专利名称：触发电路和整流器、尤其是用于具有压电微型发电机的能量自给的微系统的触发电路和 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将电功率接通至电负载的电子设备，其中可供使用的交流电压首先可以被整流。可供使用的电功率的源例如可以是利用串联的电容提供交流电压的微型发电机。
背景技术：
能量自给的微系统(energieautarkes Mikrosystem)通常包含一个或多个微型发电机、整流器、储能元件和一个或多个传感器。通常，微系统也包含直流-直流转换器、RF块和多个附加电路。微型发电机提供在微瓦或毫瓦范围中的功率。电容器、超级电容器或蓄电池可以被用作存储元件。能量自给的系统可以具有如下元件具有在芯片上进行直流-直流转换的功能的电荷泵和振荡器。无源整流器给储能元件充电，该储能元件例如是电容器。该电路块在所谓的起动阶段(同样可以被称为Mart-up Wiase)期间是不可缺少的。然而，该电路块引起不利的电压降并且低效率。因此，无源整流器是整个系统的瓶颈。需要触发电路来检测在存储电容器上的电压电平和所存储的能量是否足够大到能够激活系统的其他部分、尤其是有源部分。所监控的电压电平必须满足如下两个准则第一振荡器和电荷泵可以工作在所设置的电压范围中；第二 在电容器上必须有足够多地被存储的能量，以便能够实现电荷泵的起动阶段。对触发电路的要求是，触发电路一方面应作为典型的起动电路来工作，这涉及检测供电电压，并且同时触发电路应作为开关电路来工作。对于明显在CMOS供电电平以下的微型发电机电压，常规的解决方案是不可能的，因为常规的电路块、譬如典型的比较器例如由于低供电电压而不工作。对触发电路的另一要求是低功率消耗。该功率消耗与系统功率消耗相比应是低的。另一要求是开关速度，即为了激活系统的其余部分而被触发电路所需的时间。可看到该时间与对于操作所需的能量直接关联。当过渡持续过长时，能量可能不足以支持系统的起动阶段。开关时间因此应尽可能小。最后，希望有针对触发电路的电压阈值设置(Sparmungssctiwelleneinstellung)的可能性。各种微型发电机和系统方案提供了不同的电压电平。触发电路应具有通过其架构确定相对应的电压电平的可能性。在微瓦范围中，直至目前仅曾实现了比较简单的系统，这些系统的架构是不同的。 区别在于微型发电机的类型、微型发电机的电压幅度、整流器和直流-直流转换器的类型。 有些系统由于在输入端上的电压幅度大而不需要起动电路。这些系统通常在介观范围中并且提供在毫瓦范围内的功率。其他系统针对直流-直流转换使用片外部件、尤其是线圈， 针对起动过程使用无源二极管并且对输入端上的电压幅度确立了相对应的要求[1]。目前所采用的无源整流器一方面基于具有相对应的电压降和低效率的一个或多个MOSFET 二极管。另一方面，曾建议了技术上复杂的并且昂贵的解决方案，这些解决方案基于浮栅晶体管 (Floating Gate Transistor)的编程或工艺改造。工艺改造可以基于使用不是CMOS技术中的标准的低阈值/零阈值晶体管。浮栅晶体管的编程要求附加的步骤并且由此要求附加的开销[2]。
发明内容
本发明的任务是提供一种用于检测足够大的电压电平并且用于提供足够的输出功率的触发电路，其中触发电路此外应作为开关电路工作，应具有低功率消耗和短开关时间并且应能够可变地设置开关电压阈值。此外，可以提供一种整流器，所述整流器与常规的解决方案相比在相同输出电压的情况下有效地提供更多输出功率，并且由此在起动阶段期间改善了整流器效率。触发电路和整流器尤其是应该能够使用在具有压电微型发电机的能量自给的微系统中。该任务通过根据主权利要求所述的设备来解决。根据第一方面，本发明的特点在于，形成电流源的第一类型的第一场效应晶体管的源极-漏极路径与形成电流源的第二类型的第二场效应晶体管的源极-漏极路径电串联在输入电压与第三电压之间，其中第一场效应晶体管的第一端子和第二场效应晶体管的第一端子被电连接到形成开关的第二类型的第三场效应晶体管的栅极上，并且在第三场效应晶体管的源极-漏极路径上电施加输入电压和输出电压。本发明的特点在于，第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的工作点分别被设置为使得当输入电压在阈值之下时，其中一个场效应晶体管在有源区中相较于另一场效应晶体管提供了更大的电流，并且当输入电压在阈值之上时，情况相反，其中当场效应晶体管的漏极-源极电压大于饱和漏极-源极电压时，该场效应晶体管处于有源区中。源极-漏极路径同样可以被称为场效应晶体管的沟道。本发明描述了一种新架构，该新架构的功能是能量高效地且可靠地起动系统。第一方面涉及满足在任务提出中所描述的要求的触发电路。本发明的第二方面关注超越无源整流的惯用方案的解决方案，总体上，本发明针对在能量发生器与负载之间的接口电路，该接口电路允许使对于系统的安全运行而言的临界输入功率最小化。对于触发电路或起动电路的基本思想是实现类似比较器的特性，以便检测对电压阈值的超过。由于针对这样的系统的电压阈值在比较器设计有问题的低电压范围中，所以该电路的主要功能借助两个相互竞争的场效应晶体管来实现。起动电路的其余部分能够实现电压阈值的设置、快速过渡阶段和低功率消耗。本发明能够实现可靠的起动(或Mart-up)特性。用来能够起动系统的临界输入功率被减小。需要更低的输入电压来驱动系统。功率消耗降低。电压阈值的设置是可能的。 主要系统特性不受起动电路影响。其他有利的扩展方案结合从属权利要求被请求保护。根据有利的扩展方案，第一场效应晶体管的工作点可以通过如下方式被设置第一电容和第二电容电串联在输入电压与第三电压之间，并且在第一电容和第二电容之间的电连接上可以电连接有第一场效应晶体管的栅极和形成电流吸收器(Stromsenke)的第一类型的第四场效应晶体管的第一端子，其中第四场效应晶体管的栅极可以被电连接到第四场效应晶体管的第二端子上和第三电压上，并且第二场效应晶体管的工作点可以通过如下方式来设置第三电容被电连接在第二场效应晶体管的栅极和第三电压之间，并且在第二场效应晶体管的栅极上可以电连接有形成电流吸收器的第一类型的第七场效应晶体管的第一端子，其中第七场效应晶体管的栅极可以被电连接到第七场效应晶体管的第二端子和第三电压上。根据另一有利的扩展方案，输出电压可以电施加到形成开关的第一类型的第五场效应晶体管的栅极上，第三电压可以被施加到第五场效应晶体管的第二端子上，以及第五场效应晶体管的第一端子可以被电连接到第三场效应晶体管的栅极上。根据另一有利的扩展方案，输出电压可以被电施加到形成开关的第一类型的第六场效应晶体管的栅极上，第三电压可以被施加到第六场效应晶体管的第二端子上，以及第六场效应晶体管的第一端子可以被电连接到第一场效应晶体管的栅极上。根据另一有利的扩展方案，第三电压可以被电施加到形成开关的第二类型的第八场效应晶体管的栅极上，输出电压可以被电施加到第八场效应晶体管的第二端子上，以及第八场效应晶体管的第一端子可以被电连接到第二场效应晶体管的栅极上。根据另一有利的扩展方案，第一场效应晶体管(Ml)的工作点可以通过如下方式被设置第一场效应晶体管的第二端子可以被电连接到第一类型的第十二场效应晶体管的第一端子上，第一场效应晶体管的体端子(Bulkanschluss)通过第十二场效应晶体管的体端子可被电连接到第三电压上，并且输入电压可以施加到第一场效应晶体管的栅极上，其中第三电压可以施加到第十二场效应晶体管的第二端子上，并且第十二场效应晶体管的栅极被电连接到第一逆变器上，以及第二场效应晶体管的工作点可以通过如下方式来设置第三电压可以施加到第二场效应晶体管的栅极上。根据另一有利的扩展方案，在一方面为第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的第一端子与另一方面为第三场效应晶体管的栅极之间可以电连接有第二逆变器。根据另一有利的扩展方案，第一逆变器可以具有第一类型的第十三场效应晶体管，其中第三电压可以施加到第十三场效应晶体管的第二端子上，第十三场效应晶体管的第一端子可以被电连接到第二类型的第十四场效应晶体管的第一端子上以及第十二场效应晶体管的栅极上，并且第十三场效应晶体管的栅极可以被电连接到第十四场效应晶体管的栅极上并且可以被置于输出电压上，其中输入电压可以被施加到第十四场效应晶体管的第二端子上。根据另一有利的扩展方案，第二逆变器可以具有第一类型的第十五场效应晶体管，其中第三电压可以被施加到第十五场效应晶体管的第二端子上，第十五场效应晶体管的第一端子可以被电连接到第二类型的第十六场效应晶体管的第一端子上和第三场效应晶体管的栅极上，并且第十五场效应晶体管的栅极可以被电连接到第十六场效应晶体管的栅极上和第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的第一端子上，其中输入电压可以被施加到第十六场效应晶体管的第二端子上。根据另一有利的扩展方案，在输入电压与第三电压之间可以电连接有第四电容。根据另一有利的扩展方案，形成二极管的第一类型的第九场效应晶体管的源极-漏极路径可以被连接在输入电压与第四电压之间，其中第九场效应晶体管的栅极可以被电连接到第九场效应晶体管的第一端子上。根据另一有利的扩展方案，形成开关的第二类型的第十场效应晶体管的源极-漏极路径与第九场效应晶体管的源极-漏极路径并联。
根据另一有利的扩展方案，在形成电子比较器的第一运算放大器的情况下，第四电压可被施加到负输入端上，而输入电压可被施加到正输入端上，并且输出端可被电连接到第十场效应晶体管的栅极上。根据另一有利的扩展方案，第四电压和第三电压可被施加到形成开关的第一类型的第十一场效应晶体管的源极-漏极路径上。根据另一有利的扩展方案，在形成电子比较器的第二运算放大器的情况下，第四电压可被施加到负输入端，而第三电压可被施加到正输入端，并且输出端可被电连接到第十一场效应晶体管的栅极上。根据另一有利的扩展方案，在第一运算放大器和第二运算放大器上可以作为供电电压分别施加输入电压。根据另一有利的扩展方案，微型发电机可以相对于第三电压提供第四电压，并且输出电压可以被施加到要被供电的负载上。根据另一有利的扩展方案，第三电压可以是地。地指的是地面或者同样是零电势。根据另一有利的扩展方案，第一端子可以是场效应晶体管的漏极，而第二端子可以是场效应晶体管的源极。根据另一有利的扩展方案，第一类型可以是场效应晶体管的η型，而第二类型可以是场效应晶体管的P型。根据另一有利的扩展方案，场效应晶体管可以是金属氧化物半导体场效应晶体管。根据另一有利的扩展方案，根据本发明的设备可以具有如下两个状态在输入电压低于阈值的情况下，使第三、第五、第六和第八场效应晶体管的源极-漏极路径截止，其中通过第二场效应晶体管的沟道的电流大于通过第一场效应晶体管的沟道的电流；在输入电压在阈值以上的情况下(即输入电压在阈值之上)，使第三、第五、第六和第八场效应晶体管的源极-漏极路径导通，其中通过第一场效应晶体管的沟道的电流大于通过第二场效应晶体管的沟道的电流。根据另一有利的扩展方案，可替选的根据本发明的设备可以具有如下两个状态 在输入电压在阈值以下的情况下，使第三场效应晶体管的源极-漏极路径截止，其中通过第一场效应晶体管的沟道的电流大于通过第二场效应晶体管的沟道的电流；或者在输入电压在阈值以上的情况下，使第三场效应晶体管的源极-漏极路径导通，其中通过第二场效应晶体管的沟道的电流大于通过第一场效应晶体管的沟道的电流。根据另一有利的扩展方案，阈值可以借助第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的宽长比来设置。根据另一有利的扩展方案，阈值可以借助第一电容与第二电容之比和/或借助第三电容来设置。根据另一有利的扩展方案，根据本发明的设备可以如下地切换第一运算放大器将第四电压的大小与电输入电压的大小相比较，并且当第四电压大于输入电压时，将第十场效应晶体管切换为导通的。根据另一有利的扩展方案，第二运算放大器可以将第四电压的大小与第三电压的大小相比较，并且当第四电压小于第三电压时将第十一场效应晶体管切换为导通的。
结合附图更为详细地描述了其他有利的扩展方案。其中 图1示出了根据本发明的电路的第一实施例；
图2示出了根据图1的第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的特性曲线； 图3示出了整流电路的实施例； 图4示出了能量自给的系统的输入级的方框电路图； 图5示出了能量自给的系统的方框电路图； 图6示出了根据本发明的电路的第二实施例。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的设备的第一实施例，尤其是触发电路1的第一实施例。 附图标记1表征触发电路1，如其同样在图5作为框1所示出的那样。形成电流源的第一类型的第一场效应晶体管Ml的源极-漏极路径与形成电流源的第二类型的第二场效应晶体管M2的源极-漏极路径电串联在输入电压Vin和第三电压之间，其中第一场效应晶体管 Ml的第一端子和第二场效应晶体管M2的第一端子被电连接到形成开关的第二类型的第三场效应晶体管M3的栅极上，并且在第三场效应晶体管M3的源极-漏极路径上电施加输入电压Vin和输出电压Vout，其中第一场效应晶体管Ml和第二场效应晶体管M2的工作点分别被设置为使得当输入电压Vin在阈值以下时，其中一个场效应晶体管M2、M1在有源区中比另一场效应晶体管提供更大的电流，并且当输入电压Vin在阈值之上时，相反地为其中一个场效应晶体管Ml、M2在有源区中比另一场效应晶体管提供更大的电流，其中，当场效应晶体管的漏极-源极电压大于饱和漏极-源极电压时，该场效应晶体管在有源区中。第一场效应晶体管Ml的工作点通过如下方式来设置第一电容Cl和第二电容C2电串联在输入电压Vin与第三电压之间，并且第一场效应晶体管Ml的栅极和形成电流吸收器的第一类型的第四场效应晶体管M4的第一端子被电连接到在第一电容Cl与第二电容C2之间的电连接，其中第四场效应晶体管M4的栅极被电连接到第四场效应晶体管M4的第二端子上和第三电压上，并且第二场效应晶体管M2的工作点通过如下方式来设置第三电容C3被电连接在第二场效应晶体管M2的栅极与第三电压之间，并且形成电流吸收器的第一类型的第七场效应晶体管M7的第一端子被电连接到第二场效应晶体管M2的栅极上，其中第七场效应晶体管M7的栅极被电连接到第七场效应晶体管M7的第二端子和第三电压上。输出电压 Vout被电施加到形成开关的第一类型的第五场效应晶体管M5的栅极上，第三电压被施加到第五场效应晶体管M5的第二端子上，并且第五场效应晶体管M5的第一端子被电连接到第三场效应晶体管M3的栅极上。输出电压Vout被电施加到形成开关的第一类型的第六场效应晶体管(M6)的栅极上，第三电压被施加到第六场效应晶体管M6的第二端子，以及第六场效应晶体管(M6)的第一端子被电连接到第一场效应晶体管Ml的栅极上。第三电压被电施加到形成开关的第二类型的第八场效应晶体管M8的栅极上，输出电压Vout被电施加到第八场效应晶体管M8的第二端子上，并且第八场效应晶体管M8的第一端子被电连接到第二场效应晶体管M2的栅极上。图1示出了根据本发明的用于触发电路的基本思想的实现方案。晶体管Ml和M2调节电压V并且由此控制具有开关的功能的晶体管M3。电容器Cl和C2与晶体管M4共同用于设置晶体管Ml的工作点。电容器C3和另一晶体管M7用于设置工作点或将晶体管M2 偏置。当输出电压Vout足够高时，晶体管M6、M8和电容器C3使晶体管Ml和M2截止。晶体管M5接着承担了晶体管M3的偏置。晶体管Ml和M2是该电路的核心。这些晶体管Ml和M2相互竞争，即电压V必须满足两个特性曲线的准则。通常，当这两个晶体管如在图1中所示出的那样被连接时，并且当相同的电流流经这两个晶体管时，得到如下特性通过栅极-源极电压/Vgs/的更大尺寸和/或更大数值可潜在地提供更大电流的晶体管必须借助较小的漏极-源极电压Vds减小其电流。思想是晶体管M2在“更强的”晶体管的第一阶段中，更确切地说当输入电压Vin还小于电压阈值时，晶体管M2在“更强的”晶体管的第一阶段中，而晶体管Ml处于另外的第二阶段中。在相对应地确定尺寸的情况下，在输入电压Vin已达到所希望的电压阈值的时亥IJ，出现该晶体管为“更强的”晶体管的过渡。在该时刻，V下降并且晶体管M3导通。图2示出了第一晶体管Ml和第二晶体管M2的作为输入电压Vin的函数的电流，更确切地说，第一晶体管Ml和第二晶体管M2的在漏极-源极电压Vds等于输入电压Vin的情况下的电流。Vin在此具有供电电压的作用。具有垂直线条的线对应于第一场效应晶体管M1，而另外的线对应于第二场效应晶体管M2。线的不同形状能够实现这些线可以在两个点相交。第一交点在范围2至范围3的过渡中，而第二交点在输入电压Vin的范围3中在第一交点的右侧。这两个特性曲线之间的区别源自不同的尺寸确定和偏置或工作点设置。 第一场效应晶体管Ml更大地被确定尺寸，但是该第一场效应晶体管Ml仅得到了输入电压 Vin的部分，更确切地说通过第一电容Cl和第二电容C2的分压器得到了输入电压Vin的部分。第二场效应晶体管M2被确定尺寸为使得对于输入电压Vin的较小的值而言体电流 (Bulkstrom)处于主导。这是图2中的范围1。对于输入电压Vin的稍大一点的值而言，亚阈值电流逐渐地处于主导。这是图2中的范围2。最终，输入电压Vin大于第二场效应晶体管M2的截止电压，并且该晶体管M2工作在饱和中。这是图2中的范围3。第一场效应晶体管Ml更大地被确定尺寸，至少该第一场效应晶体管Ml的宽长比大于第二场效应晶体管M2 的宽长比。由此，该第一场效应晶体管Ml的特性曲线主要是线性的，即亚阈值电流处于主导，其中该曲线图在此半对数地被缩放。电压阈值、即右侧的交点的设置可以借助晶体管的宽长比来提供。由此，特性曲线的电平改变。电压阈值的设置的另一可能性在于提供第一电容Cl与第二电容C2的分压比。当输入电压Vin足够大并且第三场效应晶体管M3导通时，第六场效应晶体管M6和第八场效应晶体管M8将第一晶体管Ml和第二晶体管M2关断。 第五场效应晶体管M5接着承担对第三场效应晶体管M3的偏置。因此，在三个场效应晶体管Ml、M2和M3中，仅仅第三场效应晶体管M3保持为导通的唯一的晶体管，这最终引起低的损耗。图3示出了根据本发明的整流电路的实施例。这样的整流电路可以被电连接在根据本发明的触发电路的上游。对于本发明的另一方面，更确切地说对于在该系统的起动期间的整流，新电路结合了整流的两个原理。更确切地说，如二极管那样运行的金属氧化物半导体晶体管与有源整流器并联，该有源整流器作为供给装置利用整流电路的当前可用的输出电压。由于该输出电压在起动阶段期间从零开始升高，所以该有源整流器从电压电平充足的时刻起开始运行。开始时，有源整流器不是以全部效率工作，但是尽管如此仍可以提供附加的输出功率。以这种方式和方法，所建议的整流电路与典型的纯无源解决方案相比在相同的输出电压的情况下可以提供明显更多的输出功率。由此，整流器效率在起动(或 Start-up)阶段期间得以改善。附图标记3表征无源整流器，如其在图5中作为块3所示出的那样。附图标记9 标识有源整流器，如其在图5中作为块9所示的那样。附图标记7表征微型发电机。该微型发电机同样在图5中作为块7示出。根据图3，连接为二极管的第九场效应晶体管M9作为无源整流器3与有源整流电路9电并联。有源整流电路的元件是第十场效应晶体管MlO和第十一场效应晶体管M11，该第十场效应晶体管MlO可以借助第一运算放大器OPl来切换，该第十一场效应晶体管Mll 可以借助第二运算放大器0P2来切换。缓冲电容C4被电连接在第十场效应晶体管MlO的输出端和第三电压之间。有源整流的原理被应用于带有电容性输出端的微型发电机，如在图3中所示出的那样。在图3中，在左侧在虚线框之内示出了这样的微型发电机。微型发电机的电容性输出端作为电容Cg被示出。在此使用压电微型发电机的简化模型，该简化模型具有电压源Ug (t)和串行输出电容Cg。电压源可以提供各种波形，更确切地说根据微型发电机设计来提供各种波形。Cg的值同样与设计有关。Cg在数十nF的数量级。缓冲电容C4拥有比Cg大相当多的值。这轮证了 C4近似为直流源。两个开关MlO和Mll具有内部电阻值R和被实现为MOSFET场效应晶体管。第十场效应晶体管MlO作为第一开关Sl工作，而第十一场效应晶体管Mll作为第二开关S2工作。在有源整流背后的基本思想类似于用于具有所切换的电容的任意电路中的思想电荷借助电容和开关转移，其中匹配的时间变化过程提供了所要求的电荷流。在此不是使用常规的电容实现方案，而是使用内装的微型发电机电容Cg，其中原理相同。在稳定系统中，有源整流器工作在四个阶段中。开关Sl 由运算放大器OPl来激励，并且当第四电压Vx大于电容C4上的电压时，开关Sl是活动的。 开关S2由运算放大器0P2来控制，并且当第四电压Vx小于0时，开关S2是活动的。工作的四个阶段可以被描述如下
阶段1 在阶段1中，开关Sl和S2打开。发电机电压从起初的0伏特升高。第四电压 Vx直接跟随于发电机电压Ug，因为在电容Cg上的电压保留到0。在该阶段期间，两个开关 Sl和S2是不活动的，使得节点Vx是通流的(fliessend)，并且并不存在用于给电容Cg充电或者放电的路径。阶段2:开关Sl闭合并且开关S2打开。当第四电压Vx达到在电容C4上的电压 (为输入电压Vin)的值时，该阶段开始，其中运算放大器OPl的信号激活开关Si。在Vx恒定并且等于Vin的阶段期间，电容Cg上的电压升高，使得电流i (t)流经该电路。该电流使电荷通过C4，使得输出功率被提供。在该阶段中仅有的是，缓冲电容C4获得电容。阶段3 开关Sl和开关S2打开。当通过该电路的电流下降到0并且改变方向时， 该阶段开始。在该时刻，开关Sl被去激活，使得节点Cx重新是通流的。由于不存在电流路径，所以电容Cg保持被充电，电容Cg的电压在如下偏差的情况下保持恒定并且节点Vx跟随源电压Ug (t)该偏差由电容Cg上的在时刻t2的电压值引起，该电压不为0V。阶段4 开关Sl打开而开关S2闭合。当第四电压Vx下降到0并且变为负时，开关 S2被激活并且阶段4开始。第四电压Vx现在被强制到地，电容Cg上的电压下降并且电流 i (t)流动，其中电容Cg被放电。在该时刻，电压Ug重新升高并且电流i (t)改变方向，这被检测，并且因此开关S2被去激活。从该时刻起，4阶段循环重新开始。最后的阶段是必需的，因为电容Cg在没有阶段4的情况下会保持充电。这会在Ug 与第四电压Vx之间形成偏移，使得第四电压Vx中的峰值电压会仅仅为电容C4上的电压， 这不足以使开关Sl闭合并且提供通过电流。发电机会在所有时间以开路工作方式工作。阶段4提供了电容Cg的放电，更确切地说提供了微型发电机的电极的有效短路，使得电容Cg 重新在阶段2中可以被充电，这提供了至输出端的电荷迁移。传输到输出端的电荷量通过电容Cg上的最大电压被确定。图4示出了能量自给的微系统的输入级的实施例。可靠的起动能够通过触发电路 1来实现，该触发电路1同样可被称为起动电路。触发电路1对应于根据图1或图6的设备。 起动电路监控电容器Cs 上的电压，并且当该电压大于针对该系统给出的电压阈值时，起动电路1激活该系统的在图4中被示为Cilg^P 的其余部分。从该时刻起，起动电路1 消耗可忽略的功率，使得无源整流器3提供的整个功率进一步被递交给负载。在图3中，第九场效应晶体管M9是无源整流器3。图4示出了能量自给的系统的输入级的框图。电压源 Vg和在电压源Vg与无源整流器3之间的阻抗块是微型发电机。图5示出了能量自给的系统的框图。在无源整流器3与起动电路1之间的储能块 5是电容器或者蓄电池。本发明的一个方面涉及如在图5中所示的能量自给的微系统的起动。微型发电机7激励功率管理电路I。微型发电机7提供了借助无源整流器3和有源整流器9和与其相关的控制电路11被整流的信号。经整流的信号被输送给储能块5，该储能块5激励触发电路1或起动电路1。触发电路1为电荷泵13和振荡器15供给电功率。电荷泵13同样激励控制电路11。借助控制电路11激励有源整流器9。借助功率管理电路I 可以激励第二电荷泵17、微控制器19、传感器21和高频电路RF 23。根据本发明，根据图1 或图6的触发电路对应于触发电路1。在该触发电路1的上游连接有由根据图3的有源整流器9和无源整流器3构成的组合。在此，根据图3的电容器C4可以是根据图5的储能块 5。在图3中同样将微型发电机7示为虚线块。图6示出了根据本发明的触发电路1或者起动电路或者起动阶段电路的第二实施例。形成电流源的第一类型的第一场效应晶体管Ml的源极-漏极路径与形成电流源的第二类型的第二场效应晶体管M2的源极-漏极路径电串联在输入电路Vin与第三电压之间， 其中第一场效应晶体管Ml的第一端子和第二场效应晶体管M2的第一端子被电连接到形成开关的第二类型的第三场效应晶体管M3的栅极上，并且输入电压Vin和输出电压Vout电施加到第三场效应晶体管M3的源极-漏极路径上，其中第一场效应晶体管Ml和第二场效应晶体管M2的工作点分别被设置为使得当输入电压Vin在阈值以下时，其中一个场效应晶体管M2、M1在有源区中提供比另一场效应晶体管更大的电流，而当输入电压Vin在阈值以上时，相反地其中一个场效应晶体管Ml、M2在有源区中提供比另一场效应晶体管更大的电流，其中当场效应晶体管的漏极-源极电压大于饱和漏极-源极电压时，该场效应晶体管处于有源区中。第一场效应晶体管Ml的工作点通过如下方式来设置第一场效应晶体管Ml 的第二端子被电连接到形成开关的第一类型的第十二场效应晶体管M12的第一端子上，第一场效应晶体管Ml的体端子通过第十二场效应晶体管M12的体端子被电连接到第三电压上，并且输入电压Vin施加到第一场效应晶体管Ml的栅极上，其中第三电压施加到第十二场效应晶体管M12的第二端子上，并且第十二场效应晶体管M12的栅极被电连接到第一逆变器INVl上，并且第二场效应晶体管M2的工作点通过如下方式被设置第三电压施加到第二场效应晶体管M2的栅极上。在第一场效应晶体管Ml和第二场效应晶体管M2的第一端子与第三场效应晶体管M3的栅极之间电连接有第二逆变器。第一逆变器INVl具有第一类型的第十三场效应晶体管M13，其中第三电压被施加到第十三场效应晶体管M13的第二端子上，第十三场效应晶体管M13的第一端子被电连接到第二类型的第十四场效应晶体管M14 的第一端子上和第十二场效应晶体管M12的栅极上，并且第十三场效应晶体管M13的栅极被电连接到第十四场效应晶体管M14的栅极上并且被置于输出电压Vout上，其中输入电压 Vin被施加到第十四场效应晶体管M14的第二端子上。第二逆变器INV2具有第一类型的第十五场效应晶体管M15，其中第三电压被施加到第十五场效应晶体管M15的第二端子上，第十五场效应晶体管M15的第一端子被电连接到第二类型的第十六场效应晶体管M16的第一端子上和第三场效应晶体管M3的栅极上，并且第十五场效应晶体管M15的栅极被电连接到第十六场效应晶体管M16的栅极上和第一场效应晶体管Ml和第二场效应晶体管M2的第一端子上，其中输入电压(Vin)被施加到第十六场效应晶体管M16的第二端子上。根据图6的触发电路的工作可被描述如下。随着Vin从OV开始升高，在第十二场效应晶体管M12的栅极上的电压跟随输入电压Vin，因为第三场效应晶体管M3不是活动的并且输出电压Vout为0V。在第一场效应晶体管Ml和第二场效应晶体管M2的第一端子(在此为漏极)上的电压V同样跟随输入电压Vin。当输入电压Vin达到NMOS阈值电压Vthn 的值时，第十二场效应晶体管M12接通，而第一场效应晶体管Ml的源极处于第三电压(在此为地)上。第二场效应晶体管M2工作在亚阈值区(Vthp>Vthn)中，而第一场效应晶体管工作在三极模式，这将该电压V拉到第三电压。当输入电压Vin达到值Vthp时，第二场效应晶体管进入饱和模式。在Vin的某个值的情况下，第二场效应晶体管M2比第一场效应晶体管Ml “更强”，使得电压V跃升并且进入三极模式，而第一场效应晶体管Ml进入饱和模式。 在该时刻，第二逆变器INV2将第三场效应晶体管M3接通，该第三场效应晶体管M3作为在输入端和输出端之间的串行开关来工作。如果Vout达到高的值，则第十二场效应晶体管 M12的栅极电压将该第十二场效应晶体管M12关断，这防止了直接的电流垂直流经第二、第一和第十二场效应晶体管M2、M1和M12。此外，当输入电压Vin下降时，第十二场效应晶体管M12的栅极电压具有提供磁滞特性的附加功能。Ml和M2的正确确定尺寸对于实现所要求的开关电压是关键的，这由于变化而允许带宽。该电路在饱和工作时消耗可忽略的功率并且在开关过程期间仅仅消耗多个nW。文献说明S. Xu、K. D. T. Ngo、T. Nishida、G. Chung> A. Sharma 的"Low Frequency Pulsed Resonant Converter for Energy Harvesting，，(IEEE Transactions on Power Electronics，第 22 卷，第 1 期，2007 年 1 月，第 63-67 页)C. Peters、F. Henrici>Μ. Ortmanns> Y. Manoli 的“High-bandwidth floating gate CMOS rectifiers with reduced voltage drop" (IEEE International Symposium on Circuits and Systems，18-21，第 2598-2601 页)
权利要求
1.一种设备，其中，形成电流源的第一类型的第一场效应晶体管(Ml)的源极-漏极路径与形成电流源的第二类型的第二场效应晶体管(M2)的源极-漏极路径电串联在输入电压(Vin)与第三电压之间，其中第一场效应晶体管(Ml)的第一端子和第二场效应晶体管(M2)的第一端子被电连接到形成开关的第二类型的第三场效应晶体管(M3)的栅极上，并且输入电压(Vin)和输出电压(Vout)电施加到第三场效应晶体管(M3)的源极-漏极路径上，其中第一场效应晶体管和第二场效应晶体管(Ml，M2)的工作点分别被设置，使得当输入电压(Vin)在阈值以下时，其中一个场效应晶体管(M2 ；Ml)在有源区中提供比另一场效应晶体管更大的电流，而当输入电压(Vin)在阈值以上时，相反地其中一个场效应晶体管(Ml ；M2)在有源区中提供比另一场效应晶体管更大的电流，其中当场效应晶体管的漏极-源极电压大于饱和漏极-源极电压时，该场效应晶体管在有源区中。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，第一场效应晶体管(Ml)的工作点通过如下方式来设置第一电容(Cl)和第二电容(C2)被电串联在输入电压(Vin)与第三电压之间，并且在第一电容和第二电容(Cl，C2)之间的电连接上电连接有形成电流吸收器的第一类型的第四场效应晶体管(M4)的第一端子和第一场效应晶体管(Ml)的栅极，其中第四场效应晶体管(M4)的栅极被电连接到第四场效应晶体管(M4)的第二端子上和第三电压上， 以及第二场效应晶体管(M2)的工作点通过如下方式来设置第三电容(C3)被电连接在第二场效应晶体管(M2)的栅极与第三电压之间，并且在第二场效应晶体管(M2)的栅极上电连接有形成电流吸收器的第一类型的第七场效应晶体管(M7)的第一端子，其中第七场效应晶体管(M7)的栅极被电连接到第七场效应晶体管(M7)的第二端子和第三电压上。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，输出电压被电施加到形成开关的第一类型的第五场效应晶体管(M5)的栅极上，第三电压被施加到第五场效应晶体管(M5)的第二端子上，并且第五场效应晶体管(M5)的第一端子被电连接到第三场效应晶体管(M3)的栅极上。
4.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，输出电压(Vout)被电施加到形成开关的第一类型的第六场效应晶体管(M6)的栅极上，第三电压被施加到第六场效应晶体管(M6)的第二端子上，并且第六场效应晶体管(M6)的第一端子被电连接到第一场效应晶体管(Ml)的栅极上。
5.根据权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，第三电压被电施加到形成开关的第二类型的第八场效应晶体管(M8)的栅极上，输出电压(Vout)被电施加到第八场效应晶体管(M8)的第二端子上，并且第八场效应晶体管(M8)的第一端子被电连接到第二场效应晶体管(M2)的栅极上。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，第一场效应晶体管(Ml)的工作点通过如下方式来设置第一场效应晶体管(Ml)的第二端子被电连接到形成开关的第一类型的第十二场效应晶体管(M12)的第一端子上，第一场效应晶体管(Ml)的体端子通过第十二场效应晶体管(M12)的体端子被电连接到第三电压上，并且输入电压(Vin)施加到第一场效应晶体管(Ml)的栅极上，其中第三电压施加到第十二场效应晶体管(M12)的第二端子上并且第十二场效应晶体管(M12)的栅极被电连接到第一逆变器(INVl)上，以及第二场效应晶体管(M2)的工作点通过如下方式来设置第三电压施加到第二场效应晶体管(M2)的栅极上。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，在第一场效应晶体管和第二场效应晶体管(M1，M2)的第一端子与第三场效应晶体管(M3)的栅极之间电连接有第二逆变器。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，第一逆变器(INVl)具有第一类型的第十三场效应晶体管(M13)，其中第三电压被施加到第十三场效应晶体管(M13)的第二端子上，第十三场效应晶体管(M13)的第一端子被电连接到第二类型的第十四场效应晶体管 (M14)的第一端子上和被电连接到第十二场效应晶体管(M12)的栅极上，并且第十三场效应晶体管(M13)的栅极被电连接到第十四场效应晶体管(M14)的栅极上并且被置于输出电压 (Vout)上，其中输入电压(Vin)被施加到第十四场效应晶体管(M14)的第二端子上。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，第二逆变器(INV2)具有第一类型的第十五场效应晶体管(M15)，其中第三电压被施加到第十五场效应晶体管(M15)的第二端子上，第十五场效应晶体管(M15)的第一端子被电连接到第二类型的第十六场效应晶体管(M16)的第一端子上和第三场效应晶体管(M 3) 的栅极上，并且第十五场效应晶体管(M15)的栅极被电连接到第十六场效应晶体管(M16) 的栅极上和第一场效应晶体管和第二场效应晶体管(Ml，M2)的第一端子上，其中输入电压 (Vin)被施加到第十六场效应晶体管(M16)的第二端子上。
10.根据权利要求1至9之一所述的设备，其特征在于，在输入电压(Vin)和第三电压之间电连接有第四电容(C4)。
11.根据权利要求1至10之一所述的设备，其特征在于，形成二极管的第一类型的第九场效应晶体管(M9)的源极-漏极路径被电连接在输入电压(Vin)与第四电压(Vx)之间，其中第九场效应晶体管(M9)的栅极被电连接到第九场效应晶体管(M9)的第一端子上。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，形成开关的第二类型的第十场效应晶体管(MlO)的源极-漏极路径与第九场效应晶体管(9)的源极-漏极路径电并联。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，在形成电子比较器的第一运算放大器 (0P1)的情况下，第四电压(Vx)被施加到负输入端上，而输入电压(Vin)被施加到正输入端上，而输出端被电连接到第十场效应晶体管(MlO)的栅极上。
14.根据权利要求11至13之一所述的设备，其特征在于，第四电压(Vx)和第三电压被施加到形成开关的第一类型的第十一场效应晶体管(Mil)的源极-漏极路径上。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，在形成电子比较器的第二运算放大器 (0P2)的情况下，第四电压(Vx)被施加到负输入端上，而第三电压被施加到正输入端上，并且输出端被电连接到第十一场效应晶体管(Mil)的栅极上。
16.根据权利要求13或15所述的设备，其特征在于，在第一运算放大器和第二运算放大器(0P1，0P2)上作为供电电压分别施加输入电压(Vin)。
17.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，微型发电机相对于第三电压提供了第四电压(Vx)，并且输出电压(Vout)被施加到要被供电的负载上。
18.根据权利要求1至17之一所述的设备，其特征在于，第三电压是地(V0)。
19.根据权利要求1至18之一所述的设备，其特征在于，第一端子是场效应晶体管的漏极，而第二端子是场效应晶体管的源极。
20.根据权利要求1至19之一所述的设备，其特征在于，第一类型是场效应晶体管的η 型，而第二类型是场效应晶体管的P型。
21.根据权利要求1至20之一所述的设备，其特征在于，场效应晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。
22.一种用于切换根据权利要求5所述的设备的方法，其特征在于以下步骤，在输入电压(Vin)在阈值以下的情况下，使第三场效应晶体管、第五场效应晶体管、第六场效应晶体管和第八场效应晶体管的源极-漏极路径截止，其中通过第二场效应晶体管 (Μ2)的沟道的电流大于通过第一场效应晶体管(Ml)的沟道的电流；或者在输入电压(Vin)在阈值以上的情况下，使第三场效应晶体管、第五场效应晶体管、第六场效应晶体管和第八场效应晶体管的源极-漏极路径导通，其中通过第一场效应晶体管 (Ml)的沟道的电流大于通过第二场效应晶体管(M2)的沟道的电流。
23.一种用于切换根据权利要求9所述的设备的方法，其特征在于以下步骤在输入电压(Vin)在阈值以下的情况下，使第三场效应晶体管(M3)的源极-漏极路径截止，其中通过第一场效应晶体管(Ml)的沟道的电流大于通过第二场效应晶体管(M2)的沟道的电流；或者在输入电压(Vin)在阈值以上的情况下，使第三场效应晶体管(M3)的源极-漏极路径导通，其中通过第二场效应晶体管(M2)的沟道的电流大于通过第一场效应晶体管(Ml)的沟道的电流。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于，阈值借助第一场效应晶体管和第二场效应晶体管(M1，M2)的宽长比来设置。
25.根据权利要求22或M所述的方法，其特征在于，阈值借助第一电容(Cl)与第二电容(C2)之比以及借助第三电容(C3)来设置。
26.一种用于切换根据权利要求13所述的设备的方法，其特征在于，第一运算放大器 (OPl)将第四电压(Vx)的大小与电输入电压(Vin)的大小相比较，并且当第四电压(Vx)大于输入电压(Vin)时，第一运算放大器(OPl)将第十场效应晶体管(MlO)切换为导通的。
27.一种用于切换根据权利要求15所述的设备的方法，其特征在于，第二运算放大器 (0P2)将第四电压(Vx)的大小与第三电压的大小相比较，并且当第四电压(Vx)小于第三电压时，第二运算放大器(0P2)将第十一场效应晶体管(Mil)切换为导通的。
全文摘要
任务是提供一种用于检测足够大的电压电平并且用于提供足够的输出功率的触发电路。此外，可以提供一种整流器，所述整流器与常规的解决方案相比在相同的输出电压的情况下有效地提供更多的输出功率。触发电路和整流器尤其是应可使用在具有压电微型发电机的能量自给的微系统中。本发明的特点在于在该触发电路中，使用两个相互竞争的场效应晶体管。在整流电路中，如二极管那样连接的场效应晶体管与有源整流器并联。
文档编号H03K17/22GK102474250SQ201080034921
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月6日 优先权日2009年8月7日
发明者弗里 A., 马林科维克 D. 申请人:西门子公司