УМНОЖИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ МАЛОМОЩНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам преобразования входной энергии переменного тока в выходную энергию постоянного тока, а также к устройствам умножения напряжения и может быть использована в пассивных беспроводных микроустройствах в качестве компонента модуля питания.
Функциональным аналогом заявляемой полезной модели является интегральный преобразователь энергии радиочастотного излучения в энергию постоянного тока [Sheu M.-L., Tiao Y.-S., Fan H.-Y., Huang J.-J. Implementation of a 2.45GHz Passive RFID Transponder Chip in 0.18μm CMOS // Journal of Information Science and Engineering. - 2010. - Vol. 26, No. 2. - P. 597-610.], содержащий N последовательно включенных удвоителей напряжения, выходной n-канальный МОП-транзистор в диодном включении с низким пороговым напряжением, выходной накопительный конденсатор, причем каждый удвоитель напряжения состоит из двух n-канальных МОП-транзисторов в диодном включении с низким пороговым напряжением и двух конденсаторов, включенных таким образом, что затвор первого транзистора соединен со стоком первого транзистора, затвор второго транзистора соединен со стоком второго транзистора, исток первого транзистора соединен с первым выводом первого конденсатора и со стоком второго транзистора, исток второго транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора и со стоком первого транзистора последующего удвоителя напряжения, на второй вывод первого конденсатора подается напряжение входного радиочастотного сигнала, второй вывод второго конденсатора соединяется с общей шиной, на сток первого транзистора подается напряжение смещения постоянного тока, затвор выходного n-канального МОП-транзистора соединен со стоком выходного n-канального МОП-транзистора и с истоком второго транзистора в N-ом удвоителе напряжения, исток выходного n-канального МОП-транзистора соединен с первым выводом выходного накопительного конденсатора и с выходной шиной, второй вывод выходного накопительного конденсатора соединен с общей шиной.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются наличие N последовательно включенных удвоителей напряжения, основанных на МОП-транзисторах в диодном включении.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование в качестве выпрямляющих элементов МОП-транзисторов с малым пороговым напряжением для достижения приемлемых уровней напряжения постоянного тока при малой амплитуде входного напряжения, причем размеры таких транзисторов превышают размеры стандартных МОП-транзисторов, а их реализация требует дополнительных операций легирования, что увеличивает стоимость изготовления таких устройств.
Аналогом заявляемой полезной модели является преобразователь энергии электромагнитной волны СВЧ-диапазона в постоянное напряжение [Патент РФ № 2443050 C1, H02M 7/10, 2012], содержащий антенну, шесть диодов и восемь конденсаторов, причем катод первого диода соединен с антенной, анод первого диода соединен с общей шиной, первый вывод первого конденсатора соединен с антенной, второй вывод первого конденсатора соединен с общей шиной, анод второго диода соединен с антенной, катод второго диода соединен с анодом третьего диода, первый вывод второго конденсатора соединен с катодом третьего диода, второй вывод второго конденсатора соединен с антенной, катод третьего диода соединен с анодом четвертого диода, катод четвертого диода соединен с анодом пятого диода, первый вывод третьего конденсатора соединен с катодом пятого диода, второй вывод третьего конденсатора соединен с первым выводом второго конденсатора, первый вывод четвертого конденсатора соединен с катодом третьего диода, второй вывод четвертого конденсатора соединен с общей шиной, катод пятого диода соединен с анодом шестого диода, катод шестого диода соединен с выходной шиной, первый вывод пятого конденсатора соединен с катодом пятого диода, второй вывод пятого конденсатора соединен с общей шиной, первый вывод шестого конденсатора соединен с выходной шиной, второй вывод шестого конденсатора соединен с анодом пятого диода, первый вывод седьмого конденсатора соединен со вторым выводом шестого конденсатора, второй вывод седьмого конденсатора соединен с анодом третьего диода, первый вывод восьмого конденсатора соединен со вторым выводом седьмого конденсатора, второй вывод восьмого конденсатора соединен с общей шиной.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются наличие удвоителей напряжения на основе диодов, которые могут быть реализованы в виде транзисторов в диодном включении.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: необходимость использования для достижения высокой эффективности преобразования энергии при малых уровнях входной мощности резонансно-туннельных диодов с нулевым пороговым напряжением, которые несовместимы со стандартной КМОП-технологией.
Наиболее близким к заявляемому устройству является умножитель напряжения [Shokrani M.R., Khoddam M., Hamidon M.N.B., Kamsani N.A., Rokhani F.Z., Shafie S.B. An RF Energy Harvester System Using UHF Micropower CMOS Rectifier Based on a Diode Connected CMOS Transistor // The Scientific World Journal. – 2014. - Vol. 2014. - P. 1-11.], содержащий N последовательно включенных удвоителей напряжения, причем каждый удвоитель напряжения состоит из двух n-канальных МОП-транзисторов в диодном включении и двух конденсаторов, включенных таким образом, что затвор первого транзистора соединен со стоком первого транзистора, затвор второго транзистора соединен со стоком второго транзистора, исток первого транзистора соединен с первым выводом первого конденсатора и со стоком второго транзистора, исток второго транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора и со стоком первого транзистора последующего удвоителя напряжения, вывод подложки первого транзистора соединен со стоком первого транзистора, вывод подложки второго транзистора соединен со стоком второго транзистора, на второй вывод первого конденсатора подается напряжение входного радиочастотного сигнала, второй вывод второго конденсатора соединяется с общей шиной, сток первого транзистора соединяется с общей шиной в случае первого удвоителя и с истоком второго транзистора предыдущего удвоителя в случае последующих удвоителей, исток второго транзистора в N-ом удвоителе напряжения и первый вывод второго конденсатора в N-ом удвоителе напряжения соединены с выходной шиной.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются наличие 2N конденсаторов, источника входного напряжения переменного тока.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: реализация выпрямителя с умножением напряжения на основе n-канальных МОП-транзисторов с обособленным подключением выводов подложки, что требует формирования индивидуальных карманов для каждого транзистора.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение уровня выходного напряжения и, как следствие, увеличение эффективности умножения напряжения.
Технический результат достигается тем, что введены 2N p-канальных МОП-транзисторов в диодном включении, причем затвор первого транзистора первого каскада соединен с первым выводом источника входного напряжения переменного тока, с выходной шиной напряжения постоянного тока, стоком и подложкой первого транзистора первого каскада, затвор второго транзистора первого каскада соединен с первым выводом первого конденсатора связи, истоком первого транзистора первого каскада, стоком и подложкой второго транзистора первого каскада, затвор первого транзистора второго каскада соединен с первым выводом первого накопительного конденсатора, истоком второго транзистора первого каскада, стоком и подложкой первого транзистора второго каскада, затвор второго транзистора второго каскада соединен с первым выводом второго конденсатора связи, истоком первого транзистора второго каскада, стоком и подложкой второго транзистора второго каскада, исток второго транзистора второго каскада соединен с затвором, стоком и подложкой первого транзистора третьего каскада и первым выводом второго накопительного конденсатора, затвор первого транзистора N-1-го каскада соединен с первым выводом N-2-го накопительного конденсатора, истоком второго транзистора N-2-го каскада, стоком и подложкой первого транзистора N-1-го каскада, затвор второго транзистора N-1-го каскада соединен с первым выводом N-1-го конденсатора связи, истоком первого транзистора N-1-го каскада, стоком и подложкой второго транзистора N-1-го каскада, затвор первого транзистора N-го каскада соединен с первым выводом N-1-го накопительного конденсатора, истоком второго транзистора N-1-го каскада, стоком и подложкой первого транзистора N-го каскада, затвор второго транзистора N-го каскада соединен с первым выводом N-го конденсатора связи, истоком первого транзистора N-го каскада, стоком и подложкой второго транзистора N-го каскада, исток второго транзистора N-го каскада соединен с первым выводом N-го накопительного конденсатора и общей шиной, вторые выводы всех N конденсаторов связи соединены со вторым выводом источника входного напряжения переменного тока, вторые выводы всех N накопительных конденсаторов соединены с выходной шиной напряжения постоянного тока.
Для достижения необходимого технического результата в умножитель напряжения для маломощных приложений, содержащий для N каскадов N конденсаторов связи, N накопительных конденсаторов, источник входного напряжения переменного тока, введены 2N p-канальных МОП-транзисторов в диодном включении, причем затвор первого транзистора первого каскада соединен с первым выводом источника входного напряжения переменного тока, с выходной шиной напряжения постоянного тока, стоком и подложкой первого транзистора первого каскада, затвор второго транзистора первого каскада соединен с первым выводом первого конденсатора связи, истоком первого транзистора первого каскада, стоком и подложкой второго транзистора первого каскада, затвор первого транзистора второго каскада соединен с первым выводом первого накопительного конденсатора, истоком второго транзистора первого каскада, стоком и подложкой первого транзистора второго каскада, затвор второго транзистора второго каскада соединен с первым выводом второго конденсатора связи, истоком первого транзистора второго каскада, стоком и подложкой второго транзистора второго каскада, исток второго транзистора второго каскада соединен с затвором, стоком и подложкой первого транзистора третьего каскада и первым выводом второго накопительного конденсатора, затвор первого транзистора N-1-го каскада соединен с первым выводом N-2-го накопительного конденсатора, истоком второго транзистора N-2-го каскада, стоком и подложкой первого транзистора N-1-го каскада, затвор второго транзистора N-1-го каскада соединен с первым выводом N-1-го конденсатора связи, истоком первого транзистора N-1-го каскада, стоком и подложкой второго транзистора N-1-го каскада, затвор первого транзистора N-го каскада соединен с первым выводом N-1-го накопительного конденсатора, истоком второго транзистора N-1-го каскада, стоком и подложкой первого транзистора N-го каскада, затвор второго транзистора N-го каскада соединен с первым выводом N-го конденсатора связи, истоком первого транзистора N-го каскада, стоком и подложкой второго транзистора N-го каскада, исток второго транзистора N-го каскада соединен с первым выводом N-го накопительного конденсатора и общей шиной, вторые выводы всех N конденсаторов связи соединены со вторым выводом источника входного напряжения переменного тока, вторые выводы всех N накопительных конденсаторов соединены с выходной шиной напряжения постоянного тока.
1,1
1,2
2,1
2,2
N-1,1
N-1,2
N,1
N,2
1,1
1,2
2,1
2,2
N-1,1
N-1,2
N,1
N,2
1,1
1,1
1,2
1,1
1,1
1,2
2,1
1,2
1,2
2,1
2,2
2,1
2,1
2,2
2,2
2,2
N-1,1
N-1,1
N-1,2
N-1,1
N-1,1
N-1,2
N,1
N-1,2
N-1,2
N,1
N,2
N,1
N,1
N,2
N,2
N,2
1,1
2,1
N-1,1
N,1
1,2
2,2
N-1,2
N,2
На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого умножителя напряжения для маломощных приложений, где 1 - источник входного напряжения переменного тока, M – первый p-канальный МОП-транзистор первого каскада, M – второй p-канальный МОП-транзистор первого каскада, M – первый p-канальный МОП-транзистор второго каскада, M – второй p-канальный МОП-транзистор второго каскада, M – первый p-канальный МОП-транзистор N-1-го каскада, M – второй p-канальный МОП-транзистор N-1-го каскада, M – первый p-канальный МОП-транзистор N-го каскада, M – второй p-канальный МОП-транзистор N-го каскада C – первый конденсатор связи, C – первый накопительный конденсатор, C – второй конденсатор связи, C – второй накопительный конденсатор, C – N-1-ый конденсатор связи, C – N-1-ый накопительный конденсатор, C – N-ый конденсатор связи, C – N-ый накопительный конденсатор, причем затвор первого транзистора первого каскада M соединен с первым выводом источника входного напряжения переменного тока 1, с выходной шиной напряжения постоянного тока, стоком и подложкой первого транзистора первого каскада M, затвор второго транзистора первого каскада M соединен с первым выводом первого конденсатора связи C, истоком первого транзистора первого каскада M, стоком и подложкой второго транзистора первого каскада M, затвор первого транзистора второго каскада M соединен с первым выводом первого накопительного конденсатора C, истоком второго транзистора первого каскада M, стоком и подложкой первого транзистора второго каскада M, затвор второго транзистора второго каскада M соединен с первым выводом второго конденсатора связи C, истоком первого транзистора второго каскада M, стоком и подложкой второго транзистора второго каскада M, исток второго транзистора второго каскада M соединен с первым выводом второго накопительного конденсатора C, затвором, стоком и подложкой первого транзистора третьего каскада, затвор первого транзистора N-1-го каскада M соединен с первым выводом N-2-го накопительного конденсатора, истоком второго транзистора N-2-го каскада, стоком и подложкой первого транзистора N-1-го каскада M, затвор второго транзистора N-1-го каскада M соединен с первым выводом N-1-го конденсатора связи C, истоком первого транзистора N-1-го каскада M, стоком и подложкой второго транзистора N-1-го каскада M, затвор первого транзистора N-го каскада M соединен с первым выводом N-1-го накопительного конденсатора C, истоком второго транзистора N-1-го каскада M, стоком и подложкой первого транзистора N-го каскада M, затвор второго транзистора N-го каскада M соединен с первым выводом N-го конденсатора связи C, истоком первого транзистора N-го каскада M, стоком и подложкой второго транзистора N-го каскада M, исток второго транзистора N-го каскада M соединен с первым выводом N-го накопительного конденсатора C и общей шиной, вторые выводы всех N конденсаторов связи (C, C, …, C, C) соединены со вторым выводом источника входного напряжения переменного тока 1, вторые выводы всех N накопительных конденсаторов (C, C, …, C, C) соединены с выходной шиной напряжения постоянного тока.
Работает устройство следующим образом.
1,1
1,1
1,2
1,1
1,2
1,2
1,1
1,2
Радиочастотный сигнал, поступающий на антенну, подается на умножитель в виде переменного напряжения в синусоидальной или импульсной форме. Во время положительного полупериода входного сигнала p-канальный МОП-транзистор M открывается, и через него происходит зарядка конденсатора C, в то время как p-канальный МОП-транзистор M закрыт. Во время отрицательного полупериода входного сигнала транзистор M закрывается, а транзистор M открывается, и через него происходит зарядка конденсатора C. Кроме того во время отрицательного полупериода происходит передача заряда, накопленного на конденсаторе C за время отрицательного полупериода, на конденсатор С. Аналогичным образом действуют остальные транзисторы и конденсаторы в цепи: транзисторы с нечетными номерами открываются во время положительных полупериодов, и через них заряжаются конденсаторы с нечетными номерами (конденсаторы связи), а во время отрицательных полупериодов открываются транзисторы с четными номерами, и через них заряжаются конденсаторы с четными номерами (накопительные конденсаторы).
В случае идеальных выпрямляющих элементов каскад, состоящий из двух МОП-транзисторов и двух конденсаторов, производит на выходе уровень напряжения, равный удвоенному значению амплитуды входного напряжения. Для N-каскадного умножителя с учетом потерь на транзисторах в диодном включении выражение для напряжения на выходе устройства запишется как
а
d
где V – амплитуда входного напряжения, V – падение прямого напряжения на выпрямляющем элементе (транзисторе в диодном включении).
d
В случае, когда выводы подложек транзисторов соединены с общей шиной (стандартное включение), увеличение числа умножающих каскадов приводит к негативному влиянию эффекта подложки на эффективность умножения напряжения. Этот эффект проявляется в том, что в случае стандартного включения разница между потенциалами подложки и истока для каждого транзистора возрастает с увеличением числа каскадов, а увеличение напряжения исток-подложка приводит к увеличению слагаемого V (падения напряжения на элементе) и, следовательно, уменьшению выходного напряжения.
Если же выводы подложек транзисторов в диодном включении соединены со стоками этих же транзисторов, то независимо от числа каскадов значение падения напряжения на элементе сохраняется для всей цепи. Однако реализация такого включения при использовании n-канальных МОП-транзисторов требует осуществления дополнительных технологических операций, либо использования более сложных технологий, что ведет к увеличению стоимости изготовления конечного устройства. По этой причине предлагается использовать p-канальные МОП-транзисторы, для которых реализация описанного выше соединения выводов возможна по стандартной КМОП-технологии. Описанное соединение позволяет достигать требуемого уровня выходного напряжения при малых уровнях входной мощности.
Положительный эффект, заключающийся в повышении уровня выходного напряжения и, как следствие, увеличении эффективности умножения напряжения, был получен за счет реализации особого соединения выводов МОП-транзисторов в цепи умножителя напряжения. Положительный эффект, заключающийся в возможности реализации устройства без усложнения типовой технологии, был получен за счет использования p-канальных МОП-транзисторов.