本文選題：射頻整流器 + 能量獲取��； 參考：《西安電子科技大學》2015年碩士論文

【摘要】：能量獲取電路在代替電池作為電源供電方面具有廣泛的應(yīng)用前景。如何高效地獲取環(huán)境中的能量已經(jīng)成為人們研究的一個熱點。能量獲取電路可以應(yīng)用于無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)(WSN)中,提高其使用壽命,降低制造成本。同時,能量獲取電路還可以應(yīng)用于可穿戴設(shè)備中,提高可穿戴設(shè)備的續(xù)航以及使用壽命。射頻(RF)能量由于具有分布范圍廣泛,穩(wěn)定的特點,已經(jīng)被用于射頻識別(RFID)芯片中。相對于其它形式的能量獲取,RF能量獲取是一個難點。本文根據(jù)環(huán)境中射頻能量的分布特點,設(shè)計了一個雙頻段能量獲取系統(tǒng)。該能量獲取系統(tǒng)可以獲取環(huán)境中900MHz頻段和2.4GHz頻段的射頻能量,并將其轉(zhuǎn)換為可用的直流電壓給后級電路供電。相對于以往的單一頻段的RF能量獲取,該雙頻段能量獲取可以增加獲得的輸入功率,提高了RF能量的利用效率。本文還詳細地介紹了傳統(tǒng)的閾值自補償整流器的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)缺點。在傳統(tǒng)的閾值自補償整流器的基礎(chǔ)之上,本文將利用PMOS(P型場效應(yīng)晶體管)源極和襯底之間的微弱正偏去降低晶體管的閾值電壓,通過將閾值自補償結(jié)構(gòu)和襯底偏置效應(yīng)結(jié)合起來,整個RF-DC(射頻—直流轉(zhuǎn)換)電路在低輸入功率下的性能得到了極大的提升。為了進一步研究如何設(shè)計RF-DC電路的參數(shù),本文還分別研究了晶體管的寬長比,整流器的級數(shù),補償階數(shù),以及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的增益對整個RF-DC電路性能的影響。并且給出了粗略估算射頻整流器輸出電壓的表達式。同時根據(jù)各個頻段的帶寬的特點,對雙頻段的RF-DC電路的性能進行了單獨的優(yōu)化。為了降低整個RF能量獲取在充電階段的功耗,本文使用無電阻結(jié)構(gòu)的帶隙基準源以及偏置電流源,這大大降低了整體的功耗以及芯片的面積以及充電階段整個電路的功耗。同時本文還提出了一種新型的電壓檢測電路,該電壓檢測電路在充電階段只有一個低功耗比較器消耗能量,使用這個低功耗比較器檢測電壓的上升,而另一個高速比較器只有在電壓的下降階段才正常工作,通過使用低功耗的基準電路,偏置電路,電壓檢測電路,該RF能量獲取在充電階段的功耗降低到了97nA。為了提高芯片的集成度,本文還使用了DFC(Damping-Factor-Compensation)補償?shù)臒o電容LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器),該LDO通過使用DFC補償,將主極點移到第一級的輸出,不需要利用輸出電容的ESR(等效串聯(lián)電阻)零點就可以達到穩(wěn)定。通過對整個RF能量獲取系統(tǒng)進行仿真,整個RF能量獲取在900MHz頻率處的最低輸入功率可以低達-20dBm。
[Abstract]:Energy acquisition circuit has a wide application prospect in replacing battery as power supply. How to obtain energy efficiently has become a hot topic. Energy acquisition circuit can be used in wireless sensor node network (WSNs) to improve its service life and reduce manufacturing cost. At the same time, the energy acquisition circuit can be used in wearable devices to improve the life of wearable devices. RF energy has been used in RFID chip because of its wide range and stable distribution. Compared with other forms of energy acquisition, RF energy acquisition is a difficulty. According to the characteristics of RF energy distribution in the environment, a dual band energy acquisition system is designed in this paper. The energy acquisition system can obtain the RF energy of 900MHz and 2.4GHz bands in the environment, and convert it to the available DC voltage to supply the back stage circuit. Compared with the previous RF energy acquisition in a single frequency band, the dual-band energy acquisition can increase the input power and improve the efficiency of RF energy utilization. The structure, advantages and disadvantages of the traditional threshold self-compensation rectifier are also introduced in detail. Based on the traditional threshold self-compensation rectifier, the threshold voltage of the transistor is reduced by using the weak positive bias between the source pole and the substrate of the PMOSP-type field-effect transistor. By combining the threshold self-compensation structure with the substrate bias effect, the performance of the whole RF-DC (radio-frequency DC) circuit at low input power is greatly improved. In order to further study how to design the parameters of RF-DC circuits, the effects of the aspect ratio of transistors, the series of rectifiers, the order of compensation and the gain of impedance matching network on the performance of the whole RF-DC circuit are also studied in this paper. An expression for estimating the output voltage of RF rectifier is given. At the same time, according to the bandwidth characteristics of each band, the performance of dual band RF-DC circuit is optimized separately. In order to reduce the power consumption of the whole RF energy acquisition during the charging stage, a resistive structure bandgap reference source and a bias current source are used in this paper, which greatly reduces the overall power consumption, the area of the chip and the power consumption of the whole circuit during the charging phase. At the same time, a new type of voltage detection circuit is proposed, which consumes only one low power comparator in the charging stage, and uses this low power comparator to detect the rise of voltage. The other high speed comparator only works normally at the voltage drop stage. By using a low power reference circuit, a bias circuit, and a voltage detection circuit, the RF energy acquisition power consumption is reduced to 97 na during the charging phase. In order to improve the integration of the chip, this paper also uses DFCN Damping-Factor-Compensation (DFCN) compensated capacitive LDO (low Voltage difference Linear regulator), which moves the main pole to the first stage output by using DFC compensation. The ESRs (equivalent series resistance) zeros of the output capacitance are not needed to achieve stability. Through the simulation of the whole RF energy acquisition system, the minimum input power of the whole RF energy acquisition at 900MHz frequency can be as low as -20dBm.
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM619

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本文編號：2036048