一種用于無源RFID的新型低壓低功耗振蕩器

陳迪平　楊翠靈　董剛　秦鵬舉　曾健平

摘? ?要：采用中芯國際180 nm混合信號工藝，設計了一種新型低壓低功耗環形振蕩器.基于反饋理論，采用放大器完成從電源電壓到環振工作電壓的降壓穩壓轉換，實現環振工作電壓穩定性優化，同時降低其功耗;環振輸出經幅度變換電路，實現高擺幅振蕩信號輸出;振蕩器工作頻率電流受控，抑制了電源噪聲，降低了電源電壓波動對輸出頻率的影響.結果表明，1 V電源電壓下，輸出頻率2.737 MHz，功耗約0.8 μW，1 MHz頻點處相位噪聲-108.7 dB;0.9～2.1 V電壓范圍內，輸出頻率波動小于0.23%，適于無源芯片設計.

關鍵詞：振蕩器;射頻識別;低電壓;低功耗

中圖分類號：TN495 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

A Novel Low-voltage Low-power Oscillator Used for Passive RFID

CHEN Diping1，YANG Cuiling1，DONG Gang1，QIN Pengju2，ZENG Jianping1

（1. College of Physics and Microelectronics Science，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. Hunan Runtronic Microelectronics Co Ltd，Changsha 410000，China ）

Abstract：A novel low-voltage low-power ring oscillator was designed，which was implemented by an SMIC's 180 nm mixed signal processing technology. Based on the feedback theory，the regulation and conversion from supply voltage to operating voltage of ring oscillators was completed by employing an amplifier，generating superior operating voltage stability as well as lower consumption. Furthermore，a high output swing was obtained with an amplitude conversion circuit. The operating frequency of the oscillator was controlled by current，resulting in the reduced effect of oscillating signal on the supply voltage VDD and the depressed supply noise. The results demonstrate that the output frequency is 2.737 MHz，the consumption is 0.8 μW with a 1 V supply，and the phase noise at the phase point is -108.7 dB at 1 MHz offset. Meanwhile，the output frequency fluctuations are kept within 0.23% when the supply voltage varies between 0.9 V and 2.1 V，which is reasonable in passive chip design.

Key words：oscillator;radio frequency identification（RFID）;low-voltage;low-power

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是近年來備受關注的一種新興技術，其利用無線電波快速精準地識別相關信息，廣泛用于支付系統、物流、人員跟蹤等領域[1-3].受限于應用場合，低電壓、低功耗、寬電源電壓范圍、低成本等要求對射頻識別系統顯得尤為重要，特別在無源RFID電子標簽領域.

無源RFID電子標簽是一種微型裝置，工作于無任何能量儲存的情況下，通過對閱讀器信號轉換獲取工作電壓，整個芯片的功率只有幾微瓦或者更低，因此，高效的功耗分配對于電子標簽的性能評估至關重要[4-5].RFID電子標簽主要分為3部分：天

線部分、模擬前端和基帶處理單元[6].天線部分完成射頻信號的接收與發送;模擬前端由整流電路、時鐘產生電路、反射調制電路以及解調電路等組成;基帶處理單元控制數據編碼/解碼和內存/傳感器等的訪問.振蕩器產生的信號用于精確控制副載波頻率，同時給數字電路提供工作時鐘，故振蕩器性能優劣直接影響整個射頻識別系統的性能.

折衷功耗、面積以及成本，本文采用基于反饋理論的電源電壓變換的新型環形振蕩器結構，完成了一種適用于無源RFID電子標簽的高穩定低壓低功耗振蕩器的設計，其正常工作電源電壓范圍為0.9～2.1 V，輸出頻率波動小于0.23%;1 V電源電壓下，輸出頻率2.737 MHz，功耗約0.8 μW.

1? ?無源RFID標簽振蕩器設計要點

1.1? ?普通振蕩器分析

常見的振蕩器主要有晶體振蕩器、RC振蕩器和環形振蕩器.相較而言，晶體振蕩器精度高、工作穩定、振蕩頻率單一、體積大、功耗高，難以集成于單芯片內;RC振蕩器結構簡單、啟動時間短、頻率易調、振蕩頻率穩定性差，受電源電壓、工藝偏差以及環境溫度的影響較大;環形振蕩器具有振蕩頻率范圍大，與純數字CMOS工藝兼容性好、穩定度高等優點，但對電源噪聲較敏感[7].

無源RFID標簽工作距離范圍大，整個芯片的工作電壓均源于對射頻信號的整流和放大，波動較大，因此，低電壓、低功耗和寬電源范圍是無源RFID標簽設計的主要考慮點.環振因兼容純數字CMOS工藝，成本低，最適于此類應用，其延遲單元一般由單端或差分反相器構成[8-9]，功耗（Ptot）主要分為反相器的靜態功耗（PS）和動態功耗（PD）：

Ptot = PS + PD = IleakVDD + NCLVDD2 f（1）

式中：Ileak為反相器漏電流;VDD為電源電壓;N為反相器級數;f為振蕩頻率;CL為反相器輸出端電容.環振的功耗主要由動態功耗（PD）組成：

式中：k為PMOS管與NMOS管溝道寬度之比;KPP =μpCox;KPN = μnCox為工藝參數.據式（2）在保證振蕩器正常工作的前提下，減小環振工作電壓對于降低功耗而言至關重要.對于靜態功耗（PS），可通過適當偏置，降低整體電流;增大管子長度L有助于降低漏電流，此舉亦有益于降低動態功耗.

1.2? ?弱反型工作區分析

工作于弱反型區的MOS管工作電流遠小于強反型區電流，電路性能有所限制，然而，此舉能很好地節省功耗開支，緩解電源電壓不足的壓力.工作于弱反型區的RFID標簽能夠很好地兼顧性能、電源電壓及功耗等要求[10].弱反型區晶體管漏極電流與柵源電壓的近似關系為[6]：

式中：VT = KT/q為溫度電壓;n = （1 + Cdep /Cox）;Cox為柵氧化層單位面積電容;Cdep為單位面積溝道耗盡層電容;μ為載流子表面遷移率;VTH為閾值電壓.同時文獻[6]給出了弱反型系數IC，以判別晶體管的工作區域：

式中：I0 = 2nμCoxV2T是一個由工藝所決定的電流值.當 IC > 10時，晶體管工作于強反型區;IC = 1時介于弱反型區和強反型區的過渡區;IC < 0.1時工作于弱反型區.通過適當偏置，可確定晶體管工作

區域.

2? ?所提環形振蕩器設計

EPC—C1G2標準規定了RFID芯片的最低時鐘頻率為1.92 MHz.振蕩器頻率過高，會導致芯片的功耗增加，降低電子標簽的讀寫距離;頻率過低會影響RFID標簽對閱讀器指令的讀取及譯碼，另一方面，時鐘頻率太低會影響信息的識別速度.根據EPC標準，RFID芯片數據是采用Miller調制副載波或FM0基帶編碼的編碼方案，數據傳輸速率為40～640 kbit/s，芯片工作頻率偏移小于10%[6，11].折衷功耗、速度、性能等的影響，本文振蕩器工作頻率選為2.56 MHz（即數據最高傳輸速率的4倍）.

2.1? ?整體設計

據式（2），本文采用反饋結構的放大器實現寬工作電壓范圍的降壓穩壓器功能，為環形振蕩器提供穩定的工作電壓，同時降低環振功耗.根據放大器的“虛短”特性，以及MOS管工作于恒流偏置下，其漏源電壓VDS和過驅動電壓VOV相對恒定的特點，本文完成了一種寬工作電壓范圍、高穩定的新型低電壓、低功耗振蕩器設計，其結構如圖1所示.

放大器A和調整管M1、電阻R構成負反饋環路;放大器A和調整管M2、環振單元構成正反饋環路.通過調整調整管尺寸，可控制反饋強度.對于環路響應：負反饋強于正反饋。整體表現為負反饋，以將放大器兩輸入端電壓鉗位于一個穩定值.系統穩定后，放大器A的輸入端電壓趨于一致，濾波電容C用以穩定環振工作電壓Vosc，以提高環振輸出頻率穩定度.振蕩器模塊采用由三級反相器構成的環形振蕩器，其振蕩頻率為1/（6 TD ），TD為單級反相器的延遲時間：

環振輸出幅度為Vosc的振蕩信號，經振幅變換電路，可輸出頻率穩定的高擺幅振蕩信號Vout.本文在采用新型低功耗結構的基礎上，各模塊電路均采用低功耗優化，以達到低功耗的設計目的.

2.2? ?模塊設計

為滿足低壓低功耗的設計要求，放大器設計采用折疊式共源共柵結構，如圖2所示.M4、M5柵極掛接到M6、M7的柵極，以增大輸出擺幅.為減小偏置電路引入的功耗，M6、M7采用自偏置設計，放大器電壓增益：

AV = gm1，2·（（rds5+rds7+gm7rds5rds7（1+η7））‖rbias2，o）

≈gm1，2·rbias2，o （6）

式中： rds為晶體管小信號輸出電阻;rbias2，o為恒流源輸出電阻;η7 = gmb7/gm7;gmb7為襯底跨導.在適當的偏置下，電路工作穩定后，放大器兩差分輸入端電壓趨于一致，約為：

rOSC = VN = Vp = VDS + VOV + VTHN? ? ?（7）

典型值：VDS約為200 mV，弱反型下過驅動電壓VOV約-100 mV，VTHN約500 mV，該結構可實現從電源電壓VDD到環振工作電壓VOSC（約600 mV）的降壓穩壓轉換功能.據式（4），偏置電流：

振蕩器模塊采用由三級單端反相器構成的環形振蕩器，其環路增益為：

式中：A0為單級反相器的低頻增益;ω0為單級反相器的-3 dB帶寬.為了確保環振振蕩，在滿足Barkhausen準則的前提下，考慮到溫度以及工藝偏差等的影響，反相器的低頻電壓增益取理論值的2～3倍.

振幅幅度變換電路偏置電路采用如圖3所示的結構，工作于放大區的MOS管：

偏置電流ID恒定的情況下，通過調整管子的寬長比可調整其過驅動電壓，設置合適的偏置點.為達到低功耗設計目的，電路工作于弱反型區，采用大比例的倒比管予以實現.

圖4所示為本文所提振蕩器整體電路圖.啟動電路完成啟動后自動脫離，以使啟動電路引入的功耗最小化;放大器正相輸入端電壓配合電阻R1，產生整體電路的參考偏置電流：

VDD所引起的Vosc波動，一部分由電容C1濾除，另一部分經放大，通過調整管M16后，形成強烈的負反饋，以維持Vosc穩定不變;緩沖器M30和M31增強振蕩器輸出，確保振蕩信號無失真地耦合到振幅變換電路，M29采用本征晶體管予以實現，為晶體管M30源極節點提供一個快速充電電流，同時限制晶體管M30和M31輸出端的信號幅度，使功耗最小化.

2.3? ?芯片實現

圖5所示為本文振蕩器版圖.整體版圖采用軸對稱布局，器件之間采用局部插指匹配及四方交叉匹配，以保證較好的噪聲及干擾屏蔽，減小振蕩信號對靜態電路的影響，避免系統不穩定.采用緊湊布局實現環形振蕩模塊，以減小寄生電容及工藝偏差所引起的頻率偏移.在各模塊電路周圍加入襯底接觸環，實現模塊與模塊間的隔離，以提高頻譜純度、降低寄生功耗.

3? ?實驗結果及分析

本文利用Cadence Spectre工具，基于SMIC 180 nm 混合信號工藝，對所提結構進行了后仿真驗證及功能測試.圖6所示為相位噪聲后仿真曲線，文中所提振蕩器1 MHz頻點處的相位噪聲為-108.7 dBc.圖7所示為利用Tektronix 5 Series Mixed Signal示波器所測得的該振蕩器在1 V典型工作電壓下的輸出波形，其振蕩頻率為2.737 MHz，考慮到寄生效應影響，與預期設計值差別不大，符合設計要求.

如圖8所示，以1 V典型工作電壓點為參考，本文振蕩器在0.9～2.1 V工作電壓下，輸出頻率波動低于0.23%;該結構在1 V電源電壓情況下，功耗約0.8 μW.本文所提結構同文獻所提振蕩器性能對比如表1所示.相較而言，本文所提新型振蕩器具備工作電壓低、輸出頻率隨電源電壓波動小、功耗較低等優點，符合應用需求.

4? ?結? ?論

本文在對現有低壓低功耗環形振蕩器分析與總結的基礎上，針對工作電壓與功耗指標進行優化分析，提出了一種寬電源電壓范圍的新型高穩定低壓低功耗環形振蕩器.結果表明，所提振蕩器在電源電壓低至1 V時，輸出頻率2.737 MHz，功耗約0.8 μW;以1 V電源電壓下的輸出頻率為參考，電源電壓在0.9 ～ 2.1 V變化范圍內，輸出頻率波動不超過0.23%.綜上，該振蕩器在低電壓、低功耗等指標方面表現良好，在寬電源范圍內輸出頻率穩定性高，符合無源RFID電子標簽振蕩器設計要求.

參考文獻

[1]? ?ZHOU Z，CHEN B，YU H. Understanding RFID counting protocols [J]. IEEE/ACM Transactions on Networking，2016，24（1）：312—327.

[2]? ?SOLIC P，BLAZEVIC Z，SKILJO M，et al. Gen2 RFID as IoT enabler：characterization and performance improvement [J]. IEEE Wireless Communications，2017，24（3）：33—39.

[3]? ?劉偉峰，莊奕琪，周俊潮，等. 一種用于UHF RFID標簽的高穩定度時鐘電路[J]. 西安電子科技大學學報，2011，38（4）：71—76.

LIU W F，ZHUANG Y Q，ZHOU J C，et al. Clock generator with high stability for the UHF RFID chip [J]. Journal of Xidian University，2011，38（4）：71—76. （In Chinese）

[4]? ?LIN Y S，GUO Z Y，HUANG Y S，et al. A low-power UHF passive RFID transponder chip in 0.18μm CMOS[C]// Wireless Power Transfer Conference. Taipei：IEEE，2017：1—5.

[5]? ?GEORG S，MANUEL F，THOMAS U. Ultra low power ring oscillator based true random number generator for passive UHF RFID tags[C]// Wireless Sensors and Sensor Networks. Anaheim：IEEE，2018：99—102.

[6]? ?FARZEEN S，REN G，CHEN C. An ultra-low power ring oscillator for passive UHF RFID transponders [J]. Midwest Symposium on Circuits & Systems，2010，12（8）：558—561.

[7]? ?曾健平，章兢，謝海情，等. 1.8GHz寬帶低相位噪聲CMOS壓控振蕩器設計[J]. 湖南大學學報（自然科學版），2007，34（6）：37—40.

ZENG J P，ZHANG J，XIE H Q，et al. Design of a 1.8 GHz wide-band，low-phase-noise CMOS VCO [J]. Journal of Hunan University （ Natural Sciences），2007，34（6）：37—40. （In Chinese）

[8]? ?KAMALINEJAD P，KEIKHOSRAVY K，MOLAVI R，et al. An ultra-low-power CMOS voltage-controlled ring oscillator for passive RFID tags [C]// New Circuits and Systems Conference. Trois-Rivieres：IEEE，2014：456—459.

[9]? ?MICHAL V. On the low-power design，stability improvement and frequency estimation of the CMOS ring oscillator [C]// Radioelektronika. Brno：IEEE，2012：1—4.

[10] MOHAMMADI A，MOHAMMADI M，ZAHIRI S H. Design of optimal CMOS ring oscillator using an intelligent optimization tool [J]. Soft Computing，2019，22（24）：8151—8166.

[11] CHOI E Y，LEE D H，LIM J I. Anti-cloning protocol suitable to EPCglobal Class-1 Generation-2 RFID systems[J]. Computer Standards & Interfaces，2009，31（6）：1124-1130

[12] SADEGHI N，SHARIF-BAKHTIAR A，MIRABBASI S. A 0.007 mm2，108 ppm/°C，1 MHz relaxation oscillator for high-temperature applications up to 180°C，in 0.13-μm CMOS [J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems I Regular Papers，2013，60（7）：1692—1701.

[13] CILEK F，SEEMANN K，BRENK D，et al. Ultra low power oscillator for UHF RFID transponder[C]// Frequency Control Symposium，2008 IEEE International. Honolulu：IEEE，2008：418—421.