1.引言

　　近年來(lái)，随着無線通(tōng)信技(jì)術(shù)，微電(diàn)子技(jì)術(shù)的發展，非接觸式IC卡(射頻卡)技(jì)術(shù)蓬勃發展，并在衆多(duō)領域裏得(de)到了迅速的普及和(hé)推廣，如公交自動售票(piào)系統、居民身份證卡、電(diàn)話(huà)卡、銀行(xíng)卡等。無源供電(diàn)技(jì)術(shù)是射頻卡的關鍵技(jì)術(shù)之一，目前主要是通(tōng)過電(diàn)磁感應原理(lǐ)和(hé)集成穩壓電(diàn)路來(lái)解決的。當射頻卡進入閱讀器(qì)磁場(chǎng)時(shí)，通(tōng)過電(diàn)磁感應從磁場(chǎng)中獲得(de)能量，即在卡的線圈兩端感應出交流電(diàn)流，經過整流穩壓後可(kě)得(de)到直流電(diàn)壓。本文討(tǎo)論一種采用0.35umCMOS工藝專為(wèi)射頻卡設計(jì)的自反饋開(kāi)關式穩壓電(diàn)路。

　　2.穩壓電(diàn)路的結構設計(jì)和(hé)工作(zuò)原理(lǐ)

　　集成穩壓電(diàn)路也稱集成電(diàn)壓調整器(qì)，當輸入電(diàn)壓或輸出電(diàn)流在一定範圍內(nèi)變化時(shí)，其輸出電(diàn)壓保持不變。它已被廣泛應用于各種電(diàn)子設備中，以取代分立器(qì)件組裝的穩壓電(diàn)源。

　　2.1電(diàn)路結構設計(jì)

　　該集成穩壓電(diàn)路主要包括以下幾個(gè)部分：基準源電(diàn)路，電(diàn)壓調節電(diàn)路和(hé)電(diàn)源開(kāi)關電(diàn)路。

　　基準源電(diàn)路由二級CMOS差分放大(dà)電(diàn)路和(hé)晶體(tǐ)管電(diàn)路構成的能隙基準源組成。其結構如圖1。

　　有(yǒu)源電(diàn)阻P0和(hé)多(duō)晶電(diàn)阻R7組成偏置電(diàn)路，為(wèi)電(diàn)路提供偏置電(diàn)流。二級差分放大(dà)器(qì)的兩個(gè)輸入連接在Q1端和(hé)Q2端，由基準源原理(lǐ)可(kě)知隻有(yǒu)放大(dà)電(diàn)路的輸入失調電(diàn)壓很(hěn)小(xiǎo)，并且不受溫度的影(yǐng)響時(shí)，基準源的輸出才可(kě)以保持好的性能。根據放大(dà)器(qì)的作(zuò)用和(hé)能隙基準源原理(lǐ)可(kě)得(de)：

　　I1R6=I2R4(1)

　　由(1)式可(kě)知電(diàn)路中放大(dà)器(qì)的輸入失調電(diàn)壓接近為(wèi)零。故穩定後REF點的電(diàn)壓值為(wèi)下式：

　　VREF=VQ1+VR6=VQ1+R6I1=VQ1+R4I2(2)

　　因PNP晶體(tǐ)管的基極和(hé)集電(diàn)極相連，故VQ1值相當于晶體(tǐ)管中BE結二極管的正向壓降VBE值，VBE一般為(wèi)0.6~0.8V。

　　晶體(tǐ)管中BE結二極管的溫度系數(shù)為(wèi)負，而電(diàn)阻的溫度系數(shù)為(wèi)正，在(2)式中VQ1和(hé)VR6随溫度的變化可(kě)以相互補償，故該基準源的輸出VREF對溫度變化不敏感。

　　電(diàn)壓調節電(diàn)路是穩壓電(diàn)路中的核心部分，包括兩個(gè)一級CMOS差分放大(dà)電(diàn)路COMP和(hé)電(diàn)壓調節及反饋電(diàn)路，如圖2。

　　兩個(gè)差分放大(dà)器(qì)的輸入由分壓電(diàn)阻得(de)到，比較放大(dà)後經反饋調節和(hé)限流保護電(diàn)路得(de)到MA1和(hé)MB1以來(lái)控制(zhì)電(diàn)源開(kāi)關電(diàn)路中開(kāi)關管的開(kāi)啓和(hé)截止。

　　電(diàn)源開(kāi)關電(diàn)路由儲能電(diàn)容，NMOS管構成的整流器(qì)及開(kāi)關電(diàn)路組成，如圖3。P1，P2直接連到線圈L0的兩端，通(tōng)過電(diàn)磁耦合在P1，P2上(shàng)感應出交流電(diàn)，經整流後在儲能電(diàn)容C0端産生(shēng)直流電(diàn)壓VDD。調壓電(diàn)容C5在N2管導通(tōng)後構成放電(diàn)回路使P1，P2上(shàng)的電(diàn)流開(kāi)始對C5充電(diàn)而停止對C0充電(diàn)，使C0兩端電(diàn)壓保持穩定，即為(wèi)負載電(diàn)路提供穩定的電(diàn)源電(diàn)壓。

　　2.2工作(zuò)原理(lǐ)：

　　射頻卡進入閱讀器(qì)的磁場(chǎng)時(shí)，經線圈電(diàn)磁耦合後在P1，P2上(shàng)産生(shēng)交流感應電(diàn)流，通(tōng)過整流器(qì)轉換成直流電(diàn)流，同時(shí)對儲能電(diàn)容C0和(hé)電(diàn)壓調節電(diàn)容C5進行(xíng)充電(diàn)。C5電(diàn)容很(hěn)小(xiǎo)，通(tōng)過整流器(qì)的電(diàn)流瞬間(jiān)可(kě)将其充滿，由于N2管截止在C5兩邊沒有(yǒu)放電(diàn)回路，故P1，P2上(shàng)的電(diàn)流将隻對電(diàn)容C0充電(diàn)，C0兩端産生(shēng)電(diàn)源電(diàn)壓VDD，VDD随着電(diàn)容充電(diàn)過程而不斷升高(gāo)。整流器(qì)中有(yǒu)源電(diàn)阻和(hé)二極管的作(zuò)用使得(de)P1，P2兩端的電(diàn)壓幅值上(shàng)升，導緻a點的電(diàn)位也随之上(shàng)升;同時(shí)，電(diàn)壓采樣電(diàn)路的輸出也随着VDD的升高(gāo)而升高(gāo)。當VDD電(diàn)壓值達到V0時(shí)(見圖4)，采樣輸出電(diàn)壓都大(dà)于基準電(diàn)壓VREF，此時(shí)電(diàn)壓調節電(diàn)路中輸出MA1，MB1的電(diàn)壓值能夠使N1，N2這兩個(gè)管子先後開(kāi)啓。因N2管源端接地，N2管導通(tōng)後a上(shàng)的電(diàn)壓開(kāi)始降低(dī)，使得(de)P1，P2再次對C5進行(xíng)充電(diàn)。由于N2管一直處于導通(tōng)狀态，故C5也同時(shí)開(kāi)始放電(diàn)，此後C5和(hé)N2管一直處于一邊充電(diàn)一邊放電(diàn)的狀态，且a點電(diàn)壓在一定的範圍內(nèi)振蕩。C5的充放電(diàn)通(tōng)過反饋使得(de)P1、P2上(shàng)電(diàn)壓峰值保持在一定的電(diàn)位上(shàng)，也不再對電(diàn)容C0繼續充電(diàn)，故C0兩端的電(diàn)壓差保持穩定。此時(shí)得(de)到的VDD就是我們所需要的工作(zuò)電(diàn)壓。射頻卡正常工作(zuò)時(shí)由于負載電(diàn)路的消耗，儲能電(diàn)容C0上(shàng)的電(diàn)壓會(huì)随之下降，當VDD值小(xiǎo)于V0值時(shí)N2管将截止，C5電(diàn)容沒放電(diàn)回路，P1，P2對C5充電(diàn)充滿後，将對C0繼續充電(diàn)使C0兩端的壓差增大(dà)，即VDD上(shàng)升。這樣電(diàn)路中就形成了一個(gè)自反饋的穩壓電(diàn)源。

　　3.模拟結果

　　在射頻卡正常工作(zuò)環境中，卡和(hé)閱讀器(qì)的耦合系數(shù)很(hěn)小(xiǎo)一般為(wèi)0.1~0.35左右，閱讀器(qì)信号電(diàn)壓一般為(wèi)12V。仿真驗證中，加12V、13.56MHz的測試激勵以在電(diàn)感L0上(shàng)得(de)到感應電(diàn)流。采用0.35um的SPICE模型，耦合系數(shù)設為(wèi)0.25，得(de)到VDD穩定電(diàn)壓為(wèi)3.35V，Hspice仿真結果見圖4：

　　4.結論

　　通(tōng)過上(shàng)述的設計(jì)和(hé)仿真分析，可(kě)知此穩壓電(diàn)路可(kě)在短(duǎn)時(shí)間(jiān)內(nèi)獲得(de)穩定電(diàn)壓，并可(kě)自動調整;多(duō)目标流片測試結果基本與仿真結果一緻亦達到設計(jì)要求，故具有(yǒu)較好的實用性和(hé)參考價值。