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UHF RFID标签芯片模拟射频前端设计
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0 引言
超高频无线射频识别(RFID)技术具有非接触式、识别速度快、作用距离远、存储容量大、可多卡识别等优点，已广泛应用于生产、零售、交通、物流等行业。UHF RFID无源标签芯片作为超高频射频识别系统的核心组成部分，近年来一直是国内外研究的热点。研究和设计低功耗、小尺寸、高动态范围的模拟射频前端，可以解决UHF RFID标签芯片的关键技术难题，并推动超高频标签芯片快速发展。
在此针对ISO18000-6C／B标准，研究和分析了UHF RFID无源标签芯片的系统组成以及模拟射频前端的电路方案。基于Cadence Spectre设计仿真平台和TSMCO.18μm CMOS混合信号工艺，对模拟射频前端的整流电路、稳压电路、ASK调制／解调电路、上电复位电路、时钟产生电路等核心模块进行了设计与仿真，通过MPW 项目流片实现。最后，给出了芯片各模块的测试结果。
1 标签芯片工作原理与系统结构
UHF RFID系统主要由后台数据处理计算机、RFID阅读器和电子标签三部分组成。当处在阅读器的电磁场范围内时，无源电子标签通过电磁场耦合获得能量，利用整流电路将交流转变为直流，对内部其他模块进行供电。标签通过ASK解调电路从射频脉冲中解调出指令和数据，并送至基带数字电路模块。基带数字电路根据接收到的指令进行一系列数据操作。标签通过控制天线接口的阻抗，从而改变天线接口的反射系数来对数据信号进行调制。数字电路的系统时钟由本地振荡器产生。 UHF RFID标签芯片系统框图如图1所示。
系统包括模拟射频前端和数字部分。模拟射频前端主要实现电源产生、调制／解调、时钟产生、上电复位等功能。数字控制部分控制着标签内部数据的流向，按照接收到的指令，控制标签进行状态转换、存储及返回所需要的内容，包括命令解析、数据编码、数据存储、读／写等功能。
对于UHF RFID无源标签芯片，难点在于如何实现超低功耗的电路设计。由于芯片不带电池，芯片内部各模块工作所需电源完全依靠感应阅读器所发送的电磁波，整流电路将天线获得的射频能量进行转化并存储在储能电容中的直流能量。例如按照北美标准，阅读器的等效全向辐射功率(EIRP)为36 dBm。在自由空间中，电磁波在5 m距离处衰减约45.5 dB，标签所获得的最大功率不超过100μW，而供芯片内部使用的功率仅为几十μW。为了达到最大的阅读距离，需要在两个方面做出努力：减小模拟和数字部分的功耗；提高整流电路的整流效率。
2 模拟射频前端各模块电路设计
2.1 整流电路
整流电路的功能主要是将天线感应的射频能量转化为供后级各模块使用的直流能量，整流电路的电路结构如图2所示。N级整流电路包含2N只整流二极管和2N只耦合电容，与输出相连的电容为储能电容。天线的两端RFin+和RFin-直接或者通过匹配网络连接到整流电路的输入端，通常RFin-端接地。下标为奇数的电容与下标为偶数的电容分别在输入电压的负半周期和正半周期进行充电、储能，从而产生直流电压，表达式为：
式中：VDD是整流电路的输出直流电压；VpRF是输入射频信号的幅度；VfD整流二极管的正向电压；N是采用的整流级数。从式(1)中可以看出，整流二极管上消耗的电压越小，输出电压越大，也意味着其尺寸越大，将导致其反向泄露电流增大，从而降低整流效率。因此，设计中需要对各种指标进行折中。根据 UHF RFID标签芯片系统需要，所设计的整流电路可以实现高低两个电平输出。
2.2 稳压电路
稳压电路是将整流电路输出直流电压稳定在特定电平上，为整个标签芯片提供稳定的工作电压。由于标签空间位置的不确定性，使其与读／写器的距离相应不固定，以至于标签天线接收的功率变化可达l 000倍以上。因此，需设计稳压电路，以保证标签芯片不会由于物理位置变化引起直流工作电压幅度的改变，从而增大标签芯片的工作动态范围。
稳压电路的结构如图3所示。稳压电路的基本原理是将输出电压的和芯片内部的基准电压进行比较，比较的结果通过误差放大器放大，输入到调整管的栅极，改变调整管的栅源电压，调节其输出电流来跟踪负载，从而使低压差线性稳压器的输出电压稳定。
2.3 上电复位电路
射频标签供电电源建立成功后，必须给电子标签中的数字电路提供一个启动信号来使电路处于Stand by状态，等待数据帧的开始。这个启动信号由上电复位电路提供。
上电复位电路结构如图4所示。
工作原理如下：随着电源电压VDD的升高，由于C1和反相器中4个长沟道PMOS的延迟作用，使得采样电路输出的低电压VB经过反相器得到的C 点电压VC与电源电压VDD之间的压差大于晶体管MP10的阈值电压，且能为C2赢得足够的充电时间。当充电到电容C2上的电压VE大于整形电路第一个反相器中晶体管MN6的阈值电压时，晶体管MN6导通，输出电压VF翻转为低电平。再经过反相，在整形电路的输出端可以得到复位信号的上升沿。充电完成后，紧接着C2通过晶体管MN；放电，通常放电速度比充电速度更慢。当放电到C2上的电压小于晶体管MN6的阈值电压，晶体管MN6截止，输出电压VF翻转为高电平，此时在整形电路的输出端得到复位信号的下降沿。
2.4 解调电路
对于超高频RFID标签芯片的ASK解调电路，通常采用包络检波方式。解调电路的框图如图5所示。按照18000-6C／B标准，电路输入信号的包络频率范围为40～160 kHz，脉宽失真小于10％。包络检波器由一级Dickson电路和R2，C3组成的低通滤波器组成。产生的包络信号先送入比较器的负端，再通过低通滤波为比较器提供参考电压。比较器采用迟滞比较器，具有良好噪声抑制性能、高动态范围等特点。采用两级反相器目的是将输出电压进行整形，产生规则的方波信号。
随着RFID标签距离阅读器远近不同，输入的射频信号幅度可能在几百mV到几V之间变化，包络检波器输出的直流电平会有很大变化。在包络检波器输出端并联一个泄流电路，其作用是在输入信号过大时对后端比较电路起到泄流稳压的保护作用，从而避免后端电路工作失常。为了降低功耗，泄流电路在输入电平较小时需保持关断状态。
2.5 调制电路
根据标准要求采用反向散射的调制方法，通过改变芯片输入阻抗来改变芯片与天线间的反射系数，从而实现ASK调制。天线阻抗与芯片输入阻抗在 “0”状态下共轭匹配，而在“1”状态下存在一定失配。图6为调制电路框图，电容C1并联在天线两端，晶体管M1等效为一个开关，通过控制开关的开启，决定了电容是否接入芯片输入端，从而改变了芯片的输入阻抗，最终实现ASK调制。
2.6 时钟产生电路
时钟产生电路采用环形振荡器电路，并加入电压和温度补偿电路，保证在不同的工作电压和温度下，频率偏移在规定的范围(±1％)内，电路框图如图 7所示。电压补偿主要依靠一个电压基准电路产生一个基准电压源，提供给五级环形振荡器作为工作电压，这样就能保证在输入电压在O.9～1.1 V变化范围内，最大频偏能满足要求。环形振荡器的振荡频率呈正温度系数特性，故需加入一个负温度系数的补偿电路，并优化五级环形振荡器的有源器件的宽长比，使其温度系数恰与自身的温度系数互补，使时钟产生电路输出频率稳定。
3 测试结果
基于Cadence Spectre设计仿真平台和TSMC0.18μm CMOS混合信号工艺，对UHF RFID标签芯片模拟射频前端进行设计和仿真，并通过MPW项目流片实现。模拟射频前端芯片不含测试焊盘的核心电路的芯片面积为490μm×420μm，图8是芯片实物照片。
使用Agilent E4432B信号源对模拟射频前端进行激励，输入载频为915 MHz的ASK调制信号。图9为整流电路输出波形，并测得稳压电路高、低输出电压分别稳定在1.O V和1.8 V。图10解调电路的输出波形，可看出该电路能正确解调40～160 kHz的ASK调制信号。图11(a)是上电复位电路输出波形，脉冲宽度大于30μs。时钟产生电路输出如图11(b)所示，可看出波形近似方波且占空比约50％。使用AgilentN5230A矢量网络分析仪给芯片输入频率为915 MHz，功率-5 dBm的测试信号，测得“O”和“1”两种状态下标签反射系数相差12％。
4 结语
这里设计了符合ISO18000-6C／B标准的UHFRFID无源标签芯片模拟射频前端。模拟射频前端包括整流器、稳压电路、调制解调器、时钟电路和上电复位电路等模块。采用TSMCO.18μm CMOS混合信号工艺设计、仿真、流片，其核心面积为490μm×420 μm。测试结果表明，该模拟射频前端各模块性能能够较好地满足UHF RFID标签芯片的系统指标要求。
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