超高頻無源電子標(biāo)簽芯片的模擬電路設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽內(nèi)存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，常以此作為待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)性信息。應(yīng)用中將電子標(biāo)簽附著在待識(shí)別物品上，作為待識(shí)別物品的電子標(biāo)記。閱讀器與電子標(biāo)簽可按約定的通信協(xié)議互傳信息，通常的情況是由閱讀器向電子標(biāo)簽發(fā)送命令，電子標(biāo)簽根據(jù)收到的閱讀器的命令，將內(nèi)存的標(biāo)識(shí)性數(shù)據(jù)回傳給閱讀器。這種通信是在無接觸方式下，利用交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)的空間耦合及射頻信號(hào)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

電子標(biāo)簽通常由標(biāo)簽天線(或線圈)和標(biāo)簽芯片組成。電子標(biāo)簽芯片即相當(dāng)于一個(gè)具有無線收發(fā)功能再加存貯功能的單片系統(tǒng)(SoC)。從純技術(shù)的角度來說，射頻識(shí)別技術(shù)的核心在電子標(biāo)簽，閱讀器是根據(jù)電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)的。

電子標(biāo)簽依據(jù)發(fā)送射頻信號(hào)的方式不同，分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式標(biāo)簽主動(dòng)向閱讀器發(fā)送射頻信號(hào)，通常由內(nèi)置電池供電，又稱為有源電子標(biāo)簽；被動(dòng)式標(biāo)簽不帶電池，又稱為無源電子標(biāo)簽，其發(fā)射電波及內(nèi)部處理器運(yùn)行所需能量均來自閱讀器產(chǎn)生的電磁波。無源電子標(biāo)簽在接收到閱讀器發(fā)出的電磁波信號(hào)后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量。

一般來說，有源電子標(biāo)簽具有更遠(yuǎn)的通信距離，但其價(jià)格相對(duì)較高，主要應(yīng)用于貴重物品遠(yuǎn)距離檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。無源電子標(biāo)簽具有價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，盡管其工作距離和存儲(chǔ)容量受到能量的限制，但有巨大的市場(chǎng)潛力，是目前業(yè)界研發(fā)的熱點(diǎn)。

無源電子標(biāo)簽芯片主要包括3個(gè)部分：模擬電路、數(shù)字控制和電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(E2PROM)模塊。其中，模擬電路模塊又包括電源產(chǎn)生電路、調(diào)制解調(diào)電路等。

1 超高頻無源電子標(biāo)簽芯片模擬電路的設(shè)計(jì)要求
超高頻(UHF)無源電子標(biāo)簽芯片是基于ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的[1]，ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)是繼ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B標(biāo)準(zhǔn)之后的新標(biāo)準(zhǔn)，它對(duì)前兩種標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議特點(diǎn)進(jìn)行了一系列有效的修正與擴(kuò)充。其中物理層數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制方式、防碰撞算法等一些關(guān)鍵技術(shù)有了改進(jìn)，使得ISO/IEC
18000-6C的性能比ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B有了很大的提高。

在標(biāo)簽設(shè)計(jì)時(shí)，標(biāo)簽芯片的模擬電路部分必須要與標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的空中接口參數(shù)相一致，其主要參數(shù)規(guī)格如表1所示。

表1中的參數(shù)主要是按照ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)選擇，其中標(biāo)簽射頻輸入功率的計(jì)算過程如下。

由電磁場(chǎng)理論可知標(biāo)簽天線處的電磁場(chǎng)能量密度：S =P /Ae =P /[λ2/(4π)]=4πP /λ2=1/2?E 2/η，其中S是標(biāo)簽天線處的電磁場(chǎng)能量密度，P是標(biāo)簽天線接收到的能量，Ae是標(biāo)簽天線的等效接收面積，λ是閱讀器發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)，E是標(biāo)簽天線處的電場(chǎng)強(qiáng)度，η是空氣的波阻抗。
進(jìn)而推導(dǎo)出標(biāo)簽天線處的電場(chǎng)強(qiáng)度為：。

當(dāng)采用半波對(duì)稱陣子當(dāng)作標(biāo)簽天線時(shí)，每個(gè)陣子長(zhǎng)度為λ/4，所以標(biāo)簽天線上的感應(yīng)電壓為：U =E?d =，其中d為單個(gè)陣子的長(zhǎng)度。

由電荷泵電路可知，電荷泵輸入端的電壓必須大于等于0.8 V時(shí)才能開啟整個(gè)電荷泵電路進(jìn)行充電。因此U≥0.8 V，也即：≥0.8，把空氣的波阻抗η=120?π帶入可求得P≥1.1 mW。也即射頻輸入功率至少為1.1 mW才能使標(biāo)簽正常工作。

2 模擬電路設(shè)計(jì)
無源電子標(biāo)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(gè)部分，除此之外還有上電復(fù)位電路等，如圖1所示。

調(diào)制電路對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行射頻調(diào)制，設(shè)計(jì)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(biāo)簽天線的輸入阻抗來改變反射回閱讀器信號(hào)的幅度，從而實(shí)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(duì)閱讀器發(fā)射來的命令信息進(jìn)行解調(diào)，電源產(chǎn)生電路必須能夠?yàn)樾酒械碾娐诽峁┓€(wěn)定充足的電能，在設(shè)計(jì)中采用電荷泵作為電源產(chǎn)生電路。此電路相對(duì)較為復(fù)雜，是整個(gè)芯片模擬電路部分最為關(guān)鍵的部分。
2.1 調(diào)制電路
標(biāo)簽芯片是基于ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，因而標(biāo)簽芯片中的調(diào)制電路采用逆向散射調(diào)制來實(shí)現(xiàn)FM0/Miller+ASK調(diào)制，也就是用數(shù)據(jù)比特流調(diào)制標(biāo)簽天線的輸入阻抗來改變反射回閱讀器信號(hào)的幅度，從而實(shí)現(xiàn)類似于AM調(diào)制的逆向散射調(diào)制，如圖2所示。

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