适用于无源无线传感器网络的远场射频能量收集芯片设计

发布时间：2017-09-26 15:00

  本文关键词：适用于无源无线传感器网络的远场射频能量收集芯片设计

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【摘要】：无源远场射频能量收集芯片是将射频信号转换为稳定的直流电压并驱动负载,主要应用于为无源无线传感器网络供电,也可以用在RFID标签中,作为标签的供电源。它具有无导线连接,能量接收距离远,体积小,寿命长,无需维护等优点。该能量收集电路主要包含CMOS RF-DC倍压整流电路,超低功耗基准电压产生电路、能量值自判断电路和低压差(LDO)线性稳压电路。整个芯片与标准CMOS工艺兼容,提高集成度,降低成本,符合传感器网络节点便携化,小型化的发展趋势。 论文首先介绍无源远场射频能量收集系统的整体结构和基本原理,并分析各个模块的基本原理和电路结构。然后详细阐述无源能量收集芯片中各个模块的设计,包括各个模块的基本电路实现和版图设计,并进行前后仿真验证。 论文中能量收集芯片设计是基于TSMC90nm工艺。经过仿真验证所有功能正常实现,性能指标满足要求。芯片可实现对射频能量的收集,同时输出稳定的直流电压驱动负载。芯片整体能量收集灵敏度优于-24dBm(约4μW),并且输出电压值可根据输入能量大小自动切换为1V或3V,在输入能量值低于设定阈值时为1V,高于设定阈值时为3V。本文设计的：CMOS RF-DC倍压整流电路在负载为1MΩ时,输出电压达到1.4V,整流效率约达49%,当输入能量值为4dBm,负载电阻大于60KΩ时,输出电压可达2.9V以上;超低功耗基准电压产生电路利用工作在亚阈值区的MOS管实现,使其所需电源电压可低于1V,输出基准电压温漂低于220ppm/℃,总电流消耗小于100nA；能量值自判断电路实现了芯片输出电压对输入能量值大小的自适应,同时可以在高能量输入时为LDO电路提供额外的电流；超低功耗LDO电路作为芯片输出级,输出可驱动负载的电压。
【关键词】：远场能量收集 倍压整流 超低功耗 高灵敏度
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 1 引言11-14
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 研究现状12-13
• 1.3 论文的主要工作以及章节安排13-14
• 2 无源远场射频能量收集系统基本原理14-34
• 2.1 无线射频能量传输的基本原理15-16
• 2.2 阻抗匹配基本原理16-17
• 2.3 RF-DC整流倍压电路基本原理与结构17-25
• 2.3.1 两倍整流倍压电路工作原理18-20
• 2.3.2 N级整流倍压电路原理与结构20-23
• 2.3.3 MOS整流倍压电路结构23-25
• 2.4 超低功耗基准电压产生电路25-28
• 2.4.1 带隙基准的基本原理25-26
• 2.4.2 超低功耗基准源的基本原理26-28
• 2.5 超低功耗LDO电路基本原理与主要性能指标28-33
• 2.5.1 超低功耗LDO基本工作原理28-29
• 2.5.2 LDO性能指标29-33
• 2.6 本章小结33-34
• 3 远场能量收集芯片各模块的设计34-64
• 3.1 CMOS RF-DC倍压整流电路的设计34-40
• 3.1.1 CMOS RF-DC倍压整流电路的原理与实现34-38
• 3.1.2 CMOS RF-DC倍压整流电路仿真与分析38-40
• 3.2 超低功耗基准电压产生电路的设计40-47
• 3.2.1 超低功耗基准电压产生电路的原理与实现41-43
• 3.2.2 超低功耗基准电压产生电路的仿真与分析43-47
• 3.3 能量值自判断电路的设计47-50
• 3.3.1 能量值自判断电路的设计与实现47-48
• 3.3.2 能量值自判断电路的仿真与分析48-50
• 3.4 LDO 1V电路设计50-58
• 3.4.1 误差放大器电路设计50-52
• 3.4.2 LDO稳定性分析与仿真52-55
• 3.4.3 LDO整体性能仿真与分析55-58
• 3.5 LDO 3V电路设计58-63
• 3.5.1 带附加尾电流源的误差放大器58-61
• 3.5.2 LDO 3V整体性能仿真与分析61-63
• 3.6 本章小结63-64
• 4 版图设计与后仿64-82
• 4.1 版图设计基本概念64-65
• 4.2 版图设计关键效应65-66
• 4.2.1 闩锁效应65-66
• 4.2.2 天线效应66
• 4.2.3 器件匹配66
• 4.3 远场能量收集芯片版图设计66-70
• 4.3.1 CMOS RF-DC倍压整流电路版图设计66-67
• 4.3.2 超低功耗基准电压产生电路版图设计67
• 4.3.3 能量值自判断电路版图设计67-68
• 4.3.4 LDO版图设计68-69
• 4.3.5 远场能量收集电路整体版图69-70
• 4.4 远场能量收集芯片后仿70-81
• 4.4.1 CMOS RF-DC整流倍压电路后仿70-72
• 4.4.2 超低功耗基准电压产生电路后仿72-74
• 4.4.3 能量值自判断电路后仿74
• 4.4.4 LDO 1V电路后仿74-77
• 4.4.5 LDO 3V电路后仿77-80
• 4.4.6 芯片整体后仿80-81
• 4.5 本章小结81-82
• 5 结论82-83
• 参考文献83-86
• 作者简历86-88
• 学位论文数据集8

【共引文献】

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本文编号：924134