一种应用于射频卡的集成稳压电路的设计
1. 引言
近年来，随着无线通信技术，微电子技术的发展，非接触式ic卡(射频卡)技术蓬勃发展，并在众多领域里得到了迅速的普及和推广，如公交自动售票系统、居民身份证卡、电话卡、银行卡等。无源供电技术是射频卡的关键技术之一，目前主要是通过电磁感应原理和集成稳压电路来解决的。当射频卡进入阅读器磁场时，通过电磁感应从磁场中获得能量，即在卡的线圈两端感应出交流电流，经过整流稳压后可得到直流电压。本文讨论一种采用0.35um cmos工艺专为射频卡设计的自反馈开关式稳压电路。
2. 稳压电路的结构设计和工作原理
集成稳压电路也称集成电压调整器，当输入电压或输出电流在一定范围内变化时，其输出电压保持不变。它已被广泛应用于各种电子设备中，以取代分立器件组装的稳压电源。
2.1 电路结构设计
该集成稳压电路主要包括以下几个部分：基准源电路，电压调节电路和电源开关电路。
基准源电路由二级cmos差分放大电路和晶体管电路构成的能隙基准源组成。其结构如图1。
有源电阻p0和多晶电阻r7组成偏置电路，为电路提供偏置电流。二级差分放大器的两个输入连接在q1端和q2端，由基准源原理可知只有放大电路的输入失调电压很小，并且不受温度的影响时，基准源的输出才可以保持好的性能。根据放大器的作用和能隙基准源原理可得：
i1r6=i2r4 (1)
由(1)式可知电路中放大器的输入失调电压接近为零。故稳定后ref点的电压值为下式：
vref=vq1+vr6=vq1+r6i1= vq1+r4i2 (2)
因pnp晶体管的基极和集电极相连，故vq1值相当于晶体管中be结二极管的正向压降vbe 值，vbe一般为0.6~0.8v。
晶体管中be结二极管的温度系数为负，而电阻的温度系数为正，在(2)式中vq1和vr6随温度的变化可以相互补偿，故该基准源的输出vref对温度变化不敏感。
电压调节电路是稳压电路中的核心部分，包括两个一级cmos差分放大电路comp和电压调节及反馈电路，如图2。
两个差分放大器的输入由分压电阻得到，比较放大后经反馈调节和限流保护电路得到ma1和mb1以来控制电源开关电路中开关管的开启和截止。
电源开关电路由储能电容，nmos管构成的整流器及开关电路组成，如图3。p1，p2直接连到线圈l0的两端，通过电磁耦合在p1，p2上感应出交流电，经整流后在储能电容c0端产生直流电压vdd。调压电容c5在n2管导通后构成放电回路使p1，p2上的电流开始对c5充电而停止对c0充电，使c0两端电压保持稳定，即为负载电路提供稳定的电源电压。
射频卡进入阅读器的磁场时，经线圈电磁耦合后在p1，p2上产生交流感应电流，通过整流器转换成直流电流，同时对储能电容c0和电压调节电容c5进行充电。c5电容很小，通过整流器的电流瞬间可将其充满，由于n2管截止在c5两边没有放电回路，故p1，p2上的电流将只对电容c0充电，c0两端产生电源电压vdd，vdd随着电容充电过程而不断升高。整流器中有源电阻和二极管的作用使得p1，p2两端的电压幅值上升，导致a点的电位也随之上升;同时，电压采样电路的输出也随着vdd的升高而升高。当vdd电压值达到v0时(见图4)，采样输出电压都大于基准电压vref，此时电压调节电路中输出ma1，mb1的电压值能够使n1，n2这两个管子先后开启。因n2管源端接地，n2管导通后a上的电压开始降低，使得p1，p2再次对c5进行充电。由于n2管一直处于导通状态，故c5也同时开始放电，此后c5和n2管一直处于一边充电一边放电的状态，且a点电压在一定的范围内振荡。c5的充放电通过反馈使得p1、p2上电压峰值保持在一定的电位上，也不再对电容c0继续充电，故c0两端的电压差保持稳定。此时得到的vdd就是我们所需要的工作电压。射频卡正常工作时由于负载电路的消耗，储能电容c0上的电压会随之下降，当vdd值小于v0值时n2管将截止，c5电容没放电回路，p1，p2对c5充电充满后，将对c0继续充电使c0两端的压差增大，即vdd上升。这样电路中就形成了一个自反馈的稳压电源。
3. 模拟结果
在射频卡正常工作环境中，卡和阅读器的耦合系数很小一般为0.1~0.35左右，阅读器信号电压一般为12v。仿真验证中，加12v、13.56mhz的测试激励以在电感l0上得到感应电流。采用0.35um的spice模型，耦合系数设为0.25，得到vdd稳定电压为3.35v，hspice仿真结果见图4：
4. 结论
通过上述的设计和仿真分析，可知此稳压电路可在短时间内获得稳定电压，并可自动调整;多目标流片测试结果基本与仿真结果一致亦达到设计要求，故具有较好的实用性和参考价值。
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ST推出能够检测五个自由度的多传感器模块
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一种应用于射频卡的集成稳压电路的设计
C/C++之面向对象编程思想2
电子电路图为例解析集成电路画法
PYNQ学习案例——Zynq中断应用及编程思路
区块链能否解决物联网设备的不安全问题
导电银胶的分类方法和组成
大规模MIMO测试在衰落信道数量和信号带宽方面有哪些特点优势？
宏展仪器为电池可靠性测试提供的性能保障
基于MT9P031视频图像处理系统
科普一下MR双射频技术的相关知识
基于人工智能的自监督学习详解
华为成立“煤炭军团”，看5G如何赋能老行业？
DFRobot 编码器套件介绍
不同的天线波束及其用途
中国联通在六个方面的努力
近年来，随着无线通信技术，微电子技术的发展，非接触式ic卡(射频卡)技术蓬勃发展，并在众多领域里得到了迅速的普及和推广，如公交自动售票系统、居民身份证卡、电话卡、银行卡等。无源供电技术是射频卡的关键技术之一，目前主要是通过电磁感应原理和集成稳压电路来解决的。当射频卡进入阅读器磁场时，通过电磁感应从磁场中获得能量，即在卡的线圈两端感应出交流电流，经过整流稳压后可得到直流电压。本文讨论一种采用0.35um cmos工艺专为射频卡设计的自反馈开关式稳压电路。
2. 稳压电路的结构设计和工作原理
集成稳压电路也称集成电压调整器，当输入电压或输出电流在一定范围内变化时，其输出电压保持不变。它已被广泛应用于各种电子设备中，以取代分立器件组装的稳压电源。
2.1 电路结构设计
该集成稳压电路主要包括以下几个部分：基准源电路，电压调节电路和电源开关电路。
基准源电路由二级cmos差分放大电路和晶体管电路构成的能隙基准源组成。其结构如图1。
有源电阻p0和多晶电阻r7组成偏置电路，为电路提供偏置电流。二级差分放大器的两个输入连接在q1端和q2端，由基准源原理可知只有放大电路的输入失调电压很小，并且不受温度的影响时，基准源的输出才可以保持好的性能。根据放大器的作用和能隙基准源原理可得：
i1r6=i2r4 (1)
由(1)式可知电路中放大器的输入失调电压接近为零。故稳定后ref点的电压值为下式：
vref=vq1+vr6=vq1+r6i1= vq1+r4i2 (2)
因pnp晶体管的基极和集电极相连，故vq1值相当于晶体管中be结二极管的正向压降vbe 值，vbe一般为0.6~0.8v。
晶体管中be结二极管的温度系数为负，而电阻的温度系数为正，在(2)式中vq1和vr6随温度的变化可以相互补偿，故该基准源的输出vref对温度变化不敏感。
电压调节电路是稳压电路中的核心部分，包括两个一级cmos差分放大电路comp和电压调节及反馈电路，如图2。
两个差分放大器的输入由分压电阻得到，比较放大后经反馈调节和限流保护电路得到ma1和mb1以来控制电源开关电路中开关管的开启和截止。
电源开关电路由储能电容，nmos管构成的整流器及开关电路组成，如图3。p1，p2直接连到线圈l0的两端，通过电磁耦合在p1，p2上感应出交流电，经整流后在储能电容c0端产生直流电压vdd。调压电容c5在n2管导通后构成放电回路使p1，p2上的电流开始对c5充电而停止对c0充电，使c0两端电压保持稳定，即为负载电路提供稳定的电源电压。
射频卡进入阅读器的磁场时，经线圈电磁耦合后在p1，p2上产生交流感应电流，通过整流器转换成直流电流，同时对储能电容c0和电压调节电容c5进行充电。c5电容很小，通过整流器的电流瞬间可将其充满，由于n2管截止在c5两边没有放电回路，故p1，p2上的电流将只对电容c0充电，c0两端产生电源电压vdd，vdd随着电容充电过程而不断升高。整流器中有源电阻和二极管的作用使得p1，p2两端的电压幅值上升，导致a点的电位也随之上升;同时，电压采样电路的输出也随着vdd的升高而升高。当vdd电压值达到v0时(见图4)，采样输出电压都大于基准电压vref，此时电压调节电路中输出ma1，mb1的电压值能够使n1，n2这两个管子先后开启。因n2管源端接地，n2管导通后a上的电压开始降低，使得p1，p2再次对c5进行充电。由于n2管一直处于导通状态，故c5也同时开始放电，此后c5和n2管一直处于一边充电一边放电的状态，且a点电压在一定的范围内振荡。c5的充放电通过反馈使得p1、p2上电压峰值保持在一定的电位上，也不再对电容c0继续充电，故c0两端的电压差保持稳定。此时得到的vdd就是我们所需要的工作电压。射频卡正常工作时由于负载电路的消耗，储能电容c0上的电压会随之下降，当vdd值小于v0值时n2管将截止，c5电容没放电回路，p1，p2对c5充电充满后，将对c0继续充电使c0两端的压差增大，即vdd上升。这样电路中就形成了一个自反馈的稳压电源。
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4. 结论
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