uhfrfid標(biāo)簽芯片模擬射頻前端設(shè)計

uhfrfid標(biāo)簽芯片模擬射頻前端設(shè)計

0uhffid的系統(tǒng)組成及仿真環(huán)境rfid超高頻無線傳感器技術(shù)（rfid）具有非接觸面、快速識別速度、遠(yuǎn)離作用距離、內(nèi)存體積大、可以識別多個卡的優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、銷售、物流等行業(yè)。UHFRFID無源標(biāo)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(diǎn)。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UHFRFID標(biāo)簽芯片的關(guān)鍵技術(shù)難題,并推動超高頻標(biāo)簽芯片快速發(fā)展。在此針對ISO18000-6C/B標(biāo)準(zhǔn),研究和分析了UHFRFID無源標(biāo)簽芯片的系統(tǒng)組成以及模擬射頻前端的電路方案?；贑adenceSpectre設(shè)計仿真平臺和TSMC0.18μmCMOS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(jìn)行了設(shè)計與仿真,通過MPW項(xiàng)目流片實(shí)現(xiàn)。最后,給出了芯片各模塊的測試結(jié)果。1uhfrfid標(biāo)簽芯片的設(shè)計UHFRFID系統(tǒng)主要由后臺數(shù)據(jù)處理計算機(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范圍內(nèi)時,無源電子標(biāo)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?對內(nèi)部其他模塊進(jìn)行供電。標(biāo)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?；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(jìn)行調(diào)制。數(shù)字電路的系統(tǒng)時鐘由本地振蕩器產(chǎn)生。UHFRFID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UHFRFID無源標(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。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)化并存儲在儲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36dBm。在自由空間中,電磁波在5m距離處衰減約45.5dB,標(biāo)簽所獲得的最大功率不超過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模擬中斷前每個模塊的電路設(shè)計2.1直流電壓的產(chǎn)生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(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、儲能,從而產(chǎn)生直流電壓,表達(dá)式為:VDD=N(VpRF?VfD)(1)VDD=Ν(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(biāo)進(jìn)行折中。根據(jù)UHFRFID標(biāo)簽芯片系統(tǒng)需要,所設(shè)計的整流電路可以實(shí)現(xiàn)高低兩個電平輸出。2.2統(tǒng)一控制板設(shè)計穩(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(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)1000倍以上。因此,需設(shè)計穩(wěn)壓電路,以保證標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)電壓進(jìn)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(fù)載,從而使低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出電壓穩(wěn)定。2.3電源電壓vdd的影響射頻標(biāo)簽供電電源建立成功后,必須給電子標(biāo)簽中的數(shù)字電路提供一個啟動信號來使電路處于Standby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。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(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贏得足夠的充電時間。當(dāng)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(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,此時在整形電路的輸出端得到復(fù)位信號的下降沿。2.4包絡(luò)檢波器的組成對于超高頻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),電路輸入信號的包絡(luò)頻率范圍為40~160kHz,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。產(chǎn)生的包絡(luò)信號先送入比較器的負(fù)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(diǎn)。采用兩級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。隨著RFID標(biāo)簽距離閱讀器遠(yuǎn)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(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需保持關(guān)斷狀態(tài)。2.5天線抗-芯片輸入阻抗根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(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(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制。2.6帶基準(zhǔn)電壓補(bǔ)償電路時鐘產(chǎn)生電路采用環(huán)形振蕩器電路,并加入電壓和溫度補(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)償主要依靠一個電壓基準(zhǔn)電路產(chǎn)生一個基準(zhǔn)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0.9~1.1V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(fù)溫度系數(shù)的補(bǔ)償電路,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(bǔ),使時鐘產(chǎn)生電路輸出頻率穩(wěn)定。3芯片和信號分析基于CadenceSpectre設(shè)計仿真平臺和TSMC0.18μmCMOS混合信號工藝,對UHFRFID標(biāo)簽芯片模擬射頻前端進(jìn)行設(shè)計和仿真,并通過MPW項(xiàng)目流片實(shí)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490μm×420μm,圖8是芯片實(shí)物照片。使用AgilentE4432B信號源對模擬射頻前端進(jìn)行激勵,輸入載頻為915MHz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1.0V和1.8V。圖10解調(diào)電路的輸出波形,可看出該電路能正確解調(diào)40~160kHz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30μs。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AgilentN5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀給芯片輸入頻率為915MHz,功率-5dBm的測試信號,測得“0”和“1”兩種狀態(tài)下標(biāo)簽反射系數(shù)相差12%。4擬射頻前端測試這