內(nèi)嵌XPM存儲(chǔ)器RFID高頻接口模塊設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了13.56MHz符合ISO15693的RFID高頻接口模塊的設(shè)計(jì),包括在10%或100%的ASK調(diào)制的時(shí)鐘提取,從交流的天線(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生直流電壓的模塊,限制天線(xiàn)電壓的保護(hù)模塊,解調(diào)和調(diào)制模塊和電源穩(wěn)壓模塊。還介紹了用cadence spectre 工具采用電感耦合仿真模型對(duì)這個(gè)高頻接口進(jìn)行了仿真的結(jié)果,最后用SMIC 0.18um four-metal one poly mixed signal CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)。而且成功的把XPM存儲(chǔ)器技術(shù)集成到RFID芯片中, 實(shí)現(xiàn)了世界上第一次采用XPM存儲(chǔ)器技術(shù)成功的RFID芯片。

　　1.引言

　　RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)是從上世紀(jì)80 年代走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展 十分迅速。其技術(shù)的覆蓋范圍廣泛，許多正在應(yīng)用中的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)都可以歸于RFID 技術(shù) 之內(nèi)，但它們的工作原理、工作頻率、技術(shù)特點(diǎn)、適用領(lǐng)域以及遵循的標(biāo)準(zhǔn)卻是不同的。 RFID 系統(tǒng)的工作頻率，主要有125KHz、13.56Mhz、400MHz、860～960MHz、2.45GHz、 5.8GHz 等多個(gè)頻段。

　　但是，不同的國(guó)家和地區(qū)的對(duì)頻率的分配和最大發(fā)射功率的規(guī)定是不 同的。在某些地區(qū)，某些頻段的RFID 產(chǎn)品可能是被禁止使用的。 其中13.56MHz的RFID國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有ISO14443和ISO15693兩種。

　　ISO14443又分為T(mén)ype A 和 Type B兩中。其中Type A 以飛利浦的Mifare one 為代表, Type B有代表性的是目前我國(guó)正 在發(fā)行的*。ISO14443是近耦合通訊協(xié)議，通訊距離小于10cm. ISO15693是疏耦合 通訊協(xié)議，通訊距離可以達(dá)到1.5m.

　　在ISO15693協(xié)議中，為了從閱讀器到疏耦合IC卡的數(shù)據(jù)傳輸，不僅使用了10%的ASK調(diào)制，而且還使用了100%的ASK.此外，有兩種不同的編碼方法：一是“256中取1”，另一種是“4中取1”。

　　這部分電路通過(guò)Cadence spectre 仿真環(huán)境進(jìn)行了仿真，并通過(guò)SMIC CMOS 0.18um one play four metal工藝流片驗(yàn)證。

　　此RFID技術(shù)采用獨(dú)創(chuàng)的一項(xiàng)新的RFID芯片技術(shù)，不同于常規(guī)RFID芯片，此RFID沒(méi)有采用 傳統(tǒng)EEPROM存儲(chǔ)器，而是應(yīng)用了彭澤忠博士發(fā)明的存儲(chǔ)器技術(shù)-XPMTM（超級(jí)永久性存儲(chǔ)器） 技術(shù)。XPMTM，即Super Permanent Memory（超級(jí)永久性存儲(chǔ)器）。我們起名為X-RFID,X-RFID 具有高安全、低價(jià)、可靠性高和容量大等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于圖書(shū)管理、證件防偽，景點(diǎn)會(huì) 議門(mén)票，產(chǎn)品防偽，電子錢(qián)包，資產(chǎn)管理，單品管理，物流和供應(yīng)鏈管理等眾多領(lǐng)域。

　　本文的重點(diǎn)講述X-RFID芯片高頻模擬接口模塊的設(shè)計(jì).下面第二節(jié)和第三節(jié)描述了RFID 芯片的整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第四節(jié)描述了13.56MHz RFID系統(tǒng)的電感耦合仿真模型和仿真結(jié)果。 第五節(jié)得出了結(jié)論。

　　2.應(yīng)答器芯片的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　13.56MHz 符合ISO15693協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的RFID的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示. 這個(gè)芯片是通過(guò)電感 耦合的方式來(lái)獲得芯片工作需要的電源,所以稱(chēng)為無(wú)源RFID芯片.主要結(jié)構(gòu)包括: 模擬前端 接口電路, 數(shù)字邏輯控制電路和memory電路.此芯片只有2個(gè)PAD連接外部天線(xiàn). 模擬前端接 口電路包括: 全波橋式整流電路、穩(wěn)壓電路、高壓保護(hù)電路、調(diào)制電路、解調(diào)電路、上電復(fù) 位電路、時(shí)鐘提取電路。

　　圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　當(dāng) RFID 標(biāo)簽芯片進(jìn)入到讀卡器的磁場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)RFID 標(biāo)簽芯片的天線(xiàn)和讀卡器 天線(xiàn)之間的耦合，13.56Mhz 的交流正弦波信號(hào)傳到全波橋式整流電路，然后轉(zhuǎn)變成直流電 壓，通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓到需要的電壓值給數(shù)字邏輯控制電路和Memory 電路作為電源使用。

　　由于讀卡機(jī)發(fā)出的磁場(chǎng)強(qiáng)度跟與讀卡機(jī)的遠(yuǎn)近距離有關(guān)，在離讀卡機(jī)距離近的地方磁場(chǎng)強(qiáng)度 大，離讀卡機(jī)距離遠(yuǎn)的地方磁場(chǎng)強(qiáng)度少，當(dāng)RFID 標(biāo)簽芯片離讀卡機(jī)距離很近時(shí)，由于磁場(chǎng) 強(qiáng)度很大，RFID 標(biāo)簽芯片天線(xiàn)兩端耦合過(guò)來(lái)的電壓值很高，如果不進(jìn)行高壓保護(hù)的話(huà)，會(huì) 對(duì)RFID 標(biāo)簽芯片內(nèi)部電路造成損壞，所以高壓保護(hù)電路必不可少。讀卡機(jī)和RFID 標(biāo)簽之間 的通訊是采用半雙工的模式,讀卡機(jī)發(fā)出的指令通過(guò)ASK 調(diào)制疊加到載波上發(fā)送給RFID 標(biāo)簽 芯片，RFID 標(biāo)簽芯片通過(guò)自己內(nèi)部的解調(diào)電路把指令解調(diào)出來(lái)送到數(shù)字邏輯控制電路進(jìn)行 譯碼，然后處理相應(yīng)的指令。RFID 標(biāo)簽芯片的數(shù)據(jù)的返回通過(guò)自己內(nèi)部的調(diào)制電路把數(shù)據(jù) 疊加到讀卡器發(fā)出的載波上發(fā)送給讀卡機(jī)，讀卡機(jī)通過(guò)自己內(nèi)波的解調(diào)電路把數(shù)據(jù)解調(diào)出 來(lái)。這樣讀卡器和RFID 標(biāo)簽完成互相通信。

　　2.1 全波橋式整流電路

　　全波橋式整流電路把天線(xiàn)耦合過(guò)來(lái)的13.56MHz正弦波信號(hào)裝換成直流信號(hào)，通過(guò)穩(wěn)壓電 路后提供給數(shù)字邏輯控制電路和Memory電路的VDD和GND.電路圖如圖2所示。

　　圖 2 全波橋式整流電路

　　圖中n1和n2中兩個(gè)NMOS晶體管作為開(kāi)關(guān)源極接GND,漏極接天線(xiàn)的兩端。而n3和n4中兩個(gè) NMOS晶體管作為二極管使用，柵極和漏極連接在一起接天線(xiàn)的一端，源極接電源VDD，VDD 通過(guò)一個(gè)大電容接地，此大電容為儲(chǔ)能電容，即存儲(chǔ)天線(xiàn)耦合過(guò)來(lái)的電荷，提供給內(nèi)部電路 作電源VDD。

　　其中：Vm 是天線(xiàn)正弦波信號(hào)的峰峰值， Vth是NMOS晶體管的閾值電壓。

　　2.2 時(shí)鐘產(chǎn)生電路

　　時(shí)鐘產(chǎn)生電路如圖3 所示,兩個(gè)反相器電路組成了鎖存器電路.信號(hào)相位相反的 13.56MHz 的正弦信號(hào)通過(guò)天線(xiàn)端coil1 和coil2 加到NMOS 管M7 和M8 上,當(dāng)coil1 為高電 平信號(hào)時(shí), coil2 就為低電平信號(hào),這時(shí)NMOS 管M7 導(dǎo)通,M8 截止. 當(dāng)coil1 為低電平 時(shí),coil2 就變?yōu)楦唠娖?這是NMOS 晶體管M7 截止,M8 導(dǎo)通. 通過(guò)這種交替控制,時(shí)鐘產(chǎn)生電 路產(chǎn)生了13.56MHz 的方波時(shí)鐘信號(hào)。

　　圖3 時(shí)鐘產(chǎn)生電路