基于ISO14443A協(xié)議的RFID芯片模擬前端設(shè)計(jì)

摘要：實(shí)現(xiàn)基于ISO14443A協(xié)議的13．56 MHz RFID芯片的設(shè)計(jì)，并在SMIC 0．18 μm工藝下流片，芯片測(cè)試結(jié)果良好。RFID芯片模擬前端部分在AC—DC電源產(chǎn)生部分采用了新的結(jié)構(gòu)，不需要引入LDO就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電源。在數(shù)據(jù)接收部分采用了新結(jié)構(gòu)，可以抵御工藝偏差引起的器件參數(shù)的變化。在數(shù)據(jù)發(fā)送部分，從系統(tǒng)上作了優(yōu)化，使模擬部分的電路變得簡(jiǎn)單可靠。整個(gè)模擬部分的電流小于100μA。
關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；整流器；限幅器；調(diào)制器；解調(diào)器

引言
    RFID(射頻識(shí)別)被廣泛地應(yīng)用在人們的日常生活中，如門禁、市民卡、機(jī)場(chǎng)、物流等領(lǐng)域。RFID芯片的需求量與日俱增，給低功耗、小面積的芯片設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。低功耗、小面積、低成本的RFID芯片在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中更有優(yōu)勢(shì)。本文給出的RFID芯片設(shè)計(jì)，從整個(gè)系統(tǒng)上對(duì)數(shù)字部分電路的功耗作了優(yōu)化，并且對(duì)模擬電路部分作了一些改進(jìn)，減小了芯片功耗和面積，從而降低了成本。該RFID芯片于2010年6月在SMIC 0．18 μm工藝下流片，工作情況良好。

1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    圖1為RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。整個(gè)RFID系統(tǒng)包括讀卡器、RFID芯片和耦合線圈?？ㄅc讀卡器通信過(guò)程中的能量和數(shù)據(jù)通過(guò)線圈耦合，當(dāng)二者無(wú)數(shù)據(jù)交互時(shí)，讀卡器向空間中發(fā)送13．56 MHz的正弦載波信號(hào)?？拷x卡器時(shí)，片外線圈會(huì)耦合空間中的磁場(chǎng)為RFID芯片提供能量，使模擬前端和其他部分上電，準(zhǔn)備交互。RFID芯片接收到的數(shù)據(jù)是100％的幅度調(diào)制，采用改進(jìn)型的曼徹斯特編碼。RFID發(fā)送到讀卡器的數(shù)據(jù)也采用幅度調(diào)制。

2 模擬前端結(jié)構(gòu)
    圖2為模擬前端的結(jié)構(gòu)框圖，L為片外電感，C為片內(nèi)電容，LC諧振在13．56 MHz。RFID讀卡器通過(guò)線圈發(fā)送能量和數(shù)據(jù)，LC諧振回路接收讀卡器發(fā)出的信號(hào)，并通過(guò)模擬前端電路提取出電源和數(shù)據(jù)，提供給整個(gè)芯片，以使卡與讀卡器進(jìn)行交互。

    當(dāng)RFID靠近讀卡器時(shí)，整流器產(chǎn)生的電源電壓被LC諧振電路提高，當(dāng)電壓提高的一定值時(shí)，限幅器工作，使電源電壓被箝位并穩(wěn)定在設(shè)定的值上，給其他模擬模塊和數(shù)字部分供電。上電復(fù)位電路(POR)工作，給出復(fù)位信號(hào)，使數(shù)字部分復(fù)位。讀卡器發(fā)出的數(shù)據(jù)是載波為13．56
MHz數(shù)據(jù)率為106 kb／s的100％幅度調(diào)制信號(hào)，通過(guò)解調(diào)器解調(diào)提供給數(shù)字部分處理。RFID通過(guò)調(diào)制器向讀卡器發(fā)出載波為13．56 MHz數(shù)據(jù)率為847 kb／s的幅度調(diào)制信號(hào)。
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3 模擬前端電路設(shè)計(jì)
3．1 電源產(chǎn)生
    圖3為電源產(chǎn)生電路，由整流器和限幅器組成。當(dāng)卡與讀卡器無(wú)數(shù)據(jù)交互時(shí)，讀卡器向空間中發(fā)射13．56MHz的正弦交變電磁場(chǎng)。圖3中L為片外電感，C為片內(nèi)電容，LC匹配的諧振頻率為13．56 MHz，C1為穩(wěn)壓儲(chǔ)能電容。當(dāng)卡由遠(yuǎn)及近靠近讀卡器時(shí)，LC發(fā)生諧振，RF1和RF2上的電壓被諧振電路抬高，整流器開始工作，將正弦交變電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓VDD。當(dāng)空間中電磁場(chǎng)強(qiáng)度很弱時(shí)，VDD電壓值較低，不能給芯片供電。隨著卡靠近讀卡器，LC耦合得到的能量變強(qiáng)，VDD升高到芯片工作所需要的額定電壓，芯片開始工作。但是，若卡繼續(xù)靠近讀卡器，VDD會(huì)繼續(xù)上升，上升到超過(guò)MOS的擊穿電壓時(shí)芯片內(nèi)的器件會(huì)被燒壞而失效。所以，需要引入限幅器，使VDD穩(wěn)定在芯片工作的額定電壓，這里設(shè)定的是2V。

    限幅器的設(shè)計(jì)需要滿足兩點(diǎn)要求：第一，可精確調(diào)節(jié)；第二，高增益。正常情況下讀卡器提供的能量大于其正常工作需要的能量，多余的能量需要限幅器泄放掉。隨著卡靠近讀卡器，RF1和RF2的電壓升高，VDD和Vdect跟隨RF1、RF2上升，當(dāng)：
    VDD≈V_dect=3Vthp+VREF (1)
    此時(shí)，M61、M62、M63組成的支路導(dǎo)通，M51的尺寸遠(yuǎn)大于M52的尺寸，二者構(gòu)成的反相器翻轉(zhuǎn)閾值為V_dect—Vthp，當(dāng)M61所在支路導(dǎo)通時(shí)，M51和M52構(gòu)成的反相器翻轉(zhuǎn)，X輸出高電壓，使M7打開，RF1和RF2通過(guò)M31、M32泄流，從而電壓VDD被箝位穩(wěn)定在式(1)所示的值上。反相器高增益使限幅器的靈敏度提高，當(dāng)VDD恰好達(dá)到式(1)時(shí)，限幅器就開始泄流穩(wěn)壓，使VDD不隨讀卡器能量的變化而變化，以及不隨負(fù)載的變化而變化。高增益的限幅器可以看作理想的穩(wěn)壓二極管。由式(1)可知，只需調(diào)節(jié)VREF即可得到精確的想要的VDD，例如Vthp=0．4 V，需要VDD=2 V，只需設(shè)定VREF=0．8 V即可。此處設(shè)計(jì)的限幅器可以看作電壓可精確調(diào)節(jié)的理想穩(wěn)壓二極管。
3．2 數(shù)據(jù)接收
    圖4為數(shù)據(jù)接收電路，即解調(diào)電路。讀卡器向卡發(fā)送的數(shù)據(jù)是載波為13．56 MHz、數(shù)據(jù)率為106 kb／s的100％的幅度調(diào)制信號(hào)，波形可以看作106 kHz的方波與13．56 MHz的正弦波的乘積。數(shù)據(jù)解調(diào)的原理是：當(dāng)RF1電壓為正弦波時(shí)(即有效數(shù)據(jù)1部分)，電壓信號(hào)由D0、I0、C1、C2構(gòu)成的包絡(luò)檢波整形。在A點(diǎn)得到直流電壓為VREF6并帶有一定紋波的電壓信號(hào)，紋波的大小由C1、C2、I0的大小決定。選取REF6=0．6 V，VREF3=0．3 V，比較器輸出高電壓。當(dāng)RF1電壓由正弦變?yōu)?(有效數(shù)據(jù)0部分)時(shí)，由于A點(diǎn)信號(hào)反應(yīng)速度高于放大器帶寬，包絡(luò)檢波的A點(diǎn)電壓迅速降低，使VA<VREF3，比較器輸出低電壓，并且關(guān)閉放大器，使A點(diǎn)電壓穩(wěn)定在0，比較器的輸出保持0，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)。

    由于工藝與溫度的偏差，導(dǎo)致I0、C1、C2的值發(fā)生變化，A點(diǎn)的紋波大小會(huì)發(fā)生變化。在RF1為正弦波，也就是數(shù)據(jù)為1的時(shí)候，若A點(diǎn)的紋波大于2(VREF6～VREF3)，數(shù)據(jù)解調(diào)將發(fā)生錯(cuò)誤。比較器在有效數(shù)據(jù)為1時(shí)應(yīng)輸出高電壓，但是由于A點(diǎn)電壓紋波過(guò)大導(dǎo)致比較器輸出在數(shù)據(jù)為1輸出13．56 MHz的方波，解調(diào)失敗。可以通過(guò)提高VREF6的值，從而提高A點(diǎn)紋波的容忍度，來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。但是若A點(diǎn)電壓過(guò)高，使A點(diǎn)反應(yīng)速度低于放大器帶寬，數(shù)據(jù)由1變?yōu)?時(shí)，A點(diǎn)不能迅速作出反應(yīng)，產(chǎn)生低電壓，所以不能解調(diào)出數(shù)據(jù)0。所以VREF6的值的選取需要適中，最好可以由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)配置。[!--empirenews.page--]
3．3 數(shù)據(jù)發(fā)送
    圖5為數(shù)據(jù)發(fā)送電路，即調(diào)制電路?？òl(fā)送到讀卡器的是載波為13．56MHz，數(shù)據(jù)率為847kb／s的幅度調(diào)制信號(hào)。此電路的原理是采用負(fù)載調(diào)制的方法達(dá)到協(xié)議要求的幅度調(diào)制的目的。當(dāng)不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)線為0，RF1、RF2為13．56MHz的載波。需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)線為847 kHz米勒編碼的方波。當(dāng)數(shù)據(jù)為0時(shí)，RF1、RF2上的正弦電壓幅值較大。當(dāng)數(shù)據(jù)為1時(shí)，M1打開，將RF1、RF2上的電壓拉低，即RF1、RF2上正弦信號(hào)的幅值變低，數(shù)據(jù)的變化會(huì)導(dǎo)致RF1、RF2上載波幅值變化，從而完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

    卡向讀卡器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)上作出了優(yōu)化，使模擬電路的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單可靠。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)1時(shí)，由線圈耦合過(guò)來(lái)的能量大部分由M1釋放，從而導(dǎo)致用于芯片正常工作的能量變少，使芯片不能正常工作，交互失敗。所以，當(dāng)向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，軟件使芯片內(nèi)部嵌入的8051處理器進(jìn)入休眠模式，降低整個(gè)芯片的功耗，從而使芯片安全渡過(guò)電源不足的階段。

4 仿真與測(cè)試
    圖6為仿真結(jié)果，卡與讀卡器的交互分為3個(gè)階段：
    ①二者無(wú)數(shù)據(jù)交互，此時(shí)卡開始上電或者處理接收到的數(shù)據(jù)，此時(shí)電源電壓穩(wěn)定；
    ②接收數(shù)據(jù)，線圈發(fā)出的上是100％的幅度調(diào)制信號(hào)，DATA_IN為解調(diào)后的數(shù)據(jù)；
    ③發(fā)送數(shù)據(jù)，卡產(chǎn)生的DATA_OUT是847 kHz的方波，對(duì)線圈上的電壓進(jìn)行負(fù)載調(diào)制，調(diào)制后線圈上的電壓信號(hào)是幅度調(diào)制信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)被讀卡器耦合并解調(diào)。

    在整個(gè)交互過(guò)程中電源電壓保持穩(wěn)定。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

結(jié)語(yǔ)
    本文討論了RFID芯片模擬前端的實(shí)現(xiàn)方法，在電源產(chǎn)生、數(shù)據(jù)收發(fā)方面采用了新技術(shù)，并且從整個(gè)系統(tǒng)上作了優(yōu)化，簡(jiǎn)化了模擬前端的設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)更可靠。該芯片已通過(guò)小額支付與門禁系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，其對(duì)惡劣外界干擾的抵御能力需要進(jìn)一步測(cè)試與改進(jìn)。