微波仿真論壇_超高頻無源RFID標(biāo)簽的一些關(guān)鍵電路的設(shè)計(芯片級)

1、超高頻無源RFID標(biāo)簽的一些關(guān)鍵電路的設(shè)計孫旭光，張春，李永明，王志華，陳弘毅（清華大學(xué)微電子學(xué)研究所）摘要本文針對超高頻無源RFID標(biāo)簽芯片的設(shè)計，給出了一些關(guān)鍵電路的設(shè)計考慮。文章從UHF RFID標(biāo)簽的基本組成結(jié)構(gòu)入手，先介紹了四種電源恢復(fù)電路結(jié)構(gòu)，以及在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下制作肖特基二極管來組成倍壓電路的解決方案。然后針對電源穩(wěn)壓電路，提出了串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種穩(wěn)壓電路。文章針對ASK包絡(luò)解調(diào)電路，提出了新的泄流源的設(shè)計。最后，文章介紹了啟動信號產(chǎn)生電路的設(shè)計考慮。關(guān)鍵詞 射頻識別 超高頻Design of Several Key Circuits of UHF Passive RFID

2、TagXuguang Sun, Chun Zhang, Yongming Li, Zhihua Wang, Hongyi Chen(Institute of Microelectronics of Tsinghua University)AbstractThis paper focuses mainly on UHF passive RFID tag design and presents some design consideration about several key circuits of the RFID tag. The author begins from the analys

3、is of the basic structure of the UHF RFID tag. Four kinds of power supply recovery circuits are introduced first. Then the author gives us a solution about using Schottky diode to build a voltage doubler with standard CMOS process. About power supply regulator, this paper presents cascade and parall

4、el two kinds of voltage regulators. A new current sink is designed, which is aimed at ASK envelope demodulation. At last, this paper introduces the design of the power-on-reset circuit.Key Words RFID UHF1 引言超高頻無源RFID標(biāo)簽(UHF Passive RFID Tag)是指工作頻率在300M3GHz之間的超高頻頻段內(nèi)，無外接電源供電的RFID標(biāo)簽。這種超高頻無源RFID標(biāo)簽由于其工作頻率

5、高，可讀寫距離長，無需外部電源，制造成本低，目前成為了RFID研究的重點方向之一，有可能成為在不久的將來RFID領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。對于UHF頻段RFID標(biāo)簽的研究，國際上許多研究單位已經(jīng)取得了一些出色的成果。例如，Atmel公司在JSSC上發(fā)表了最小RF輸入功率可低至16.7W的UHF無源RFID標(biāo)簽1。這篇文章由于其超低的輸入功率，已經(jīng)成為RFID標(biāo)簽設(shè)計的一篇經(jīng)典文章，被多次引用。在2005年，JSSC發(fā)表了瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院設(shè)計的一款最小輸入功率僅為2.7W，讀寫距離可達(dá)12m的2.45G RFID標(biāo)簽芯片2。在超小、超薄的RFID標(biāo)簽設(shè)計上，日本日立公司在2006年ISSCC會議上提出了

6、面積僅為0.15mm×0.15mm，芯片厚度僅為7.5m的RFID標(biāo)簽芯片。國內(nèi)在RFID標(biāo)簽領(lǐng)域的研究，目前與國外頂尖的科研成果還有不小的差距，需要國內(nèi)科研工作者加倍的努力。圖1 UHF無源RFID芯片的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，一個完整超高頻無源RFID標(biāo)簽由天線和標(biāo)簽芯片兩部分組成，其中，標(biāo)簽芯片一般包括以下幾部分電路：- 電源恢復(fù)電路 - 電源穩(wěn)壓電路 - 反向散射調(diào)制電路 - 解調(diào)電路- 時鐘提取/產(chǎn)生電路 - 啟動信號產(chǎn)生電路 - 參考源產(chǎn)生電路 - 控制單元 - 存儲器無源RFID標(biāo)簽芯片工作時所需要的能量完全來源于讀卡器產(chǎn)生的電磁波的能量，因此，電源恢復(fù)電路需要將標(biāo)簽天線感應(yīng)

7、出的超高頻信號轉(zhuǎn)換為芯片工作需要的直流電壓，為芯片提供能量。本文第2部分將介紹電源恢復(fù)電路的設(shè)計。由于RFID標(biāo)簽所處的電磁環(huán)境是十分復(fù)雜的，輸入信號的功率可以變化幾百甚至幾千倍，因此，為了芯片在大小不同的場強(qiáng)中均可以正常工作，必須設(shè)計可靠的電源穩(wěn)壓電路。本文第3部分將對電源穩(wěn)壓電路的設(shè)計進(jìn)行說明。調(diào)制與解調(diào)電路是標(biāo)簽與讀卡器進(jìn)行通信的關(guān)鍵電路，目前絕大部分的UHF RFID標(biāo)簽采用的是ASK調(diào)制，本文在第4部分對調(diào)制與解調(diào)進(jìn)行介紹。RFID標(biāo)簽的控制單元是處理指令的數(shù)字電路。為使標(biāo)簽在進(jìn)入讀卡器場區(qū)后，數(shù)字電路可以正確復(fù)位，以響應(yīng)讀卡器的指令，必須設(shè)計可靠的啟動信號產(chǎn)生電路，用來提供數(shù)字單元

8、的復(fù)位信號。本文在第5部分將討論啟動信號產(chǎn)生電路的設(shè)計。2 電源恢復(fù)電路電源恢復(fù)電路將RFID標(biāo)簽天線所接收到的超高頻信號通過整流、升壓等方式轉(zhuǎn)換為直流電壓，為芯片工作提供能量。電源恢復(fù)電路具有多種可行的電路結(jié)構(gòu)。如圖2所示是目前常用的幾種電源恢復(fù)電路34。圖2 (a) 二極管倍壓電路(Dickson電荷泵)圖2 (b) 二極管接法pmos管倍壓電路圖2 (c) 二極管全波整流電路圖2 (d) 柵交叉耦合的NMOS、PMOS管橋式整流電路在這些電源恢復(fù)電路中，并不存在最理想的電路結(jié)構(gòu)，每種電路都有各自的優(yōu)點及缺陷3。在不同的負(fù)載情況、不同的輸入電壓情況、不同的輸出電壓要求以及可用的工藝條件下，

9、需要選擇不同的電路以使其達(dá)到最優(yōu)的性能。圖2(a)所示的多級二極管倍壓電路，一般采用肖特基勢壘二極管。它具有倍壓效率高、輸入信號幅度小的優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛5。但是，一般代工廠的普通CMOS工藝不提供肖特基勢壘二極管，在工藝的選擇上會給設(shè)計者帶來麻煩。圖2(b)是用接成二極管形式的PMOS管來代替肖特基二極管，避免了工藝上的特殊要求。這種結(jié)構(gòu)的倍壓電路需要有較高的輸入信號幅度，在輸出電壓較高時具有較好倍壓效率。圖2(c)是傳統(tǒng)的二極管全波整流電路。與Dickson倍壓電路相比，倍壓效果更好，但引入了更多的二極管元件，功率轉(zhuǎn)換效率一般略低于Dickson倍壓電路。另外，由于它的天線輸入端與芯片地分

10、離，從天線輸入端向芯片看去，是一個電容隔直的全對稱結(jié)構(gòu)，避免了芯片地與天線的相互影響，適合于與對稱天線（例如偶極子天線）相接。圖2(d)是許多文獻(xiàn)提出的全波整流電路的CMOS管解決方案4。在工藝受限的情況下，可以獲得較好的功率轉(zhuǎn)換效率，并且對輸入信號幅度的要求也相對較低3。在一般的無源UHF RFID標(biāo)簽的應(yīng)用中，出于成本的考慮，希望芯片電路適合于普通CMOS工藝的制造。而遠(yuǎn)距離讀寫的要求對電源恢復(fù)電路的功率轉(zhuǎn)換效率提出了較高的要求。為此，很多設(shè)計者采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝來實現(xiàn)肖特基勢壘二極管6，從而可以方便地采用多級Dickson倍壓電路結(jié)構(gòu)來提高電源轉(zhuǎn)換的性能3。圖3所示是普通CMOS工藝制

11、造的肖特基二極管結(jié)構(gòu)示意圖。在設(shè)計中，不需要更改工藝步驟和掩膜板生成規(guī)則，只需在版圖上作一些修改，就可以制作出肖特基二極管。圖3 普通CMOS工藝制造的肖特基二極管結(jié)構(gòu)示意圖圖4所示是在UMC 0.18um CMOS工藝下設(shè)計的幾種肖特基二極管的版圖。它們的直流特性測試曲線如圖5所示。從直流特性的測試結(jié)果上可以看到，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造的肖特基二極管具有典型的二極管特性，并且開啟電壓只有0.2V左右，非常適合應(yīng)用于RFID標(biāo)簽。圖4 幾種肖特基二極管的版圖度，穩(wěn)壓電路中電壓感應(yīng)器將控制泄流源將儲能電容上的多余電荷釋放掉，以此達(dá)到穩(wěn)壓的目的。圖7是其中一種并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。三個串聯(lián)的二極管D1、D

12、2、D3與電阻R1組成電壓感應(yīng)器，控制泄流管M1的柵極電壓。當(dāng)電源電壓超過三個二極管開啟電壓之和后，M1柵極電壓升高，M1導(dǎo)通，開始對儲能電容C1放電。圖7 一種并聯(lián)型穩(wěn)壓電路圖5 幾種肖特基二極管的直流特性曲線3 電源穩(wěn)壓電路在輸入信號幅度較高時，電源穩(wěn)壓電路必須能保證輸出的直流電源電壓不超過芯片所能承受的最高電壓；同時，在輸入信號較小時，穩(wěn)壓電路所消耗的功率要盡量的小，以減小芯片的總功耗。從穩(wěn)壓原理上看，穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)可以分為并聯(lián)式穩(wěn)壓電路和串聯(lián)式穩(wěn)壓電路兩種。并聯(lián)式穩(wěn)壓電路的基本原理如圖6所示。另外一類穩(wěn)壓電路的原理則是采用串聯(lián)式的穩(wěn)壓方案。它的原理圖如圖8所示。參考電壓源是被設(shè)計成一個與

13、電源電壓無關(guān)的參考源。輸出電源電壓經(jīng)電阻分壓后與參考電壓相比較，通過運算放大器放大其差值來控制M1管的柵極電位，使得輸出電壓與參考源基本保持相同的穩(wěn)定狀態(tài)。圖8 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路圖6 并聯(lián)型穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)在RFID標(biāo)簽芯片中，需要有一個較大電容值的儲能電容存儲足夠的電荷以供標(biāo)簽在接收調(diào)制信號時，仍可在輸入能量較小的時刻（例如OOK調(diào)制中無載波發(fā)出的時刻），維持芯片的電源電壓。如果輸入能量過高，電源電壓升高到一定程這種串聯(lián)型穩(wěn)壓電路可以輸出較為準(zhǔn)確的電源電壓，但是由于M1管串聯(lián)在未穩(wěn)壓電源與穩(wěn)壓電源之間，在負(fù)載電流較大時，M1管上的壓降會造成較高的功耗損失。因此，這種電路結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于功耗較小的標(biāo)簽

14、電路中。4 調(diào)制與解調(diào)電路A 解調(diào)電路出于減小芯片面積和功耗的考慮，目前大部分無源RFID標(biāo)簽均采用了ASK調(diào)制。對于標(biāo)簽芯片的ASK解調(diào)電路，常用的解調(diào)方式是包絡(luò)檢波的方式，如圖9所示1。圖9 ASK包絡(luò)檢波解調(diào)電路包絡(luò)檢波部分與電源恢復(fù)部分的倍壓電路基本相同，但是不必提供大的負(fù)載電流。在包絡(luò)檢波電路的末級并聯(lián)一個泄電流源。當(dāng)輸入信號被調(diào)制時，輸入能量減小，泄流源將包絡(luò)輸出電壓降低，從而使得后面的比較器電路判斷出調(diào)制信號。由于輸入射頻信號的能量變化范圍較大，泄流源的電流大小必須能夠動態(tài)的進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)近場、遠(yuǎn)場不同場強(qiáng)的變化。例如，如果泄流電源的電流較小，在場強(qiáng)較弱時，可以滿足比較器的需要

15、，但是當(dāng)標(biāo)簽處于場強(qiáng)很強(qiáng)的近場時，泄放的電流將不足以使得檢波后的信號產(chǎn)生較大的幅度變化，后級比較器無法正常工作。為解決這個問題，可以采用如圖10所示的泄流源結(jié)構(gòu)。圖10 包絡(luò)檢波電路在輸入載波未受調(diào)制時，泄流管M1的柵極電位與漏極電位相同，形成一個二極管接法的NMOS管，將包絡(luò)輸出鉗位在M1的閾值電壓附近，此時輸入功率與在M1上消耗的功率相平衡；當(dāng)輸入載波受調(diào)制后，芯片輸入能量減小，而此時由于延時電路R1、C1的作用，M1的柵極電位仍然保持在原有電平上，M1上泄放的電流仍保持不變，這就使得包絡(luò)輸出信號幅度迅速減?。煌瑯?，在載波恢復(fù)后，R1和C1的延時使得包絡(luò)輸出可以迅速回復(fù)到原有高電平。采用這

16、種電路結(jié)構(gòu)，并通過合理選擇R1、C1的大小以及M1的尺寸，即可滿足在不同場強(qiáng)下解調(diào)的需要。包絡(luò)輸出后面所接的比較器電路也有多種可以選擇的方案，常用的有遲滯比較器、運算放大器等。也可以簡化為用反相器來實現(xiàn)。B調(diào)制電路無源UHF RFID標(biāo)簽一般采用反向散射的調(diào)制方法，即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)，從而達(dá)到調(diào)制的目的。一般設(shè)計天線阻抗與芯片輸入阻抗使其在未調(diào)制時接近功率匹配，而在調(diào)制時，使其反射系數(shù)增加。常用的反向散射方法是在天線的兩個輸入端間并聯(lián)一個接有開關(guān)的電容，如圖11所示，調(diào)制信號通過控制開關(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。圖11 反向

17、散射調(diào)制電路5 啟動信號產(chǎn)生電路電源啟動復(fù)位信號產(chǎn)生電路在RFID標(biāo)簽中的作用是在電源恢復(fù)完成后，為數(shù)字電路的啟動工作提供復(fù)位信號。它的設(shè)計必須要考慮以下幾點問題7：- 如果電源電壓上升時間過長，會使得復(fù)位信號的高電平幅度較低，達(dá)不到數(shù)字電路復(fù)位的需要；- 啟動信號產(chǎn)生電路對電源的波動比較敏感，有可能因此產(chǎn)生誤動作； - 靜態(tài)功耗必須盡可能的低。通常，無源RFID標(biāo)簽進(jìn)入場區(qū)后，電源電壓上升的時間并不確定，有可能很長。這就要求設(shè)計的啟動信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生啟動信號的時刻與電源電壓相關(guān)。圖12所示是一種常見的啟動信號產(chǎn)生電路8。圖12 啟動信號產(chǎn)生電路它的基本原理是利用電阻R0和NMOS管M1組成的

18、支路產(chǎn)生一個相對固定的電壓Va，當(dāng)電源電壓vdd超過NMOS管的閾值電壓后，Va電壓基本保持不變。隨著vdd的繼續(xù)升高，當(dāng)電源電壓達(dá)到Va|Vtp|時，PMOS管M0導(dǎo)通使得Vb升高，而此前由于M0截止，Vb一直處于低電平。這種電路的主要問題是存在著靜態(tài)功耗。并且由于CMOS工藝下MOS管的閾值電壓隨工藝的變化比較大，容易受工藝偏差的影響。因此，利用pn結(jié)二極管作啟動電壓的產(chǎn)生會大大減小工藝的不確定性，如圖13所示。圖13 改進(jìn)后的啟動信號產(chǎn)生電路當(dāng)VDD上升到兩個pn結(jié)二極管的開啟電壓之前，PMOS管M0柵極與電源電壓相等，PMOS管關(guān)斷，此時電容C1上的電壓為低電平。當(dāng)VDD 上升到超過兩

19、個二極管閾值電壓后，M0開始導(dǎo)通，而M1柵極電壓保持不變，流過M1的電流保持不變，電容C1上電壓逐漸升高，當(dāng)其升高到反相器發(fā)生翻轉(zhuǎn)后，就產(chǎn)生了啟動信號。因此，這種電路產(chǎn)生啟動信號的時間取決于電源電壓是否達(dá)到兩個二極管的閾值電壓，具有較高的穩(wěn)定性，避免了一般啟動電路在電源電壓上升過慢時，會導(dǎo)致開啟信號出現(xiàn)過早的問題。如果電源電壓上升的時間過快，電阻R1和M0的柵電容構(gòu)成了低通延時電路，會使得M0的柵極電壓不能迅速跟上電源電壓的變化，仍然維持在低電平上，這時M0就會對電容C1充電，導(dǎo)致電路不能正確工作。為解決這一問題，引入電容C5。如果電源電壓上升速度很快，電容C5的耦合作用能夠使得M0的柵極電位

20、保持與電源電壓一致，避免了上述問題的發(fā)生。 該電路仍然存在的靜態(tài)功耗的問題，可以通過增大電阻值，合理選擇MOS管尺寸來降低靜態(tài)功耗的影響。要想完全解決靜態(tài)功耗的問題則需要設(shè)計額外的反饋控制電路，在啟動信號產(chǎn)生后關(guān)斷這部分電路。但是，需要特別注意引入反饋后產(chǎn)生的不穩(wěn)定態(tài)的問題7。 6 結(jié)論 本文所介紹的一些RFID標(biāo)簽的主要電路，大部分已經(jīng)經(jīng)過了流片的驗證。圖14是我們所設(shè)計的一款RFID標(biāo)簽芯片。芯片面積0.7mm×1.0mm，在36dBm EIRP下，可在6米處讀出標(biāo)簽卡號。圖15是2.45GHz帶有片上天線設(shè)計的RFID標(biāo)簽。在42dBm EIRP下，該芯片可在40cm處產(chǎn)生響應(yīng)

21、。無源UHF RFID芯片的設(shè)計難點是圍繞著如何提高芯片的讀寫距離、降低標(biāo)簽的制造成本展開的。因此，提高電源恢復(fù)電路的效率，降低整體芯片的功耗，并且工作可靠仍然是RFID標(biāo)簽芯片設(shè)計主要的挑戰(zhàn)。圖14 RFID標(biāo)簽芯片照片圖15 2.45GHz帶片上天線的RFID標(biāo)簽照片參考文獻(xiàn)1 Udo Karthaus. Fully Integrated Passive UHF RFID Transponder IC With 16.7uW Minimum RF Input Power. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 38, NO. 10, OCTO

22、BER 20032 Jari-Pascal Curty. Remotely Powered Addressable UHF RFID Integrated System. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 40, NO. 11, NOVEMBER 20053 Giuseppe De Vita and Giuseppe Iannaccone. Design Criteria for the RF Section of UHF and Microwave Passive RFID Transponders. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on Volume 53, Issue 9, Sept. 2005 Page(s):2978 29904 Facen, A.;