基于超高頻無源電子標簽芯片的模擬電路設計

　　無源電子標簽芯片的模擬電路部分主要分為調(diào)制電路、解調(diào)電路和電源產(chǎn)生電路3個部分，除此之外還有上電復位電路等，如圖1所示。

　　調(diào)制電路對基帶數(shù)據(jù)進行射頻調(diào)制，設計中主要采用逆向散射調(diào)制，即用數(shù)據(jù)比特流調(diào)制標簽天線的輸入阻抗來改變反射回閱讀器信號的幅度，從而實現(xiàn)類似于幅度調(diào)制（AM）的逆向散射調(diào)制。解調(diào)電路完成對閱讀器發(fā)射來的命令信息進行解調(diào)，電源產(chǎn)生電路必須能夠為芯片中的電路提供穩(wěn)定充足的電能，在設計中采用電荷泵作為電源產(chǎn)生電路。此電路相對較為復雜，是整個芯片模擬電路部分最為關鍵的部分。

　　2.1 調(diào)制電路

　　標簽芯片是基于ISO/IEC 18000-6C標準設計的，因而標簽芯片中的調(diào)制電路采用逆向散射調(diào)制來實現(xiàn)FM0/Miller+ASK調(diào)制，也就是用數(shù)據(jù)比特流調(diào)制標簽天線的輸入阻抗來改變反射回閱讀器信號的幅度，從而實現(xiàn)類似于AM調(diào)制的逆向散射調(diào)制，如圖2所示。

　　此標簽芯片逆向散射調(diào)制電路采用消除了襯底調(diào)制效應的互補金屬氧化物半導體（CMOS）開關電路來實現(xiàn)，用數(shù)字電路送過來的數(shù)據(jù)比特來控制CMOS開關的開與關，也即改變單溝道CMOS開關的輸入阻抗，由于CMOS開關是并聯(lián)在天線兩端的，因而就改變了天線的輸入阻抗，實現(xiàn)了逆向散射調(diào)制的功能。

　　2.2 解調(diào)電路

　　芯片的解調(diào)電路如圖3所示，從天線接收過來的信號先經(jīng)過頻帶選擇濾波器濾波，然后用包絡檢波電路檢波，再用施密特觸發(fā)器對波形進行整形，最后使用1.28 MHz的本地時鐘對整形后的數(shù)據(jù)進行采樣并計數(shù)每個數(shù)據(jù)比特對應的1.28 MHz脈沖的個數(shù)。

　?。?） 帶通濾波器

　　為了減少電容和電感數(shù)量，節(jié)省芯片面積，采用2級反轉Chebyshev濾波器，仿真結果表明其中心頻率為905 MHz，帶寬是220 MHz，相對帶寬是24％，滿足了設計要求。

　?。?） 包絡檢波器

　　包絡檢波器由二極管和并聯(lián)的RC電路組成，只有時間常數(shù)RC大于等于載波周期的100倍時，包絡檢波器的輸出信號才能夠正確地跟隨輸入端調(diào)制信號的包絡變化［2］。鑒于芯片采用CMOS工藝，我們使用金屬氧化物半導體（MOS）管實現(xiàn)包絡檢波器中的二極管、電容和電阻。

　　在ADS中仿真設計的包絡檢波器，結果表明：當輸入的ASK調(diào)制信號的載波頻率在860～960 MHz間變化，基帶信號周期在6.25～25 ？滋s間變化時，檢波器均能較好的解調(diào)出包絡。但檢波后得到的信號波形不是理想的矩形脈沖，出現(xiàn)了較大的變形，因此為了保證后續(xù)電路的正常工作，必須對變形的波形進行整形處理。

　　（3） 施密特觸發(fā)器的設計

　　由上面的分析可知，包絡檢波后的信號出現(xiàn)變形，可能會導致后續(xù)的解碼電路產(chǎn)生錯誤，因此需要對出現(xiàn)變形的信號進行整形處理。我們采用施密特觸發(fā)器來消除脈沖變形。

　?。?） 本地時鐘電路的設計

　　由于閱讀器到標簽的數(shù)據(jù)速率在26.7～128 kb/s之間變化，標簽到閱讀器的數(shù)據(jù)速率在40～640 kb/s之間變化，因此為了正確地調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù)，必須有多種速率的時鐘。經(jīng)過計算得知：芯片中只要有一個1.28 MHz的時鐘，經(jīng)過一系列的分頻就可以得到所需的全部時鐘。由于時鐘速率很低（1.28 MHz），使用常用的LC振蕩器實現(xiàn)時鐘電路，將要用到非常大的電感和電容，而在面積很小的芯片中實現(xiàn)大數(shù)值的電感和電容是不現(xiàn)實的，因而不能采用LC振蕩器。

　　本次設計中我們采用環(huán)形振蕩器來產(chǎn)生本地時鐘［3-4］。此環(huán)形振蕩器由奇數(shù)個CMOS反相器閉環(huán)連接構成，這樣的環(huán)形振蕩器具有集成度高和消耗能量少的優(yōu)點。此外為了增加每級反相器的延遲時間，除最后一級反相器外的反相器輸出端和地之間都接有電容。改變反相器的級數(shù)、電容數(shù)值以及MOS管的尺寸可以調(diào)整振蕩器的振蕩頻率到所需的數(shù)值［5］。我們設計中采用5級反相器構成環(huán)形振蕩器，為了提高集成度，我們使用漏極和源極連接到地的N溝道金屬氧化物半導體（NMOS）管當作電容，調(diào)整MOS管的長度和寬度，最后在ADS中仿真時鐘電路得到的仿真結果表明可以作為芯片中所需的1.28 MHz的時鐘源。

　　2.3 電源產(chǎn)生電路

　　電源產(chǎn)生電路結構框圖如圖4所示。天線接收到的射頻信號經(jīng)過射頻-直流（RF-DC）轉換電路轉化為不低于VL的直流電壓，然后經(jīng)電壓限幅器限幅后得到穩(wěn)定的直流電壓VL（2.8 V）供給除E2PROM外的電路工作；VL和本地時鐘信號經(jīng)過直流-直流（DC- DC）轉換電路和電壓限幅器轉化為直流電壓VH（12 V）供E2PROM使用。

　?。?） RF-DC轉換電路

　　RF-DC轉換電路基于電荷泵電路設計，其原理如圖5所示，芯片設計時用柵源短接的增強型NMOS管代替圖5中的二極管。設RF-DC轉換電路所需二極管的最小個數(shù)為n1，則所需電容個數(shù)也為n1，由于每級電荷泵由2個電容和2個二極管構成，n1必須為偶數(shù)。

　?。?） DC-DC轉換電路

　　DC-DC轉換電路也是采用電荷泵原理來設計。由于電子標簽解調(diào)電路已有本地時鐘電路（通常采用CMOS環(huán)形振蕩器產(chǎn)生幅度為VL /2的時鐘信號），因此用時鐘信號代替射頻信號對電荷泵充電，并從RF-DC轉換電路已產(chǎn)生的直流電壓VL開始充電可以顯著減少DC-DC轉換電路的電路級數(shù)。設此電路所需二極管最小個數(shù)為n2，則此電路所需二極管最小個數(shù)n2為［6］：

　　其中表示偶數(shù)上取整，即先執(zhí)行上取整，如果上取整后不是偶數(shù)則數(shù)值加1。

　?。?） 電壓限幅器

　　標簽工作時，由于標簽和閱讀器距離的變化以及傳播環(huán)境的不同，標簽天線接收到的射頻信號的幅度變化可以高達10倍以上，使電源產(chǎn)生電路輸出的直流電壓產(chǎn)生很大的波動。因此必須對RF-DC、DC-DC轉換電路的輸出電壓進行限幅。我們采用穩(wěn)壓二極管限幅原理對RF-DC、DC-DC轉換電路的輸出電壓進行上限幅，即把多個飽和MOS管串聯(lián)起來充當二極管限幅器。調(diào)整MOS管的寬長比以及摻雜濃度來調(diào)整限幅值為所需數(shù)值。

　　3 結束語

　　本文基于ISO/IEC 18000-6C標準，給出了UHF無源電子標簽芯片模擬電路的設計，設計結果表明電路具有很高的整流效率，滿足了設計要求。下一步的研究將進行標簽芯片的版圖設計和流片，用實際測試結果來進一步驗證設計的有效性。