一種應用于射頻卡的集成穩壓電路的設計

1. 引言
近年來，隨著無線通信技術，微電子技術的發展，非接觸式IC卡（射頻卡）技術蓬勃發展，并在眾多領域里得到了迅速的普及和推廣，如公交自動售票系統、居民身份證卡、電話卡、銀行卡等。無源供電技術是射頻卡的關鍵技術之一，目前主要是通過電磁感應原理和集成穩壓電路來解決的。當射頻卡進入閱讀器磁場時，通過電磁感應從磁場中獲得能量，即在卡的線圈兩端感應出交流電流，經過整流穩壓后可得到直流電壓。本文討論一種采用0.35um CMOS工藝專為射頻卡設計的自反饋開關式穩壓電路。
2. 穩壓電路的結構設計和工作原理
集成穩壓電路也稱集成電壓調整器，當輸入電壓或輸出電流在一定范圍內變化時，其輸出電壓保持不變。它已被廣泛應用于各種電子設備中，以取代分立器件組裝的穩壓電源。
2.1 電路結構設計
該集成穩壓電路主要包括以下幾個部分：基準源電路，電壓調節電路和電源開關電路。
基準源電路由二級CMOS差分放大電路和晶體管電路構成的能隙基準源組成。其結構如圖1。


有源電阻P0和多晶電阻R7組成偏置電路，為電路提供偏置電流。二級差分放大器的兩個輸入連接在Q1端和Q2端，由基準源原理可知只有放大電路的輸入失調電壓很小，并且不受溫度的影響時，基準源的輸出才可以保持好的性能。根據放大器的作用和能隙基準源原理可得：
I1R6=I2R4 （1）
由（1）式可知電路中放大器的輸入失調電壓接近為零。故穩定后REF點的電壓值為下式：
VREF=VQ1+VR6=VQ1+R6I1= VQ1+R4I2 （2）
因PNP晶體管的基極和集電極相連，故VQ1值相當于晶體管中BE結二極管的正向壓降VBE 值，VBE一般為0.6~0.8V。
晶體管中BE結二極管的溫度系數為負，而電阻的溫度系數為正，在（2）式中VQ1和VR6隨溫度的變化可以相互補償，故該基準源的輸出VREF對溫度變化不敏感。
電壓調節電路是穩壓電路中的核心部分，包括兩個一級CMOS差分放大電路COMP和電壓調節及反饋電路，如圖2。


兩個差分放大器的輸入由分壓電阻得到，比較放大后經反饋調節和限流保護電路得到MA1和MB1以來控制電源開關電路中開關管的開啟和截止。
電源開關電路由儲能電容，NMOS管構成的整流器及開關電路組成，如圖3。P1，P2直接連到線圈L0的兩端，通過電磁耦合在P1，P2上感應出交流電，經整流后在儲能電容C0端產生直流電壓VDD。調壓電容C5在N2管導通后構成放電回路使P1，P2上的電流開始對C5充電而停止對C0充電，使C0兩端電壓保持穩定，即為負載電路提供穩定的電源電壓。