0 引言
超高頻無線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)具有非接觸式、識(shí)別速度快、作用距離遠(yuǎn)、存儲(chǔ)容量大、可多卡識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、零售、交通、物流等行業(yè)。UHF RFID無源標(biāo)簽芯片作為超高頻射頻識(shí)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(jì)低功耗、小尺寸、高動(dòng)態(tài)范圍的模擬射頻前端，可以解決UHF RFID標(biāo)簽芯片的關(guān)鍵技術(shù)難題，并推動(dòng)超高頻標(biāo)簽芯片快速發(fā)展。
在此針對(duì)ISO18000-6C/B標(biāo)準(zhǔn)，研究和分析了UHF RFID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adence Spectre設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)和TSMCO.18μm CMOS混合信號(hào)工藝，對(duì)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(shí)鐘產(chǎn)生電路等核心模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(cè)試結(jié)果。
1 標(biāo)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(tái)數(shù)據(jù)處理計(jì)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(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，無源電子標(biāo)簽通過電磁場(chǎng)耦合獲得能量，利用整流電路將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，?duì)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(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。數(shù)字電路的系統(tǒng)時(shí)鐘由本地振蕩器產(chǎn)生。UHF RFID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(shí)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(chǔ)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(chǔ)、讀/寫等功能。
對(duì)于UHF RFID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(jì)。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(chǔ)在儲(chǔ)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36 dBm。在自由空間中，電磁波在5 m距離處衰減約45.5 dB，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(gè)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(jì)
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(jí)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(jí)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(chǔ)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(chǔ)能，從而產(chǎn)生直流電壓，表達(dá)式為：
式中：VDD是整流電路的輸出直流電壓;VpRF是輸入射頻信號(hào)的幅度;VfD整流二極管的正向電壓;N是采用的整流級(jí)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(jì)中需要對(duì)各種指標(biāo)進(jìn)行折中。根據(jù)UHF RFID標(biāo)簽芯片系統(tǒng)需要，所設(shè)計(jì)的整流電路可以實(shí)現(xiàn)高低兩個(gè)電平輸出。
