XPM存儲(chǔ)器RFID高頻接口設(shè)計(jì)簡介

1.引言

　　RFID(射頻識(shí)別)技術(shù)是從上世紀(jì)80 年代走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，近年來發(fā)展十分迅速。其技術(shù)的覆蓋范圍廣泛，許多正在應(yīng)用中的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)都可以歸于RFID 技術(shù)之內(nèi)，但它們的工作原理、工作頻率、技術(shù)特點(diǎn)、適用領(lǐng)域以及遵循的標(biāo)準(zhǔn)卻是不同的。 RFID 系統(tǒng)的工作頻率，主要有125KHz、13.56MHz、400MHz、860～960MHz、 2.45GHz、 5.8GHz 等多個(gè)頻段。

　　但是，不同的國家和地區(qū)的對(duì)頻率的分配和最大發(fā)射功率的規(guī)定是不 同的。在某些地區(qū)，某些頻段的RFID 產(chǎn)品可能是被禁止使用的。其中13.56MHz的RFID國際標(biāo)準(zhǔn)有ISO14443和ISO15693兩種。

　　ISO14443又分為Type A 和 Type B兩中。其中Type A 以飛利浦的Mifare one 為代表, Type B有代表性的是目前我國正 在發(fā)行的*。ISO14443是近耦合通訊協(xié)議，通訊距離小于10cm. ISO15693是疏耦合通訊協(xié)議，通訊距離可以達(dá)到1.5m.

　　在ISO15693協(xié)議中，為了從閱讀器到疏耦合IC卡的數(shù)據(jù)傳輸，不僅使用了10%的ASK調(diào)制，而且還使用了100%的ASK.此外，有兩種不同的編碼方法：一是“256中取1”，另一種是“4中取1”。

　　這部分電路通過Cadence spectre 仿真環(huán)境進(jìn)行了仿真，并通過SMIC CMOS 0.18um one play four metal工藝流片驗(yàn)證。

　　此RFID技術(shù)采用獨(dú)創(chuàng)的一項(xiàng)新的RFID芯片技術(shù)，不同于常規(guī)RFID芯片，此RFID沒有采用傳統(tǒng)EEPROM存儲(chǔ)器，而是應(yīng)用了彭澤忠博士發(fā)明的存儲(chǔ)器技術(shù)-XPMTM(超級(jí)永久性存儲(chǔ)器)技術(shù)。XPMTM，即Super Permanent Memory(超級(jí)永久性存儲(chǔ)器)。我們起名為X- RFID,X-RFID 具有高安全、低價(jià)、可靠性高和容量大等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于圖書管理、證件防偽，景點(diǎn)會(huì)議門票，產(chǎn)品防偽，電子錢包，資產(chǎn)管理，單品管理，物流和供應(yīng)鏈管理等眾多領(lǐng)域。

　　本文的重點(diǎn)講述X-RFID芯片高頻模擬接口模塊的設(shè)計(jì).下面第二節(jié)和第三節(jié)描述了RFID 芯片的整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第四節(jié)描述了13.56MHz RFID系統(tǒng)的電感耦合仿真模型和仿真結(jié)果。 第五節(jié)得出了結(jié)論。

　　2.應(yīng)答器芯片的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　13.56MHz 符合ISO15693協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的RFID的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示. 這個(gè)芯片是通過電感耦合的方式來獲得芯片工作需要的電源,所以稱為無源RFID芯片.主要結(jié)構(gòu)包括: 模擬前端 接口電路, 數(shù)字邏輯控制電路和Memory電路.此芯片只有2個(gè)PAD連接外部天線. 模擬前端接 口電路包括: 全波橋式整流電路、穩(wěn)壓電路、高壓保護(hù)電路、調(diào)制電路、解調(diào)電路、上電復(fù) 位電路、時(shí)鐘提取電路。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　當(dāng) RFID 標(biāo)簽芯片進(jìn)入到讀卡器的磁場范圍內(nèi)時(shí)，通過RFID 標(biāo)簽芯片的天線和讀卡器 天線之間的耦合，13.56Mhz 的交流正弦波信號(hào)傳到全波橋式整流電路，然后轉(zhuǎn)變成直流電 壓，通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓到需要的電壓值給數(shù)字邏輯控制電路和Memory 電路作為電源使用。

　　由于讀卡機(jī)發(fā)出的磁場強(qiáng)度跟與讀卡機(jī)的遠(yuǎn)近距離有關(guān)，在離讀卡機(jī)距離近的地方磁場強(qiáng)度 大，離讀卡機(jī)距離遠(yuǎn)的地方磁場強(qiáng)度少，當(dāng)RFID 標(biāo)簽芯片離讀卡機(jī)距離很近時(shí)，由于磁場 強(qiáng)度很大，RFID 標(biāo)簽芯片天線兩端耦合過來的電壓值很高，如果不進(jìn)行高壓保護(hù)的話，會(huì) 對(duì)RFID 標(biāo)簽芯片內(nèi)部電路造成損壞，所以高壓保護(hù)電路必不可少。讀卡機(jī)和RFID 標(biāo)簽之間 的通訊是采用半雙工的模式,讀卡機(jī)發(fā)出的指令通過ASK 調(diào)制疊加到載波上發(fā)送給 RFID 標(biāo)簽 芯片，RFID 標(biāo)簽芯片通過自己內(nèi)部的解調(diào)電路把指令解調(diào)出來送到數(shù)字邏輯控制電路進(jìn)行譯碼，然后處理相應(yīng)的指令。RFID 標(biāo)簽芯片的數(shù)據(jù)的返回通過自己內(nèi)部的調(diào)制電路把數(shù)據(jù)疊加到讀卡器發(fā)出的載波上發(fā)送給讀卡機(jī)，讀卡機(jī)通過自己內(nèi)波的解調(diào)電路把數(shù)據(jù)解調(diào)出來。這樣讀卡器和 RFID 標(biāo)簽完成互相通信。

　　2.1 全波橋式整流電路

　　全波橋式整流電路把天線耦合過來的13.56MHz正弦波信號(hào)裝換成直流信號(hào)，通過穩(wěn)壓電路后提供給數(shù)字邏輯控制電路和Memory電路的VDD和GND.電路圖如圖所示。

　　圖中n1和n2中兩個(gè)NMOS晶體管作為開關(guān)源極接GND,漏極接天線的兩端。而n3和n4中兩個(gè) NMOS晶體管作為二極管使用，柵極和漏極連接在一起接天線的一端，源極接電源VDD，VDD 通過一個(gè)大電容接地，此大電容為儲(chǔ)能電容，即存儲(chǔ)天線耦合過來的電荷，提供給內(nèi)部電路 作電源VDD。

　　其中：Vm 是天線正弦波信號(hào)的峰峰值， Vth是NMOS晶體管的閾值電壓。

　　2.2 時(shí)鐘產(chǎn)生電路

　　時(shí)鐘產(chǎn)生電路如圖所示,兩個(gè)反相器電路組成了鎖存器電路.信號(hào)相位相反的 13.56MHz 的正弦信號(hào)通過天線端coil1 和coil2 加到 NMOS 管M7 和M8 上,當(dāng)coil1 為高電 平信號(hào)時(shí), coil2 就為低電平信號(hào),這時(shí)NMOS 管M7 導(dǎo)通,M8 截止. 當(dāng) coil1 為低電平 時(shí),coil2 就變?yōu)楦唠娖?這是NMOS 晶體管M7 截止,M8 導(dǎo)通. 通過這種交替控制,時(shí)鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生了 13.56MHz 的方波時(shí)鐘信號(hào)。

　　2.3 偏置產(chǎn)生電路

　　偏置產(chǎn)生電路如圖所示, PMOS 晶體管M1 和M2 還有電容CAP 組成了偏置電路的啟動(dòng)電路。PMOS 晶體管M3 和M4 還有NMOS 晶體管M5 和M6 和電阻R 組成了與電源電壓無關(guān)的電流偏置。

　　由于M3 晶體管的寬長比是M4 的N 倍,而由于M5 和M6 的寬長比一樣,根據(jù)電流鏡的原理, 流過M5 管的電流I5 和流過M6 管的電流I6 相等.而

　　由于上式都是常數(shù),所以,我們可以得到一個(gè)與電源電壓VDD 有固定差值的偏置電壓Vbias。