UHF RFID標(biāo)簽芯片模擬射頻前端設(shè)計
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超高頻無線射頻識別(RFID)技術(shù)具有非接觸式、識別速度快、作用距離遠(yuǎn)、存儲容量大、可多卡識別等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、零售、交通、物流等行業(yè)。UHF RFID無源標(biāo)簽芯片作為超高頻射頻識別系統(tǒng)的核心組成部分，近年來一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。研究和設(shè)計低功耗、小尺寸、高動態(tài)范圍的模擬射頻前端，可以解決UHF RFID標(biāo)簽芯片的關(guān)鍵技術(shù)難題，并推動超高頻標(biāo)簽芯片快速發(fā)展。
在此針對ISO18000-6C／B標(biāo)準(zhǔn)，研究和分析了UHF RFID無源標(biāo)簽芯片的系統(tǒng)組成以及模擬射頻前端的電路方案。基于Cadence Spectre設(shè)計仿真平臺和TSMCO．18μm CMOS混合信號工藝，對模擬射頻前端的整流電路、穩(wěn)壓電路、ASK調(diào)制／解調(diào)電路、上電復(fù)位電路、時鐘產(chǎn)生電路等核心模塊進(jìn)行了設(shè)計與仿真，通過MPW項目流片實現(xiàn)。最后，給出了芯片各模塊的測試結(jié)果。
1 標(biāo)簽芯片工作原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
UHF RFID系統(tǒng)主要由后臺數(shù)據(jù)處理計算機(jī)、RFID閱讀器和電子標(biāo)簽三部分組成。當(dāng)處在閱讀器的電磁場范圍內(nèi)時，無源電子標(biāo)簽通過電磁場耦合獲得能量，利用整流電路將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳎瑢?nèi)部其他模塊進(jìn)行供電。標(biāo)簽通過ASK解調(diào)電路從射頻脈沖中解調(diào)出指令和數(shù)據(jù)，并送至基帶數(shù)字電路模塊。基帶數(shù)字電路根據(jù)接收到的指令進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)操作。標(biāo)簽通過控制天線接口的阻抗，從而改變天線接口的反射系數(shù)來對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行調(diào)制。數(shù)字電路的系統(tǒng)時鐘由本地振蕩器產(chǎn)生。UHF RFID標(biāo)簽芯片系統(tǒng)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)包括模擬射頻前端和數(shù)字部分。模擬射頻前端主要實現(xiàn)電源產(chǎn)生、調(diào)制／解調(diào)、時鐘產(chǎn)生、上電復(fù)位等功能。數(shù)字控制部分控制著標(biāo)簽內(nèi)部數(shù)據(jù)的流向，按照接收到的指令，控制標(biāo)簽進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換、存儲及返回所需要的內(nèi)容，包括命令解析、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)存儲、讀／
寫等功能。
對于UHF RFID無源標(biāo)簽芯片，難點(diǎn)在于如何實現(xiàn)超低功耗的電路設(shè)計。由于芯片不帶電池，芯片內(nèi)部各模塊工作所需電源完全依靠感應(yīng)閱讀器所發(fā)送的電磁波，整流電路將天線獲得的射頻能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化并存儲在儲能電容中的直流能量。例如按照北美標(biāo)準(zhǔn)，閱讀器的等效全向輻射功率(EIRP)為36 dBm。在自由空間中，電磁波在5 m距離處衰減約45．5 dB，標(biāo)簽所獲得的最大功率不超過100μW，而供芯片內(nèi)部使用的功率僅為幾十μW。為了達(dá)到最大的閱讀距離，需要在兩個方面做出努力：減小模擬和數(shù)字部分的功耗；提高整流電路的整流效率。
2 模擬射頻前端各模塊電路設(shè)計
2．1 整流電路
整流電路的功能主要是將天線感應(yīng)的射頻能量轉(zhuǎn)化為供后級各模塊使用的直流能量，整流電路的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。N級整流電路包含2N只整流二極管和2N只耦合電容，與輸出相連的電容為儲能電容。天線的兩端RFin+和RFin-直接或者通過匹配網(wǎng)絡(luò)連接到整流電路的輸入端，通常RFin-端接地。下標(biāo)為奇數(shù)的電容與下標(biāo)為偶數(shù)的電容分別在輸入電壓的負(fù)半周期和正半周期進(jìn)行充電、儲能，從而產(chǎn)生直流電壓，表達(dá)式為：
式中：VDD是整流電路的輸出直流電壓；VpRF是輸入射頻信號的幅度；VfD整流二極管的正向電壓；N是采用的整流級數(shù)。從式(1)中可以看出，整流二極管上消耗的電壓越小，輸出電壓越大，也意味著其尺寸越大，將導(dǎo)致其反向泄露電流增大，從而降低整流效率。因此，設(shè)計中需要對各種指標(biāo)進(jìn)行折中。根據(jù)UHF RFID標(biāo)簽芯片系統(tǒng)需要，所設(shè)計的整流電路可以實現(xiàn)高低兩個電平輸出。
2．2 穩(wěn)壓電路
穩(wěn)壓電路是將整流電路輸出直流電壓穩(wěn)定在特定電平上，為整個標(biāo)簽芯片提供穩(wěn)定的工作電壓。由于標(biāo)簽空間位置的不確定性，使其與讀／寫器的距離相應(yīng)不固定，以至于標(biāo)簽天線接收的功率變化可達(dá)l 000倍以上。因此，需設(shè)計穩(wěn)壓電路，以保證標(biāo)簽芯片不會由于物理位置變化引起直流工作電壓幅度的改變，從而增大標(biāo)簽芯片的工作動態(tài)范圍。
穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。穩(wěn)壓電路的基本原理是將輸出電壓的和芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較的結(jié)果通過誤差放大器放大，輸入到調(diào)整管的柵極，改變調(diào)整管的柵源電壓，調(diào)節(jié)其輸出電流來跟蹤負(fù)載，從而使低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出電壓穩(wěn)定。
2．3 上電復(fù)位電路
射頻標(biāo)簽供電電源建立成功后，必須給電子標(biāo)簽中的數(shù)字電路提供一個啟動信號來使電路處于Stand by狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)幀的開始。這個啟動信號由上電復(fù)位電路提供。
上電復(fù)位電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。
工作原理如下：隨著電源電壓VDD的升高，由于C1和反相器中4個長溝道PMOS的延遲作用，使得采樣電路輸出的低電壓VB經(jīng)過反相器得到的C點(diǎn)電壓VC與電源電壓VDD之間的壓差大于晶體管MP10的閾值電壓，且能為C2贏得足夠的充電時間。當(dāng)充電到電容C2上的電壓VE大于整形電路第一個反相器中晶體管MN6的閾值電壓時，晶體管MN6導(dǎo)通，輸出電壓VF翻轉(zhuǎn)為低電平。再經(jīng)過反相，在整形電路的輸出端可以得到復(fù)位信號的上升沿。充電完成后，緊接著C2通過晶體管MN；放電，通常放電速度比充電速度更慢。當(dāng)放電到C2上的電壓小于晶體管MN6的閾值電壓，晶體管MN6截止，輸出電壓VF翻轉(zhuǎn)為高電平，此時在整形電路的輸出端得到復(fù)位信號的下降沿。
2．4 解調(diào)電路
對于超高頻RFID標(biāo)簽芯片的ASK解調(diào)電路，通常采用包絡(luò)檢波方式。解調(diào)電路的框圖如圖5所示。按照18000-6C／B標(biāo)準(zhǔn)，電路輸入信號的包絡(luò)頻率范圍為40～160 kHz，脈寬失真小于10％。包絡(luò)檢波器由一級Dickson電路和R2，C3組成的低通濾波器組成。產(chǎn)生的包絡(luò)信號先送入比較器的負(fù)端，再通過低通濾波為比較器提供參考電壓。比較器采用遲滯比較器，具有良好噪聲抑制性能、高動態(tài)范圍等特點(diǎn)。采用兩級反相器目的是將輸出電壓進(jìn)行整形，產(chǎn)生規(guī)則的方波信號。
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