专利名称：用于rfid集成电路的电荷泵电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电荷泵领域。尤其，本发明涉及用于超高频无线电 频率识别集成电路(UHF-RFID-IC)的电荷泵。
背景技术：
UHF-RFID-IC —般需要操作电源。电源通常包括所谓的电荷泵或 电压倍增器用来提高低电压电源。对电源的一个要求一般是DC电平 被阻止，因此RFID-IC不会出现由于可能的DC电平导致的故障。由 于UHF-RFID-IC用环形天线来操作，所以这种情况尤其如此。通常通 过在RFID-IC的RF分支上提供并联电容来实现这种阻止。图4示意性地示出标准的电压倍增器或电荷泵。图4示出具有 第一输入节点401的电压倍增器400，第一输入节点401与电容403 的第一端子402耦接。电容403的第二端子404与第一电路节点405 耦接。第一电路节点405与第一二极管407的阳极406耦接，而第一 二极管407的阴极与第一输出节点409耦接。第一输入节点401、电 容403、第一二极管407以及第一输出节点409形成了电荷泵400的 第一分支，即所谓的RF分支。第二输入节点410与第二电路节点411耦接，第二电路节点411 与接地的第二输出节点412耦接。而且，第二电路节点411与第二二 极管414的阳极413耦接。第二二极管414的阴极415与第一电路节 点405耦接。第二输入节点410和第二电路节点411，以及第二输出 节点412形成了电荷泵的第二分支，即所谓的较低分支。在电荷泵400的操作过程中，可以在第一输入节点401和第二 输入节点410上施加交流电流或交流电压。这样的话，在这两个输入 节点之间就存在Us的电压差。而且，在第二二极管414上产生电压 降Uf，其对应于该二极管的所谓前向电压。因此，以电压Uef-Uf对RF分支上的电容进行充电，其中Usf代表交流电压Us的峰值。在操作过 程中，电容充电电压被加到峰值Usf上，因此导致"倍增的"电压， 而损耗了该二极管的前向电压。在第一输出节点409和第二输出节点412之间提供的电荷泵400 的总电压是f/e + A -2",而且，在图4中，用虚线描绘了寄生电容。当用交流电流操作 该电荷泵时，这个寄生电容相对于在其上形成了该电荷泵的基底而产 生。在一个等效的电路图中，该寄生电容可以画成耦接于该电荷泵的 第一分支和第二分支之间的一个电容。而且，在图4中示意性地示出存储电容，或所谓的平滑电容416 和电阻负载417，其中存储电容416和电阻负载被耦接在第一输出节 点409和第二输出节点412之间。发明内容US 6 396 724中公开了类似于图4所示的低电源电荷泵的DC 偏置电压。本发明的示范性实施例提供了电荷泵级，该电荷泵级包括第一 输入节点、第二输入节点、具有第一端子和第二端子的去耦电容。而 且，该电荷泵级包括泵控制电路，该泵控制电路具有第一接触节点和 第二接触节点，其中第一输入节点与第一接触节点耦接。而且，第二 输入节点与该去耦电容的第一端子耦接，以及该去耦电容的第二端子 与第二接触节点耦接并且进一步与地耦接。本发明的特点是根据本发明的电荷泵的去耦电容被耦接到所谓 的较低分支中，即与地耦接的分支，而不是把它耦接到根据本领域的 公知状态的电荷泵中的RF分支中。因此，去耦电容，也被称为第一 电容，可以直接与地耦接。这种耦接可能导致一个事实，即电荷泵的 不可避免的寄生电容被增加到执行电容，即去耦电容。因此，这些电 容现在是有益的，这是由于去耦电容可以被设计得更小。而且，当使 用根据本发明的电荷泵时，天线电路的匹配变得更容易是可能的。而且，当使用根据本发明的电荷泵时，减少寄生电容对电压倍增器效率 的影响是可能的。而且，去耦电容(也被称为串联电容)的所谓的Q因数，即品质因数，对电荷泵的效率有重要的影响。Q因数可以被计算为Q=X。/RS， 其中X。是串联电抗以及Rs是电容的串联电阻。通常为了获得好的Q 因数，经常在寄生电容和串联电阻之间进行折衷。由于该寄生电容可 以被增加到在根据本发明的电荷泵中的执行去耦电容上，所以这种折 衷不再是硬限制。参考从属的权利要求，接下来将描述本发明的进一步优选实施例。接下来，将描述本发明的电荷泵级的优选示范性实施例。这些 实施例也可以用于多级电荷泵。在另一示范性实施例中，电荷泵级的泵控制电路还包括适合形 成第一输出节点和第二输出节点的第三接触节点和第四接触节点。在进一步的示范性实施例中，泵控制电路还包括第一二极管， 其耦接在第一接触节点和第二接触节点之间。在另一示范性实施例中，泵控制电路还包括第二二极管。在电荷泵级的另一示范性实施例中，第二二极管耦接在第一接 触节点和第三接触节点之间。在示范性实施例中，多级电荷泵包括多个电荷泵级，其中依据 根据本发明的电荷泵级来形成至少一个电荷泵级。在另一示范性实施例中，多级电荷泵还包括开关元件，该开关 元件耦接在多个电荷泵级中的不同级之间。在多级电荷泵的另一示范性实施例中，开关元件以电荷泵所提 供的电源电压不倍增的方式被耦接到多级电荷泵中。在多级电荷泵的另一示范性实施例中，开关元件包括晶体管和/ 或MOS二极管。在示范性实施例中，RFID标签包括至少一个根据本发明的电荷 泵级或包括根据本发明的多级电荷泵。本发明尤其关注RFID标签领域，这是由于它可以给RFID标签提供有效的电源。本发明的典型特征是根据现有技术，去耦电容被耦接到电荷 泵的RF-分支，即具有高电压电平的分支中，而根据本发明的电荷泵 的去耦电容相反被转移到较低分支，即具有低电压电平和/或被直接 耦接到地电势的分支中。因此，去耦电容的一个端子可以被直接耦接 到地，即地电势。因此，电荷泵电路所产生的相对于地的不可避免的 寄生电容被增加到执行去耦电容。因此，这些电容现在是有益的，这 是由于去耦电容可以被设计得更小，并且可以增大去耦电容的Q因 数，而不会受到在泵电路的寄生电容和去耦电容的串联电阻之间的折 衷的限制。根据本发明的电荷泵级或多级电荷泵的输入节点可以被耦接到环形天线。如果连同RFID标签使用该电荷泵，这尤其是有益的。从以下将描述的示范性实施例，本发明的以上定义的方面和其 它方面将变得明显并将被参考示范性实施例来说明。以下将参考实施例的例子更具体地描述本发明，但是本发明不 限于示范性实施例。
图l示意性地示出根据本发明的实施例的电荷泵级，图2示意性地示出根据本发明的实施例的多级电荷泵，图3示意性地示出包括根据图2的实施例的多级电荷泵的RFID 标签，以及图4示意性地示出根据现有技术的电荷泵。图中的描述是示意性地。在不同的图中，相似或相同的元件具 有相似或相同的参考符号。
具体实施方式
接下来，参考图1，描述根据本发明的实施例的电荷泵级。图l 示出具有第一输入节点101的电压倍增器100，第一输入节点101与第一电路节点102耦接。第一电路节点102与第一二极管104的阳极 103耦接，而第一二极管104的阴极105与第一输出节点106耦接。第一输入节点101、第一二极管104和第一输出节点106形成了电荷 泵100的第一分支，即所谓的RF分支。第二输入节点107与电容109的第一端子108耦接，电容109 形成了电荷泵100的去耦电容。电容109的第二端子IIO与第二电路 节点lll親接，第二电路节点lll与第二输出节点112耦接并且进一 步与地耦接。因此，电容109的第二端子110直接与地电势耦接。进 一步地，第二电路节点111与第二二极管114的阳极113耦接。第二 二极管114的阴极115与第一电路节点102耦接。第二输入节点107、 电容109、第二电路节点111以及第二输出节点112形成了该电荷泵 的第二分支，即所谓的较低分支。另外，在图1中，存储电容或所谓 的平滑电容示意性地被示出为在第一输出节点106和第二输出节点 112之间耦接的116。而且，负载117在图1中示意性地示出为电阻 负载。负载117耦接在第一输出节点106和第二输出节点112之间， 即与存储电容116并联。该负载可以是RFID标签。在电荷泵100的操作过程中，可以在第一输入节点101和第二 输入节点107上施加交流电流或交流电压。这样的话，在这两个输入 节点之间就存在IL的电压差。而且，在第二二极管113上产生电压降Uf，其对应于该二极管的所谓前向电压。因此，以电压仏f-Uf对在较低分支上的电容充电，其中仏f代表交流电压仏的峰值。在操作过 程中，电容充电电压被加到峰值仏f上，因此导致"倍增的"电压。在第一输出节点106和第二输出节点113之间提供的电荷泵100 的总电压是t/e = & + & = i -^而且，在图1中，用虚线描绘了寄生电容。当用交流电流操作 该电荷泵时，这个寄生电容相对于其上形成了电荷泵的基底而产生。 在一个等效的电路图中，该寄生电容可以被画成与去耦电容109并联连接的电容。接下来，参考图2，描述根据本发明的实施例的多级电荷泵。图 2示出具有第一输入节点201的多级电压倍增器200，第一输入节点 201与第三电路节点216耦接，第三电路节点216与第一电路节点2028耦接。第一电路节点202与第一二极管204的阳极203耦接，而第一 二极管204的阴极205与第四电路节点217耦接。第四电路节点217 与第五电路节点218耦接，第五电路节点218与第一输出节点206 耦接。第二输入节点207与电容209的第一端子208耦接，电容209 形成了多级电荷泵200的去耦电容。电容209的第二端子210与第二 电路节点211耦接，第二电路节点211与地耦接。进一步地，第二电 路节点211与第二二极管214的阳极213耦接。第二二极管214的阴 极215与第一电路节点202耦接。第二输入节点207、电容209以及 第二电路节点211形成了电荷泵200的所谓的较低分支。多级电荷泵200的上述元件形成了多级电荷泵的第一级。第三电路节点216与第六电路节点219耦接，第六电路节点219 与第二电容221的第一端子220耦接。第二电容221的第二端子222 与第七电路节点223耦接，而第七电路节点223与第三二极管225 的阳极224耦接。第三二极管225的阴极226与第八电路节点227 耦接，而第八电路节点227与第二输出节点228耦接。第四电路节点217还与第四二极管230的阳极229耦接。第四 二极管230的阴极231与第七电路节点223耦接。上两段中所述的多级电荷泵200的元件形成了多级电荷泵的第 二级。第六电路节点216与第九电路节点232耦接，而第九电路节点 232与第三电容234的第一端子233耦接。第三电容234的第二端子 235与第十电路节点236耦接，而第十电路节点236与第五二极管238 的阳极237耦接。第五二极管238的阴极239与第十一电路节点240 耦接，而第十一电路节点240与第三输出节点241耦接。第八电路节点227还与第六二极管243的阳极242耦接。第六 二极管243的阴极244与第十电路节点236耦接。上两段中所述的多级电荷泵200的元件形成了多级电荷泵的第 三级。第九电路节点232与第十二电路节点245耦接，而第十二电路节点245与第四电容247的第一端子246耦接。第四电容247的第二 端子248与第十三电路节点249耦接，而第十三电路节点249与第七 二极管251的阳极250耦接。第七二极管251的阴极252与第十四电 路节点253耦接，而第十四电路节点253与第四输出节点254耦接。第十一电路节点240还与第八二极管256的阳极255耦接。第 八二极管256的阴极257与第十三电路节点249耦接。上两段所述的多级电荷泵200的元件形成了多级电荷泵的第四级。第十二电路节点245与第十五电路节点258耦接，而第十五电 路节点258与第五电容260的第一端子259耦接。第五电容260的第 二端子261与第十六电路节点262耦接，而第十六电路节点262与第 九二极管264的阳极263耦接。第九二极管264的阴极265与第十七 电路节点266耦接，而第十七电路节点266与第五输出节点267耦接。第十四电路节点253还与第十二极管269的阳极268耦接。第 十二极管269的阴极270与第十六电路节点262耦接。上两段中所述的多级电荷泵200的元件形成了多级电荷泵的第 五级。 '第十五电路节点258与第六电容272的第一端子271耦接。第 六电容272的第二端子273与第十八电路节点288耦接，而第十八电 路节点288与第十一二极管275的阳极274耦接。第十一二极管275 的阴极276与第十九电路节点277耦接，第十九电路节点277与第二 十电路节点278耦接，而第二十电路节点278与第六输出节点279 耦接。第二十电路节点278还与第二十一电路节点280耦接，而第二 十一电路节点280与第一晶体管282的第一源极/漏极281耦接。第 一晶体管282的第二源极/漏极283与第五电路节点218耦接。第二 十一电路节点280还与第一晶体管282的栅极284耦接。使用这种耦 接，第一晶体管282被作为所谓的M0S二极管来操作。第十七电路节点266还与第十二二极管286的阳极285耦接。 第十二二极管286的阴极287与第十八电路节点288耦接。上两段所述的多级电荷泵200的元件形成了多级电荷泵的第六级。在多级电荷泵200的操作过程中，可向第一输入节点201和第 二输入节点207施加交流电流或交流电压。这样的话，在两个输入节 点之间存在电压差仏。因此，在第一输出节点206提供大体上具有 2印J直的电压(不视为二极管的前向电压)。在第二输出节点228提 供大体上具有3*巳值的电压。在第三输出节点241提供大体上具有 4承UJ直的电压。在第四输出节点254提供大体上具有5*仏值的电压。 在第五输出节点267提供大体上具有6*比值的电压。在第六输出节 点279提供大体上具有7*1^值的电压。而且，多级电荷泵200包括数个存储电容，存储电容被耦接到 多级电荷泵200的各个电荷泵级。第一存储电容289与第一输出节点 206耦接。第二存储电容290与第二输出节点228耦接。第三存储电 容291与第三输出节点241耦接。第四存储电容292与第四输出节点 254耦接。第五存储电容293与第五输出节点267耦接以及第六存储 电容294与第六输出节点279耦接。使用多级电荷泵200的这些输出电压，例如可以给RFID标签提 供电源。图3示意性地示出根据本发明的多级电荷泵的系统和RFID-标签。如图3示意性地示出，根据本发明的多级电荷泵可以用作通用 RFID标签的电源。接下来，参考图3，示出包括根据图2的实施例的 多级电荷泵300的RFID标签。多级电荷泵的输入节点与图3所示意 性地示出的环形天线电路301连接。该环形天线电路包括限幅晶体 管，该限幅晶体管限制从环形天线所提供的电压。如图2，多级电荷 泵包括MOS二极管，在DC操作的情况下(其中没有电荷泵被激活)， MOS 二极管可以被用来直接从RFP(即环形天线电路的RF正电压)提 供净V。ap，即在图3中的标记为S4的输出节点上下降的净电压。多级电荷泵300的输出节点与并联调节器302连接，并联调节 器302主要是把电源电压Vdd控制在大约1. 5V的电压水平。而且，在 写命令执行的过程中，至少提高电源电压Vdd到大约1. 8V的最小写入 电压。这个提高导致了标签不同的读距离和写距离。多级电荷泵300的输出节点还与线性或串联调节器303连接。 线性调节器303包括电容，该电容形成了存储电容用以保证相对恒定 的电势，以及因此保证了恒定的Vdd。也就是说，该存储电容可以补 偿由于该场的调幅(AFK)所导致的电压降，以便用读RFID标签的读取 器来改变信息。图3示意性地示出的RFID标签还包括带隙电路304。该带隙电 路与多级电荷泵的输出节点S6连接。因此，经由具有继承启动 (inherit startup)行为的V。ap来对带隙电路304供电。把带隙电路304的输出提供给逻辑电路305，逻辑电路305产生 一些逻辑输出信号，例如POR (Power-on Reset,上电复位)、POK (电源OK)和WOK (写OK)。为了产生这些信号，逻辑电路305还 与多级电荷泵的输出节点(S4和S6)连接，以及由Bias (即直流源) 306给其供电。而且，带隙电路304的输出还供给并联调节器302和 线性调节器303。而且，图3的RFID标签包括产生RFID标签数据输出信号的输 出电路307。因此，输出电路307与并联调节器302的输出连接以及 与多级电荷泵的一个输出节点(S4)连接。输出电路307包括所谓的 泵部分，该泵部分包括电容和电流源，用以甚至在较小电源的情况下 也保证足够的用于反向散射操作的限幅栅压。因此，输出电路307 也与环形天线的限幅晶体管连接。由于保证了足够的限幅栅压，所以 不用必须使用大限幅晶体管，即可以使用较小的限幅晶体管。可以经 由EEbits来控制输出电路307中的电压斜坡的陡度。而且，在图3的右下部示意性地示出电源和输出信号考虑。第 一条线308显示了 RF信号，即电源信号，而第二条线309显示了标 记为data—out的对应的基带数据信号。数据输出信号是在OV 之间的矩形信号。图3中使用的縮写词是RFP: RF正电压RFN: RF负电压VdJ:v L imsi正电源电压 限幅电压电容电压(电荷泵的最大电压) 使能信号(即用于测试目的以启动或禁止木；通讯帧内的Vcap Limen:并联调解器的信号)EEprog: 数字控制信号(表示在 EEPROM上的编程循环的信号)Shortvcapvdd—n: 用于使V卿和Vdd短路的元件(用于测试)Vbe: 带隙电压Vbian: 负偏置电压Vbg0K: 带隙电压OKWOK POK POR写OK 电源OK 上电复位图5示意性地示出根据本发明的多级电荷泵和如图3所示的类 似RFID标签的系统，其中具有相同功能的系统元件以相似的或相同 的参考符号或词语标记。图5示出包括多级电荷泵和RFID标签的系统的耦接。尤其地， 该系统包括与多级电荷泵500耦接的环形天线电路501。多级电荷泵 与并联调解器502和串联(线性)调解器503耦接。而且，图5的 RFID标签还包括Bias 506，即电流源，和带隙电路504。该系统还 包括EEPROM单元510， EEPOM单元510分别在多级电荷泵500和Bias 506之间以及在多级电荷泵500和带隙电路504之间耦接，以及EEPOM 单元与数字单元511双向通信。该系统还包括复位单元512，复位单 元512也被耦接到多级电荷泵500并且提供WOK信号、P0K信号和POR 信号。而且，该系统包括振荡器513、持续位(persistence bit) 单元514、随机数发生器515以及解调器516，这些单元都与多级电 荷泵500的正电压电源耦接并且与数字单元511单向或双向通信，如 图5中的箭头所示。作为另一组成部分，图5中所示的系统包括测试部分，该测试部分与多级电荷泵500的第六级耦接，并且与数字单元511双向通信，而且，该测试部分517与图5中示意性地示出为"测 试焊盘l"和"测试焊盘2"的多个测试焊盘是可连接的。应该注意，术语"包括"不排除其它的元件或步骤以及术语"一" 或者"一个"不排除多个。在不同实施例中所述的元件还可以被结合起来。还应该注意，在权利要求中的参考符号不应该被理解为限制本 发明的范围。
权利要求
1.一种电荷泵级包括第一输入节点，第二输入节点，去耦电容，其包括第一端子和第二端子，以及泵控制电路，其包括第一接触节点和第二接触节点，其中，所述第一输入节点与所述第一接触节点耦接，其中，所述第二输入节点与所述去耦电容的第一端子耦接，其中，所述去耦电容的第二端子与所述第二接触节点耦接，并且进一步与地耦接。
2. 根据权利要求1的电荷泵级，其中，所述泵控制电路还包括 适合形成第一输出节点和第二输出节点的第三接触节点和第四接触 节点。
3. 根据权利要求1或2的电荷泵级，其中，所述泵控制电路包 括第一二极管，其耦接在所述第一接触节点和所述第二接触节点之 间。
4. 根据权利要求3的电荷泵级，其中，所述泵控制电路还包括 第二二极管。
5. 根据权利要求4的电荷泵级，其中，所述第二二极管耦接在 所述第 一 接触节点和所述第三接触节点之间。
6. —种多级电荷泵，包括多个电荷泵级，其中，至少一个电荷 泵级是根据权利要求1至5中的任何一个形成的。
7. 根据权利要求6的多级电荷泵，还包括开关元件，该开关元件耦接在多个电荷泵级的不同级之间。
8. 根据权利要求7的多级电荷泵，其中，所述开关元件以所述 电荷泵提供的电源电压不倍增的方式被耦接到所述多极电荷泵中。
9. 根据权利要求7或8的多级电荷泵，其中，所述开关元件包 括晶体管和/或M0S二极管。
10. —种RFID标签，包括至少一个根据权利要求1至5中的任 何一个的电荷泵级。
11. 一种RFID标签，包括至少一个根据权利要求6至9中的任 何一个的多级电荷泵。
全文摘要
本发明的示范性实施例提供一种电荷泵级(100)，该电荷泵级(100)包括第一输入节点(101)、第二输入节点(107)、具有第一端子(108)和第二端子(110)的去耦电容(109)。进一步地，该电荷泵级(100)包括具有第一接触节点(102)和第二接触节点(111)的泵控制电路，其中，第一输入节点(101)与第一接触节点(102)耦接。而且，第二输入节点(107)与去耦电容(109)的第一端子(108)耦接，以及去耦电容(109)的第二端子(110)与第二接触节点(111)耦接并且进一步与地(112)耦接。
文档编号H02M3/07GK101253674SQ200680031578
公开日2008年8月27日 申请日期2006年8月24日 优先权日2005年9月2日
发明者埃瓦尔德·贝格勒, 罗伯特·施平德勒, 罗兰德·布兰德尔 申请人:Nxp股份有限公司