RFID 晶片設計 RFID電子標籤之電壓系統電路 6 (Voltage System Circuits of RFID Tag)

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1 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

2 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

3 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

4 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： 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

5 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

6 246 6.1.2 J.F. Dickson電壓乘法器電路 普林斯頓 版權所有

7 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

8 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

9 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

10 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

11 249 普林斯頓 版權所有

12 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

13 250 普林斯頓 版權所有

14 251 普林斯頓 版權所有

15 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

16 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

17 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

18 253 6.2 電壓限制器與參考電壓電路 普林斯頓 版權所有

19 254 普林斯頓 版權所有

20 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

21 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

22 255 6.3 串接穩壓器 普林斯頓 版權所有

23 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

24 256 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

25 257 普林斯頓 版權所有

26 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
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27 258 普林斯頓 版權所有

28 259 普林斯頓 版權所有