UHF RFID標(biāo)簽芯片模擬射頻前端設(shè)計(jì)

0 引言
    超高頻無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)具有非接觸式、識(shí)別速度快、作用距離遠(yuǎn)、存儲(chǔ)容量大、可多卡識(shí)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(wú)源標(biāo)簽芯片作為超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)的核心組成部分，近年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。研究和設(shè)計(jì)低功耗、小尺寸、高動(dòng)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(dòng)超高頻標(biāo)簽芯片快速發(fā)展。
    在此針對(duì)ISO18000-6C／B標(biāo)準(zhǔn)，研究和分析了UHF RFID無(wú)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?；贑adence Spectre設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)和TSMCO．18μm CMOS混合信號(hào)工藝，對(duì)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(shí)鐘產(chǎn)生電路等核心模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，通過(guò)MPW項(xiàng)目流片實(shí)現(xiàn)。最后，給出了芯片各模塊的測(cè)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(tái)數(shù)據(jù)處理計(jì)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(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，無(wú)源電子標(biāo)簽通過(guò)電磁場(chǎng)耦合獲得能量，利用整流電路將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳎瑢?duì)內(nèi)部其他模塊進(jìn)行供電。標(biāo)簽通過(guò)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?；鶐?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(guò)控制天線接口的阻抗，從而改變天線接口的反射系數(shù)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。數(shù)字電路的系統(tǒng)時(shí)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(shí)現(xiàn)電源產(chǎn)生、調(diào)制／解調(diào)、時(shí)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(chǔ)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(chǔ)、讀／
寫等功能。
    對(duì)于UHF RFID無(wú)源標(biāo)簽芯片，難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)超低功耗的電路設(shè)計(jì)。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(chǔ)在儲(chǔ)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(guò)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(gè)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(jì)
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(jí)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(jí)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(chǔ)能電容。天線的兩端RFin+和RFin-直接或者通過(guò)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(chǔ)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(hào)的幅度；VfD整流二極管的正向電壓；N是采用的整流級(jí)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(jì)中需要對(duì)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(jì)的整流電路可以實(shí)現(xiàn)高低兩個(gè)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(gè)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(jì)穩(wěn)壓電路，以保證標(biāo)簽芯片不會(huì)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(dòng)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(guò)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(lái)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(gè)啟動(dòng)信號(hào)來(lái)使電路處于Stand by狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始。這個(gè)啟動(dòng)信號(hào)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(gè)長(zhǎng)溝道PMOS的延遲作用，使得采樣電路輸出的低電壓VB經(jīng)過(guò)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(shí)間。當(dāng)充電到電容C2上的電壓VE大于整形電路第一個(gè)反相器中晶體管MN6的閾值電壓時(shí)，晶體管MN6導(dǎo)通，輸出電壓VF翻轉(zhuǎn)為低電平。再經(jīng)過(guò)反相，在整形電路的輸出端可以得到復(fù)位信號(hào)的上升沿。充電完成后，緊接著C2通過(guò)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(shí)在整形電路的輸出端得到復(fù)位信號(hào)的下降沿。
2．4 解調(diào)電路
    對(duì)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(hào)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(jí)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(hào)先送入比較器的負(fù)端，再通過(guò)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(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。采用兩級(jí)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(hào)。

    隨著RFID標(biāo)簽距離閱讀器遠(yuǎn)近不同，輸入的射頻信號(hào)幅度可能在幾百mV到幾V之間變化，包絡(luò)檢波器輸出的直流電平會(huì)有很大變化。在包絡(luò)檢波器輸出端并聯(lián)一個(gè)泄流電路，其作用是在輸入信號(hào)過(guò)大時(shí)對(duì)后端比較電路起到泄流穩(wěn)壓的保護(hù)作用，從而避免后端電路工作失常。為了降低功耗，泄流電路在輸入電平較小時(shí)需保持關(guān)斷狀態(tài)。
2．5 調(diào)制電路
    根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求采用反向散射的調(diào)制方法，通過(guò)改變芯片輸入阻抗來(lái)改變芯片與天線間的反射系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制。天線阻抗與芯片輸入阻抗在“0”狀態(tài)下共軛匹配，而在“1”狀態(tài)下存在一定失配。圖6為調(diào)制電路框圖，電容C1并聯(lián)在天線兩端，晶體管M1等效為一個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟，決定了電容是否接入芯片輸入端，從而改變了芯片的輸入阻抗，最終實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制。

2．6 時(shí)鐘產(chǎn)生電路
    時(shí)鐘產(chǎn)生電路采用環(huán)形振蕩器電路，并加入電壓和溫度補(bǔ)償電路，保證在不同的工作電壓和溫度下，頻率偏移在規(guī)定的范圍(±1％)內(nèi)，電路框圖如圖7所示。電壓補(bǔ)償主要依靠一個(gè)電壓基準(zhǔn)電路產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電壓源，提供給五級(jí)環(huán)形振蕩器作為工作電壓，這樣就能保證在輸入電壓在O．9～1．1 V變化范圍內(nèi)，最大頻偏能滿足要求。環(huán)形振蕩器的振蕩頻率呈正溫度系數(shù)特性，故需加入一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的補(bǔ)償電路，并優(yōu)化五級(jí)環(huán)形振蕩器的有源器件的寬長(zhǎng)比，使其溫度系數(shù)恰與自身的溫度系數(shù)互補(bǔ)，使時(shí)鐘產(chǎn)生電路輸出頻率穩(wěn)定。

3 測(cè)試結(jié)果
    基于Cadence Spectre設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)和TSMC0．18μm CMOS混合信號(hào)工藝，對(duì)UHF RFID標(biāo)簽芯片模擬射頻前端進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，并通過(guò)MPW項(xiàng)目流片實(shí)現(xiàn)。模擬射頻前端芯片不含測(cè)試焊盤的核心電路的芯片面積為490μm×420μm，圖8是芯片實(shí)物照片。

    使用Agilent E4432B信號(hào)源對(duì)模擬射頻前端進(jìn)行激勵(lì)，輸入載頻為915 MHz的ASK調(diào)制信號(hào)。圖9為整流電路輸出波形，并測(cè)得穩(wěn)壓電路高、低輸出電壓分別穩(wěn)定在1．O V和1．8 V。圖10解調(diào)電路的輸出波形，可看出該電路能正確解調(diào)40～160 kHz的ASK調(diào)制信號(hào)。圖11(a)是上電復(fù)位電路輸出波形，脈沖寬度大于30μs。時(shí)鐘產(chǎn)生電路輸出如圖11(b)所示，可看出波形近似方波且占空比約50％。使用AgilentN5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀給芯片輸入頻率為915 MHz，功率-5 dBm的測(cè)試信號(hào)，測(cè)得“O”和“1”兩種狀態(tài)下標(biāo)簽反射系數(shù)相差12％。

4 結(jié)語(yǔ)
    這里設(shè)計(jì)了符合ISO18000-6C／B標(biāo)準(zhǔn)的UHFRFID無(wú)源標(biāo)簽芯片模擬射頻前端。模擬射頻前端包括整流器、穩(wěn)壓電路、調(diào)制解調(diào)器、時(shí)鐘電路和上電復(fù)位電路等模塊。采用TSMCO．18μm CMOS混合信號(hào)工藝設(shè)計(jì)、仿真、流片，其核心面積為490μm×420 μm。測(cè)試結(jié)果表明，該模擬射頻前端各模塊性能能夠較好地滿足UHF RFID標(biāo)簽芯片的系統(tǒng)指標(biāo)要求。