RFID 晶片設計 RFID電子標籤之電壓系統電路 6 (Voltage System Circuits of RFID Tag) 書號：556903 RFID 晶片設計 林佑昇‧邱弘緯‧梁效彬 6 RFID電子標籤之電壓系統電路 (Voltage System Circuits of RFID Tag) 普林斯頓 版權所有

6.1 電壓乘法器 由電壓乘法器 ( 有些人稱之為整流器 (rectifier) ) 。其主要功能 243 6.1 電壓乘法器 由電壓乘法器 ( 有些人稱之為整流器 (rectifier) ) 。其主要功能 是將電磁波轉為直流電壓供電子標籤電路工作使用。 普林斯頓 版權所有

自我驅動同步整流器 (SDSR) 電壓乘法電路 245 6.1.1 自我驅動同步整流器 (SDSR) 電壓乘法電路 普林斯頓 版權所有

於圖6.2(a) 之自我驅動同步整流器中， 及 為互補 ( 亦即 差動 ) 的RF訊號輸入。經由此整流器所得之DC輸出電壓為 。茲說明如下： 244 於圖6.2(a) 之自我驅動同步整流器中， 及 為互補 ( 亦即 差動 ) 的RF訊號輸入。經由此整流器所得之DC輸出電壓為 。茲說明如下： 1. 這四顆電晶體，其工作特性如同開關 (switch)。所以 對應之DC輸出電壓為 (6.1) 如果 可忽略不計，則 。 2. 根據1.，在開關週期的後半週期間， 為低電位而 為高 電位，在此狀況下 與 為導通 (on) 狀態，而 與 為截止 (off) 狀態。對應之DC輸出電壓為 (6.2) 如果 可忽略不計，則 。 普林斯頓 版權所有

3. 因此經過完整的一個開關週期後， 與 之間的直流電壓 差可以表示如下： (6.3) 其中， 輸出電壓可表示如下： (6.4) 246 3. 因此經過完整的一個開關週期後， 與 之間的直流電壓 差可以表示如下： (6.3) 其中， 輸出電壓可表示如下： (6.4) 普林斯頓 版權所有

246 6.1.2 J.F. Dickson電壓乘法器電路 普林斯頓 版權所有

其中， 為RF輸入訊號峰值電壓， 為直流輸入電壓， 為二極體連接電晶體導通的順向電壓降，且假設耦合電容 以及寄生電容 ，而 定義如下： 246 2倍壓電路輸出電壓 應表示如下： (6.5) 其中， 為RF輸入訊號峰值電壓， 為直流輸入電壓， 為二極體連接電晶體導通的順向電壓降，且假設耦合電容 以及寄生電容 ，而 定義如下： (6.6) 若將圖6.3中的 接地，則 (6.5) 式應修正如下： (6.7) 普林斯頓 版權所有

每一個充電週期結束時，第N個2倍壓電路之輸出與輸入之電位 差如下： (6.8) 其中， 為轉換器提供輸出電流 時，耦合電容與寄生電容 247 每一個充電週期結束時，第N個2倍壓電路之輸出與輸入之電位 差如下： (6.8) 其中， 為轉換器提供輸出電流 時，耦合電容與寄生電容 被放電的電壓。 普林斯頓 版權所有

因為所有二極體於每一週期被充電的總電量為 ，當 RF輸入訊號的頻率為f，則RF-to-DC轉換器可以提供的電流為 (6.9) 247 因為所有二極體於每一週期被充電的總電量為 ，當 RF輸入訊號的頻率為f，則RF-to-DC轉換器可以提供的電流為 (6.9) 由 (6.9) 式可得 之值如下： (6.10) 將 (6.6) 與 (6.10) 式代入 (6.8) 式，可得 (6.11) 若串接N級2倍壓電路，則可得下式 (6.12) 普林斯頓 版權所有

其中，令最後一級的 為 ，而 為直流輸入電壓。 圖6.5為N級2倍壓電路之RF-to-DC轉換電路的等效電路，其 可表示如下： (6.14) 248 實際之輸出電壓 應表示如下： (6.13) 其中，令最後一級的 為 ，而 為直流輸入電壓。 圖6.5為N級2倍壓電路之RF-to-DC轉換電路的等效電路，其 可表示如下： (6.14) 其中 (6.15) (6.16) 普林斯頓 版權所有

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新型低功率、獨立輸入之MOS AC/DC電荷 幫浦電路 6.1.3 250 新型低功率、獨立輸入之MOS AC/DC電荷 幫浦電路 6.1.3 普林斯頓 版權所有

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假設 為電晶體 的汲 - 源極壓降， 為電晶體的汲 – 源極壓降，而 代表C點的直流電壓。基於這些參數，可得穩 251 假設 為電晶體 的汲 - 源極壓降， 為電晶體的汲 – 源極壓降，而 代表C點的直流電壓。基於這些參數，可得穩 定態情況 (steady-state condition) 下之 值如下： (6.17) (6.18) 假設兩個NMOS電晶體的長寬比 (W/L) 均為理想，也就是說這 兩個電晶體有幾乎相同的 電流，則可得下式： (6.19) 由 (6.17)~(6.19) 式可得下式： (6.20) 普林斯頓 版權所有

如果我們將變數 以 取代，則 (6.24) 式需改寫如下： (6.25) 251 由於電晶體 實際的輸入訊號為 ，假設 為單 一電壓的增加量，亦即 (6.21) 則可推導 如下： (6.22) (6.23) (6.24) 如果我們將變數 以 取代，則 (6.24) 式需改寫如下： (6.25) 普林斯頓 版權所有

假設所有的NMOS電晶體皆工作在飽和區，亦即 (6.27) 因此可得下式： (6.28) 252 重複上述的式子，可以推演出一般式如下： (6.26) 假設所有的NMOS電晶體皆工作在飽和區，亦即 (6.27) 因此可得下式： (6.28) 普林斯頓 版權所有

253 6.2 電壓限制器與參考電壓電路 普林斯頓 版權所有

254 普林斯頓 版權所有

假設電晶體 的寬 / 長比 (W/L) 為電晶體 的Q倍，且兩 個電晶體具有相同的L，由於電晶體 與 有相同的電流 254 次臨界電壓區之汲 - 源極電流 可表示如下： (6.29) 其中 (6.30) 假設電晶體 的寬 / 長比 (W/L) 為電晶體 的Q倍，且兩 個電晶體具有相同的L，由於電晶體 與 有相同的電流 流過，所以電晶體 與 對應之 可表示如下： (6.31) (6.32) 普林斯頓 版權所有

由 (6.31)~(6.33) 式，可解出次臨界電壓區 ( 或稱為弱反轉區 ) 的電流 如下： (6.34) 255 此外， 與 之關係式亦可表示如下： (6.33) 由 (6.31)~(6.33) 式，可解出次臨界電壓區 ( 或稱為弱反轉區 ) 的電流 如下： (6.34) 由 (6.34) 式可知， 係獨立於直流電源供應器且其值相當小 ，約數十nA等級，遠小於典型之工作於飽和區的電流。 普林斯頓 版權所有

255 6.3 串接穩壓器 普林斯頓 版權所有

圖6.11所示之串接式穩壓器電路。可使用簡單的差動放大器與 一個由NMOS電晶體 所構成的負回授電路 [ 或稱為源極隨 255 圖6.11所示之串接式穩壓器電路。可使用簡單的差動放大器與 一個由NMOS電晶體 所構成的負回授電路 [ 或稱為源極隨 耦器 (source follower) ]，簡單說明如下：由於電晶體 之偏 壓電流為一常數 ( 相當於定電流源 )，所以當 稍微增加時 ，輸出電壓 ( 電晶體 的閘極電壓 ) 會稍微下降 ，導致 ( 電晶體 的閘 - 源極電壓 ) 稍微增加，亦即電 晶體 之偏壓電流稍微增加。 普林斯頓 版權所有

256 6.4 啟動重置電路 重置訊號，其主要設計原理是利用電壓變化率和電容與電流的 關係式來達成。 普林斯頓 版權所有

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6.5 模式選擇器 RFID電子標籤若為被動式，其電力系統電路部分，有些電路架 構是由電壓乘法器與模式選擇器所構成。 257 普林斯頓 版權所有

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