(234)接收第二偏移電壓信號；所述第二次級單元(216)包括 第二 dc輸入管腳； 第二 dc輸出管腳；第三電晶體，具有第一、第二和第三端子，其中在該電晶體的第一和第二端子之間提供 電流溝道；以及第四電晶體，具有第一、第二和第三端子，其中在該電晶體的第一和第二端子之間提供 電流溝道；其中所述第三電晶體的第一端子與所述第二 dc輸入管腳相連，所述第三電晶體的第 二端子與所述第四電晶體的第一端子相連，以及所述第四電晶體的第二端子與所述第二 dc 輸出管腳相連；其中所述第二 rf輸入管腳(204)與所述第三電晶體的第二端子以及第四電晶體的第 一端子相連，使得在所述第二操作階段期間所述第三電晶體的電流溝道傳導在所述第二 rf 輸入管腳(204)處接收到的信令，以及在所述第一操作階段期間所述第四電晶體的電流溝 道傳導在所述第二 rf輸入管腳(204)處接收到的信令，所述第二次級單元還包括第三偏置電壓源和第四偏置電壓源； 其中所述第三電晶體的第三端子配置用於從所述第一 rf輸入管腳(20 接收第一差 分信號以及從所述第三偏置電壓源接收第三偏移電壓信號；以及所述第四電晶體的第三端子配置用於從所述第一 rf輸入管腳(20 接收第一差分信 號以及從所述第四偏置電壓源接收第四偏移電壓信號； 其中第一級Q08)的所述第一和第二次級單元012、216)的dc輸入管腳與地(206)相連； 最後一級O10)的所述第一和第二次級單元014、218)的dc輸出管腳與所述輸出管 腳相連；以及任何其他級的第一和第二次級單元的dc輸出管腳與下一級的所述第一和第二次級單 元的dc輸入管腳相連。
15. 一種射頻識別設備，包括根據權利要求1至13中任一項所述的次級單元或者根據 權利要求14所述的電荷泵。
全文摘要
一種用於具有第一和第二操作階段的電荷泵(200)的次級單元(212)，所述次級單元(212)包括dc輸入管腳(222)；dc輸出管腳(220)；第一rf輸入管腳(202)，配置用於接收第一差分信號；以及第二rf輸入管腳(204)，配置用於接收第二差分信號。所述次級單元(212)還包括第一電晶體(224)，具有第一、第二和第三端子，其中在所述電晶體(224)的第一和第二端子之間提供電流溝道；以及第二電晶體(226)，具有第一、第二和第三端子，其中在所述電晶體(226)的第一和第二端子之間提供電流溝道。
文檔編號H02M3/07GK102104329SQ201010598189
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月15日 優先權日2009年12月18日
發明者埃瓦爾德·博格勒, 羅伯特·埃恩特納, 羅伯特·斯平德勒, 羅蘭德·布蘭德爾 申請人:Nxp股份有限公司