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制電路、解調電路和電源產生電路3個部分，除此之外還有上電復位電路等，如圖1所示。

　　調制電路對基帶數(shù)據進行射頻調制，設計中主要采用逆向散射調制，即用數(shù)據比特流調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)類似于幅度調制（AM）的逆向散射調制。解調電路完成對閱讀器發(fā)射來的命令信息進行解調，電源產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制電路采用逆向散射調制來實現(xiàn)FM0/Miller+ASK調制，也就是用數(shù)據比特流調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調制的逆向散射調制，如圖2所示。

　　此標簽芯片逆向散射調制電路采用消除了襯底調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)了逆向散射調制的功能。

　　2.2 解調電路

　　芯片的解調電路如圖3所示，從天線接收過來的信號先經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)據進行采樣并計數(shù)每個數(shù)據比特對應的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。

　　（4） 本地時鐘電路的設計

　　由于閱讀器到標簽的數(shù)據速率在26.7～128 kb/s之間變化，標簽到閱讀器的數(shù)據速率在40～640 kb/s之間變化，因此為了正確地調制和解調數(shù)據，必須有多種速率的時鐘。經過計算得知：芯片中只要有一個1.28 MHz的時鐘，經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 電源產生電路

　　電源產生電路結構框圖如圖4所示。天線接收到的射頻信號經過射頻-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。

　　（1） 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。由于電子標簽解調電路已有本地時鐘電路（通常采用CMOS環(huán)形振蕩器產生幅度為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，使電源產生電路輸出的直流電壓產生很大的波動。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。調整MOS管的寬長比以及摻雜濃度來調整限幅值為所需數(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。