改进的接地开关的制作方法

1.本发明涉及一种接地开关。


背景技术：

2.射频识别(rfid)是指由标签和读取器两部分构成的无线系统。读取器为具有一个或多个天线的装置，所述一个或多个天线传输无线电波并从rfid标签接收回信号。使用无线电波将其身份和其它信息传送到附近读取器的标签可以是无源的或有源的。无源rfid标签由读取器供电，并且不具有电池。有源rfid标签由电池供电。近场通信(nfc)为在短距离内进行双向通信的无线通信技术。nfc标签在包括医疗市场、消费者市场、零售市场、工业市场、汽车市场和智能电网市场的多个市场中的使用正在增长。nfc是一种类型的rfid技术。rfid标签需要接地(gnd)开关100(图1)以用于在rfid标签上生成局部接地，并且还用于确保在rfid标签的输入处不存在高的负电压。接地开关100在rfid标签的rf前端中起重要作用。通常，接地开关100为rf前端的寄生电容的主要促成因素。此寄生电容导致rf前端中的输入电容器的非线性行为，且因此由于电力相关的失谐而对rfid标签的性能具有显著影响。由于在典型gnd开关中使用的装置mnavss、mnbvss必须耐受所有操作条件和静电放电(esd)事件，因此装置mnavss、mnbvss开始在较高阈值电压下工作。


技术实现要素：

3.根据本发明的第一方面，提供一种接地开关，包括：
4.天线端口；
5.一对开关装置，其与所述天线端口耦合；
6.电荷泵，其与所述一对装置耦合且被配置成基于通过所述天线端口接收到的ac输入信号和添加到所述ac输入信号的dc偏移电压而接通/断开所述一对装置；以及
7.箝位电路，其用以将所述电荷泵的输出箝定到预定义电平。
8.在一个或多个实施例中，所述箝位电路包括第一箝位开关和第二箝位开关。
9.在一个或多个实施例中，所述电荷泵包括在所述电荷泵的所述输出处的第一输出电容器和第二输出电容器。
10.在一个或多个实施例中，所述第一输出电容器耦合在所述第一箝位开关的栅极与所述天线端口的第一端之间，并且所述第二输出电容器耦合在所述第二箝位开关的栅极与所述天线端口的第二端之间。
11.在一个或多个实施例中，所述箝位电路被配置成将所述电荷泵的所述输出箝定到某一电平，使得添加到所述dc偏移电压的所述ac输入信号的振幅在所述一对开关装置中的每个开关装置的阈值电压上下波动。
12.在一个或多个实施例中，所述接地开关另外包括接地端口以向连接的组件提供接地。
13.在一个或多个实施例中，所述电荷泵包括与所述天线端口的一端耦合的输入电容
器。
14.在一个或多个实施例中，所述电荷泵另外包括第一电荷泵开关和第二电荷泵开关，所述第一电荷泵开关和所述第二电荷泵开关都与所述输入电容器耦合。
15.在一个或多个实施例中，所述第一电荷泵开关的类型与所述第二电荷泵开关的类型不同。
16.在一个或多个实施例中，所述电荷泵包括经由源极彼此耦合的第一nmos晶体管和第二nmos晶体管，并且所述第一nmos和所述第二nmos通过第一电容器和第二电容器耦合在所述天线端口的第一端和第二端之间。
17.在一个或多个实施例中，所述电荷泵另外包括第一pmos晶体管和第二pmos晶体管，其中所述第一pmos晶体管的漏极与所述第一nmos晶体管的栅极耦合，并且所述第二pmos晶体管的漏极与所述第二pmos的栅极耦合。
18.在一个或多个实施例中，所述第一pmos晶体管的基体端与所述第二pmos晶体管的源极耦合，并且所述第二pmos晶体管的基体端与所述第一pmos晶体管的源极耦合。
19.根据本发明的第二方面，提供一种射频识别(rfid)装置，包括根据本文中所公开的任何接地开关以向所述rfid装置的其它组件提供稳定接地。
20.根据本发明的第三方面，提供一种向射频识别(rfid)装置的电路组件提供稳定接地的方法，所述方法包括：
21.从天线接收ac输入信号；
22.生成dc偏移电压并将所述dc偏移电压添加到所述ac输入信号；
23.将所述dc偏移电压限制于dc偏移阈值；以及
24.将添加到所述ac输入信号的受限dc偏移电压施加到与接地输出耦合的接地晶体管的栅极。
25.在一个或多个实施例中，由包括第一箝位开关和第二箝位开关的箝位电路执行限制。
26.在一个或多个实施例中，由电荷泵执行生成所述dc偏移电压，所述电荷泵包括在所述电荷泵的输出处的第一输出电容器和第二输出电容器。
27.在一个或多个实施例中，所述箝位电路被配置成将所述电荷泵的所述输出箝定到某一电平，使得添加到所述dc偏移电压的所述ac输入信号的振幅在所述接地晶体管的阈值电压上下波动。
28.本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
29.为了可以详细地理解本发明的上述特征的方式，可以通过参考实施例来作出上文简要概括的本发明的更特定描述，所述实施例中的一些实施例在附图中示出。然而，应注意，附图仅示出本发明的典型实施例且因此不应被视为限制本发明的范围，这是因为本发明可以准许其它同等有效的实施例。对于本领域的技术人员而言，在结合附图阅读此描述之后，所要求保护的主题的优点将变得显而易见，在附图中，相同的附图标记用于指代相同的元件，并且在附图中：
30.图1描绘用于rfid标签的典型接地开关；
31.图2描绘根据本公开的一个或多个实施例的用于rfid标签的改进的接地开关；
32.图3示出各种场强度下寄生电容的比较曲线；
33.图4示出根据一个或多个实施例的接地开关控制电路；并且
34.图5示出根据一个或多个实施例的接地开关控制电路。
35.应注意，图式未必按比例绘制。并未示出改进的接地开关的所有组件。省略的组件是本领域技术人员已知的。
具体实施方式
36.在描述中已经省略或并未详细描述许多熟知的制造步骤、组件和连接器，以免混淆本公开。
37.应容易理解，本文中大体描述且在附图中示出的实施例的组件可以各种各样不同的配置来布置和设计。因此，以下如图中所表示的各种实施例的更详细描述并非意图限制本公开的范围，而仅仅是表示各种实施例。尽管在图式中呈现了实施例的各个方面，但是除非特别地指示，否则图式未必按比例绘制。
38.在不脱离本发明的精神或基本特性的情况下，可以其它具体形式实施本发明。所描述的这些实施例应当在所有方面都仅被视为说明性而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是由此具体实施方式来指示。在权利要求书等同含义和范围内的所有变化均涵盖在权利要求书的范围内。
39.贯穿本说明书对特征、优点或类似语言的提及并不暗示可通过本发明实现的所有特征和优点应该在或就在本发明的任何单个实施例中。实际上，涉及特征和优点的语言应理解成意指结合实施例描述的具体特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书对特征和优点的论述以及类似语言可以但未必指代同一实施例。
40.此外，本发明的所描述特征、优点和特性可以任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。相关领域的技术人员应认识到，鉴于本文中的描述，本发明可在无具体实施例的特定特征或优点中的一个或多个的情况下实践。在其它情况下，可在某些实施例中识别出可能不存在于本发明的所有实施例中的额外特征和优点。
41.贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”、“一个例子”或类似语言的提及意指结合所指示实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但未必全部指同一实施例。
42.rfid标签可以存储从一个序列号到若干页的数据的一系列信息。rfid读取器可以是移动的，使得它们可以手持，也可以安装在柱子上或头顶上。rfid读取器系统还可构建到机柜、房间或建筑物的架构中。nfc是基于rfid技术的技术。nfc技术可用于提供对等通信或单向通信。当两个具有nfc功能的装置彼此非常接近，约4cm或更近时，它们可使用无线电波与彼此通信。在使用nfc通信的两个装置中，其中的至少一个装置必须是有源装置(供电的)。在许多情况下，所述有源装置将是智能电话、平板电脑、安全平板或支付终端。另一装置可以是有源的或无源的(未供电的)。使用nfc，可以在不到十分之一秒的时间内设置两个装置。
43.在有源对等(p2p)模式下，两个有源装置在其间创建无线通信信道。具有外部电源的有源装置可通过来自有源装置的电磁场为无源装置供电。nfc无源装置在许多应用中使用，因为无源nfc装置可以是简单标签。nfc装置经由无线电波彼此通信。必须首先启用(接通)有源nfc装置。使用天线产生用于nfc的无线电波。nfc通过使用nfc装置之间的电感耦合利用电磁场的特性来工作。所述nfc装置在13.56mhz频率下工作，所述频率为rf频谱上hf的免许可区段。
44.图1示出包括第一开关mnavss和第二开关mnbvss的典型的接地开关100。两个装置mnavss、mnbvss交替地用于将天线端la、lb中的一者连接到接地(gnd)。由于这些装置mnavss、mnbvss必须耐受所有的场强度条件以及esd事件，因此装置大小相对较大，能够承受所述操作条件。然而，较大的装置大小导致前端电容器的寄生电容相对较大。另外，由于较大的大小，这些装置的阈值电压(v
th
)也相对较高，因此需要较高栅极电压来接通装置mnavss、mnbvss。
45.图2示出改进的接地开关120。改进的接地开关120包括开关控制器122以接通/断开装置mnavss、mnbvss。如图3中所示，改进后的接地开关120提供与典型接地开关100(图1)的输入电容曲线132相比大体上平坦的输入电容曲线134。本文中所描述的接地开关的实施例在不同输入信号强度下向例如rfid装置的装置中的连接的组件提供稳定的输入阻抗。改进的接地开关120还减少操作装置mnavss、mnbvss所需的电压。稳定的接地连接有助于减少噪声和使时钟恢复更可靠。改进的接地开关120使输入电容器随场强度的变化变得平坦。电容曲线的平坦化可使得失谐减小。在一些例子中，失谐可大致减小80％。由于控制器122提供的阈值消除，因此装置mnavss、mnbvss可使用相对较低的电压接通。本文中所描述的实施例还改进操作带宽范围。
46.图4示出改进的接地开关120的示例实施方案。改进的接地开关120包括从天线端la、lb接收输入信号的电荷泵124。电荷泵124的输出处的电容器c1和c3使电荷泵124能够被配置成将dc偏移添加到从天线端la、lb接收的高频ac信号。改进的接地开关120还包括箝位电路126，所述箝位电路126被配置成将电荷泵124的输出箝定到预定义信号强度范围内的预定义电压(即，从天线端la、lb接收的ac信号的强度)。箝位电路126限制添加到输入ac信号的dc偏移。
47.电荷泵124由装置mn1、c0、mp0形成，提供dc偏移，并且电容器c3将输入ac信号添加到dc偏移电压。装置mn1的类型与装置mp0的类型相反。类似地，装置mn2、c2、mp1在ac信号的另一方向上提供dc偏移，并且电容器c1将ac信号添加到dc偏移电压，且电荷泵124使用箝位电路126自我限制。箝位电路126包括装置mn3、mn4。箝位电路126被配置成线性箝位，以将电荷泵124的输出限为较低的场强度下的预定义电压。如果场强度超出预定义阈值，则箝位装置mn3、mn4充当开关，因为装置mn3和mn4从充当二极管转换成充当开关。转换阈值由装置mn3、mn4的阈值电压(v
th
)限定。此转换行为允许在较高场强度条件下切断电荷泵效应，其中在没有此效应的情况下，gnd开关将永远不会再次闭合，这将导致性能损失。如果dc偏移过高并且限制器126不具限制性，则施加在mnavss和mnbvss的栅极处的dc电压将过高，使得具有dc偏移的ac信号将不足以切换装置mnavss和mnbvss。在一些例子中，装置mp0的基体128与装置mp1的源极耦合，且装置mp1的基体130与装置mp0的源极耦合，以确保在输入ac信号的正循环期间没有电流流过装置mp1，且在输入ac信号的负循环期间没有电流流过装置
mp0。
48.场效应晶体管(fet)的阈值电压(v
th
)是在源极和漏极端之间创建导电路径所需的最小栅极到源极电压v
gs
。装置mn3的阈值电压(v
th
)高于输入ac信号的dc偏移和振幅，装置mn3将继续充当二极管且会将dc偏移限制于预定义的最大电压。然而，如果ac信号强度增加，则由于场强度较高或到rfid读取器的距离较短，使得输入ac信号的dc偏移电压和振幅高于装置mn3的vth，装置mn3将变成开关，因为在ac电压的循环中的电压的最高值下将接通装置mn3。装置mn4也将展现相同操作特性。添加dc偏移电压会提供以下优点：即使低强度输入ac信号也能够接通/断开开关mnavss和mnbvss。在一些例子中，为了处理例如静电放电(esd)等事件，装置mnavss和mnbvss需要更大，从而将具有更高阈值电压(v
th
)。然而，如果dc偏移过高(与例如装置mnavss的阈值电压相比)，则装置mnavss、mnbvss将永不断开，因为输入ac信号的dc偏移 振幅将保持高于装置mnavss、mnbvss的v
th
。箝位电路126被配置成将dc偏移保持在某一电平，使得输入ac信号的dc偏移 振幅仍能够接通/断开装置mnavss、mnbvss。本文中所描述的改进的接地开关可适合于rfid装置向rfid装置的组件提供稳定接地。图5示出在另一实施例中的接地开关控制电路150。在此例子中，装置mp0的基体152与其自身的源极耦合，并且装置mp1的基体154与其自身的源极耦合。
49.提供此发明内容是为了以简化的形式介绍下文在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。本发明内容并非意图标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也并非意图用于限制所要求保护的主题的范围。
50.在一个实施例中，公开了一种接地开关。所述接地开关包括：天线端口；一对开关装置，其与所述天线端口耦合；以及电荷泵，其与所述一对装置耦合且被配置成基于通过所述天线端口接收到的ac输入信号和添加到所述ac输入信号的dc偏移电压而接通/断开所述一对装置。所述接地开关另外包括箝位电路以将电荷泵的输出箝定到预定义电平。
51.所述接地开关被配置成向装置的组件提供稳定接地，诸如射频识别(rfid)装置。
52.在一些例子中，箝位电路包括第一箝位开关和第二箝位开关，并且电荷泵包括在所述电荷泵的输出处的第一输出电容器和第二输出电容器。第一输出电容器耦合在第一箝位开关的栅极与天线端口的第一端之间，并且第二输出电容器耦合在第二箝位开关的栅极与天线端口的第二端之间。箝位电路被配置成将电荷泵的输出箝定到某一电平，使得添加到dc偏移电压的ac输入信号的振幅在一对开关装置中的每个开关装置的阈值电压上下波动。包括接地端口以向连接的组件提供接地。电荷泵包括与天线端口的一端耦合的输入电容器。电荷泵另外包括第一电荷泵开关和第二电荷泵开关，所述第一电荷泵开关和所述第二电荷泵开关都与输入电容器耦合。第一电荷泵开关的类型与第二电荷泵开关的类型不同。在一些例子中，可使用二极管代替第一电荷泵开关和第二电荷泵开关。
53.电荷泵可包括经由源极彼此耦合的第一nmos晶体管和第二nmos晶体管，并且第一nmos和第二nmos通过第一电容器和第二电容器耦合在天线端口的第一端和第二端之间。电荷泵可另外包括第一pmos晶体管和第二pmos晶体管。第一pmos晶体管的漏极与第一nmos晶体管的栅极耦合，并且第二pmos晶体管的漏极与第二pmos的栅极耦合。在一些例子中，第一pmos晶体管的基体端与第二pmos晶体管的源极耦合，并且第二pmos晶体管的基体端与第一pmos晶体管的源极耦合。
54.在另一例子中，公开了一种射频识别(rfid)装置。所述rfid装置包括本文中所描
述的接地开关以向rfid装置的其它组件提供稳定接地。
55.在另一实施例中，公开了一种向射频识别(rfid)装置的电路组件提供稳定接地的方法。所述方法包括：从天线接收ac输入信号；生成dc偏移电压并将dc偏移电压添加到ac输入信号；将dc偏移电压限制于dc偏移阈值；以及将添加到ac输入信号的受限dc偏移电压施加到与接地输出耦合的接地晶体管的栅极。箝位电路被配置成将电荷泵的输出箝定到某一电平，使得添加到dc偏移电压的ac输入信号的振幅在接地晶体管的阈值电压上下波动。
56.这些实施例中的一些或全部可组合，一些可被完全省略，并且可添加额外过程步骤，同时仍实现本文中所描述的产品。因此，本文中所描述的主题可以许多不同变化体现，并且所有此类变化预期在权利要求书的范围内。
57.尽管已借助于例子和根据具体实施方式描述一个或多个实施方案，但应理解，一个或多个实施方案不限于所公开的实施例。相反地，希望涵盖对本领域的技术人员来说将显而易见的各种修改和类似布置。因此，所附权利要求书的范围应被赋予最广义的解释，以便涵盖所有此类修改和类似布置。
58.除非本文中另外指出或明显与内容相矛盾，否则在描述主题的上下文中(尤其在所附权利要求书的上下文中)，使用术语“一”、“一个”和“所述”以及类似指示物应理解为涵盖单数和复数两者。除非在本文中另外指示，否则对本文中值范围的叙述仅仅意图充当个别提及属于所述范围的每个单独值的速记方法，且每个单独值并入本说明书中，如同在本文中个别地叙述一般。此外，上述描述是仅出于说明的目的，而不是出于限制的目的，因为寻求保护的范围由在下文中阐述的权利要求及其任何等效物来限定。除非另外要求，否则本文中所提供的对任何和所有例子或示例性语言(例如，“例如”)的使用仅仅意图更好地说明主题，而并非对主题的范围造成限制。在权利要求和书面描述中，使用术语“基于”和指示产生结果的条件的其它类似短语并不意图排除产生所述结果的其它条件。本说明书中的任何语言都不应理解为指示实践所主张的本发明所必需的任何非主张的要素。
59.本文中描述发明人已知的用于实行所要求保护的主题的优选实施例。当然，在阅读前述描述之后，那些优选实施例的变化对于本领域的技术人员将变得显而易见。本发明人期望本领域技术人员适时采用此类变化，并且本发明人意图以不同于本文中具体描述的其它方式来实践本发明所要求保护的主题。因此，所要求保护的主题包括可适用法律所准许的在附属权利要求中叙述的主题的所有变化和等效物。此外，除非本文另外指示或以其它方式明显与上下文矛盾，否则涵盖上述元件呈其所有可能变化形式的任何组合。