UHF RFID標簽芯片模擬射頻前端設(shè)計

摘 要:對射頻識別標簽芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理進行分析，設(shè)計應(yīng)用于符合ISO18000-6C/B兩種標準的UHF RFID標簽芯片的模擬射頻前端，主要包括整流電路、穩(wěn)壓電路、調(diào)制/解調(diào)電路、上電復(fù)位及時鐘產(chǎn)生電路。模擬射頻前端芯片采用TSMC 0.18 μm CMOS混合信號工藝流片驗證。測試結(jié)果表明，所研制的模擬射頻前端性能滿足UHF RFID標簽芯片系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞:超高頻;射頻識別;ISO18000-6C/B標準;CMOS

中圖分類號:TN710文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)06-008-04

Design of RF Analog Front-end for UHF RFID Tag IC

LI Jian，ZENG Hui，WANG Ying，HE Zhuyu，ZHU Xueyong，WEN Guangjun

(RFIC Laboratory，School of Communication and Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，611731，China)

Abstract:The system structure and working principle of RFID tags is analyzed.A RF analog front-end for UHF RFID tag IC based on ISO18000-6C/B standard is presented，which contains rectifier，regulator，modulator，demodulator，power on reset circuit and clock generation circuit.The RF analog front-end are taped out in TSMC 0.18 μm CMOS mixed signal process.Test results show that the designed RF analog front-end can satisfy the system requirements of UHF RFID tags.

Keywords:ultra high frequency;RFID;ISO18000-6C/B standard;CMOS

0 引 言

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、存儲容量大、可多卡識別等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、零售、交通、物流等行業(yè)[1]。UHF RFID無源標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。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標簽芯片的關(guān)鍵技術(shù)難題，并推動超高頻標簽芯片快速發(fā)展。

在此針對ISO18000-6C/B標準，研究和分析了UHF RFID無源標簽芯片的系統(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TSMC 0.18μm 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、RFID閱讀器和電子標簽三部分組成。當處在閱讀器的電磁場范圍內(nèi)時，無源電子標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)部其他模塊進行供電。標簽通過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)接收到的指令進行一系列數(shù)據(jù)操作。標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標簽芯片系統(tǒng)框圖如圖1所示[2]。

圖1 UHF RFID標簽芯片系統(tǒng)框圖

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簽內(nèi)部數(shù)據(jù)的流向，按照接收到的指令，控制標簽進行狀態(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無源標簽芯片，難點在于如何實現(xiàn)超低功耗的電路設(shè)計[3]。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。例如按照北美標準，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，標簽所獲得的最大功率不超過100 μW，而供芯片內(nèi)部使用的功率僅為幾十μW。為了達到最大的閱讀距離，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。下標為奇數(shù)的電容與下標為偶數(shù)的電容分別在輸入電壓的負半周期和正半周期進行充電、儲能，從而產(chǎn)生直流電壓，表達式為:

VDD=N(VpRF-VfD)(1)

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進行折中。根據(jù)UHF RFID標簽芯片系統(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。

圖2 整流電路的電路結(jié)構(gòu)

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，為整個標簽芯片提供穩(wěn)定的工作電壓。由于標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，以至于標簽天線接收的功率變化可達1 000倍以上。因此，需設(shè)計穩(wěn)壓電路，以保證標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)部的基準電壓進行比較，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載，從而使低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出電壓穩(wěn)定[6]。

圖3 穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)框圖

2.3 上電復(fù)位電路

射頻標簽供電電源建立成功后，必須給電子標簽中的數(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[7]。

上電復(fù)位電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上電復(fù)位電路框圖

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MN5放電，通常放電速度比充電速度更慢。當放電到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標準，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[8]。產(chǎn)生的包絡(luò)信號先送入比較器的負端，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。采用兩級反相器目的是將輸出電壓進行整形，產(chǎn)生規(guī)則的方波信號。

隨著RFID標簽距離閱讀器遠近不同，輸入的射頻信號幅度可能在幾百mV到幾V之間變化，包絡(luò)檢波器輸出的直流電平會有很大變化。在包絡(luò)檢波器輸出端并聯(lián)一個泄流電路，其作用是在輸入信號過大時對后端比較電路起到泄流穩(wěn)壓的保護作用，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需保持關(guān)斷狀態(tài)。

圖5 解調(diào)電路系統(tǒng)框圖

2.5 調(diào)制電路

根據(jù)標準要求采用反向散射的調(diào)制方法，通過改變芯片輸入阻抗來改變芯片與天線間的反射系數(shù)，從而實現(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等效為一個開關(guān)，通過控制開關(guān)的開啟，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，最終實現(xiàn)ASK調(diào)制。

2.6 時鐘產(chǎn)生電路

時鐘產(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。電壓補償主要依靠一個電壓基準電路產(chǎn)生一個基準電壓源，提供給五級環(huán)形振蕩器作為工作電壓，這樣就能保證在輸入電壓在0.9～1.1 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，故需加入一個負溫度系數(shù)的補償電路[8]，并優(yōu)化五級環(huán)形振蕩器的有源器件的寬長比，使其溫度系數(shù)恰與自身的溫度系數(shù)互補，使時鐘產(chǎn)生電路輸出頻率穩(wěn)定。

圖6 調(diào)制電路框圖

圖7 時鐘產(chǎn)生電路框圖

3 測試結(jié)果

基于Cadence Spectre設(shè)計仿真平臺和TSMC 0.18 μm CMOS混合信號工藝，對UHF RFID標簽芯片模擬射頻前端進行設(shè)計和仿真，并通過MPW項目流片實現(xiàn)。模擬射頻前端芯片不含測試焊盤的核心電路的芯片面積為490 μm×420 μm，圖8是芯片實物照片。

圖8 標簽?zāi)M射頻前端芯片照片

使用Agilent E4432B信號源對模擬射頻前端進行激勵，輸入載頻為915 MHz的ASK調(diào)制信號。圖9為整流電路輸出波形，并測得穩(wěn)壓電路高、低輸出電壓分別穩(wěn)定在1.0 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。圖11(a)是上電復(fù)位電路輸出波形，脈沖寬度大于30 μs。時鐘產(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Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀給芯片輸入頻率為915 MHz，功率-5 dBm的測試信號，測得“0”和“1”兩種狀態(tài)下標簽反射系數(shù)相差12%。

圖9 整流電路輸出波形

圖10 40 kHz/80 kHz/160 kHz已調(diào)波的解調(diào)輸出波形

4 結(jié) 語

這里設(shè)計了符合ISO18000-6C/B標準的UHF RFID無源標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、時鐘電路和上電復(fù)位電路等模塊。采用TSMC 0.18 μm CMOS混合信號工藝設(shè)計、仿真、流片，其核心面積為490 μm×420 μm。測試結(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標簽芯片的系統(tǒng)指標要求。

圖11 時鐘產(chǎn)生電路和POR輸出信號波形

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