內嵌XPM存儲器RFID高頻接口模塊設計

摘要：本文介紹了13.56MHz符合ISO15693的RFID高頻接口模塊的設計,包括在10%或100%的ASK調制的時鐘提取,從交流的天線信號產生直流電壓的模塊,限制天線電壓的保護模塊,解調和調制模塊和電源穩(wěn)壓模塊。還介紹了用cadence spectre 工具采用電感耦合仿真模型對這個高頻接口進行了仿真的結果,最后用SMIC 0.18um four-metal one poly mixed signal CMOS 工藝實現。而且成功的把XPM存儲器技術集成到RFID芯片中, 實現了世界上第一次采用XPM存儲器技術成功的RFID芯片。

　　1.引言

　　RFID（射頻識別）技術是從上世紀80 年代走向成熟的一項自動識別技術，近年來發(fā)展 十分迅速。其技術的覆蓋范圍廣泛，許多正在應用中的自動識別技術都可以歸于RFID 技術 之內，但它們的工作原理、工作頻率、技術特點、適用領域以及遵循的標準卻是不同的。 RFID 系統(tǒng)的工作頻率，主要有125KHz、13.56Mhz、400MHz、860～960MHz、2.45GHz、 5.8GHz 等多個頻段。

　　但是，不同的國家和地區(qū)的對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 產品可能是被禁止使用的。 其中13.56MHz的RFID國際標準有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是近耦合通訊協議，通訊距離小于10cm. ISO15693是疏耦合 通訊協議，通訊距離可以達到1.5m.

　　在ISO15693協議中，為了從閱讀器到疏耦合IC卡的數據傳輸，不僅使用了10%的ASK調制，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)境進行了仿真，并通過SMIC CMOS 0.18um one play four metal工藝流片驗證。

　　此RFID技術采用獨創(chuàng)的一項新的RFID芯片技術，不同于常規(guī)RFID芯片，此RFID沒有采用 傳統(tǒng)EEPROM存儲器，而是應用了彭澤忠博士發(fā)明的存儲器技術-XPMTM（超級永久性存儲器） 技術。XPMTM，即Super Permanent Memory（超級永久性存儲器）。我們起名為X-RFID,X-RFID 具有高安全、低價、可靠性高和容量大等特點，可廣泛應用于圖書管理、證件防偽，景點會 議門票，產品防偽，電子錢包，資產管理，單品管理，物流和供應鏈管理等眾多領域。

　　本文的重點講述X-RFID芯片高頻模擬接口模塊的設計.下面第二節(jié)和第三節(jié)描述了RFID 芯片的整個系統(tǒng)結構。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果。 第五節(jié)得出了結論。

　　2.應答器芯片的工作原理和系統(tǒng)結構

　　13.56MHz 符合ISO15693協議標準的RFID的系統(tǒng)結構如圖1所示. 這個芯片是通過電感 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.主要結構包括: 模擬前端 接口電路, 數字邏輯控制電路和memory電路.此芯片只有2個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、高壓保護電路、調制電路、解調電路、上電復 位電路、時鐘提取電路。

　　圖 1 系統(tǒng)結構框圖

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

　　由于讀卡機發(fā)出的磁場強度跟與讀卡機的遠近距離有關，在離讀卡機距離近的地方磁場強度 大，離讀卡機距離遠的地方磁場強度少，當RFID 標簽芯片離讀卡機距離很近時，由于磁場 強度很大，RFID 標簽芯片天線兩端耦合過來的電壓值很高，如果不進行高壓保護的話，會 對RFID 標簽芯片內部電路造成損壞，所以高壓保護電路必不可少。讀卡機和RFID 標簽之間 的通訊是采用半雙工的模式,讀卡機發(fā)出的指令通過ASK 調制疊加到載波上發(fā)送給RFID 標簽 芯片，RFID 標簽芯片通過自己內部的解調電路把指令解調出來送到數字邏輯控制電路進行 譯碼，然后處理相應的指令。RFID 標簽芯片的數據的返回通過自己內部的調制電路把數據 疊加到讀卡器發(fā)出的載波上發(fā)送給讀卡機，讀卡機通過自己內波的解調電路把數據解調出 來。這樣讀卡器和RFID 標簽完成互相通信。

　　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正弦波信號裝換成直流信號，通過穩(wěn)壓電 路后提供給數字邏輯控制電路和Memory電路的VDD和GND.電路圖如圖2所示。

　　圖 2 全波橋式整流電路

　　圖中n1和n2中兩個NMOS晶體管作為開關源極接GND,漏極接天線的兩端。而n3和n4中兩個 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 通過一個大電容接地，此大電容為儲能電容，即存儲天線耦合過來的電荷，提供給內部電路 作電源VDD。

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

　　2.2 時鐘產生電路

　　時鐘產生電路如圖3 所示,兩個反相器電路組成了鎖存器電路.信號相位相反的 13.56MHz 的正弦信號通過天線端coil1 和coil2 加到NMOS 管M7 和M8 上,當coil1 為高電 平信號時, coil2 就為低電平信號,這時NMOS 管M7 導通,M8 截止. 當coil1 為低電平 時,coil2 就變?yōu)楦唠娖?這是NMOS 晶體管M7 截止,M8 導通. 通過這種交替控制,時鐘產生電 路產生了13.56MHz 的方波時鐘信號。

　　圖3 時鐘產生電路