超高頻無源RFID標(biāo)簽相關(guān)電路的分析研究

超高頻無源RFID 標(biāo)簽(UHF Passive RFIDTag)是指工作頻率 在300M~3GHz 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(diǎn)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 16.7μW的UHF 無源RFID 標(biāo)簽。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(jì)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(jì)的一款最小輸入功率僅為2.7μW，讀寫距離可達(dá)12m 的2.45G RFID 標(biāo)簽芯片。在超 小、超薄的RFID 標(biāo)簽設(shè)計(jì)上，日本日立公司在2006年ISSCC 會議上提出了面積僅為0.15mm×0.15mm，芯片厚度僅為.5μm 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。

如圖1 所示，一個(gè)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(shí)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(shí)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)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(jì)。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(jì)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(jì)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，可以正確復(fù)位，以響應(yīng)讀卡器的指令，必須設(shè)計(jì)可靠的啟動信號產(chǎn)生電路，用來提供數(shù)字單元的復(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(jì)。

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。

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(diǎn)及缺陷。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，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(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。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(jì)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(shí)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離，從天線輸入端向芯片看去，是一個(gè)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。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。

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(jì)者采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝來實(shí)現(xiàn)肖特基勢壘 二極管，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。圖3 所示是普通CMOS 工藝制造的肖特基二極管結(jié)構(gòu)示意圖。在設(shè)計(jì) 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4 所示是在UMC 0.18um CMOS 工藝下設(shè)計(jì)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。

電源穩(wěn)壓電路

在輸入信號幅度較高時(shí)，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(shí)，在輸入信號較小時(shí)，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。

在RFID 標(biāo)簽芯片中，需要有一個(gè)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(shí)，仍可在輸入能量較小的時(shí)刻(例如OOK調(diào)制 中無載波發(fā)出的時(shí)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(gè)串聯(lián)的二極管D1、D2、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(gè)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。

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(jì)成一個(gè)與電源電壓無關(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(yùn)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)。

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(shí)，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)簽電路中。

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。

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(gè)泄電流源。當(dāng)輸入信號被調(diào)制 時(shí)，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(shí)，可以滿足比較器的需要，但是當(dāng)標(biāo)簽處于場強(qiáng)很強(qiáng)的近場 時(shí)，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(gè)問題，可以采用如圖10 所示的泄流源結(jié)構(gòu)。

在輸入載波未受調(diào)制時(shí)，泄流管M1 的柵極電位與漏極電位相同，形成一個(gè)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(shí)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(shí)由于延時(shí)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小;同樣，在載波恢復(fù)后，R1 和C1 的延時(shí)使得包絡(luò)輸出可以迅速回復(fù) 到原有高電平。采用這種電路結(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(yùn)算放大器等。也可以簡化為用反相器來實(shí)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(jì)天線阻抗與芯片 輸入阻抗使其在未調(diào)制時(shí)接近功率匹配，而在調(diào)制時(shí)，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(gè)輸入端間并聯(lián)一個(gè)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。

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(jì)必須要考慮以下幾點(diǎn)問題：如果電源電壓上升時(shí)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(shí)間并不確定，有可能很長。這就要求設(shè)計(jì)的啟動信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生啟動信號的時(shí)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。

它的基本原理是利用電阻R0 和NMOS 管M1組成的支路產(chǎn)生一個(gè)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(shí)，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。

當(dāng)VDD 上升到兩個(gè)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(shí)電容C1 上的電壓為低電 平。當(dāng)VDD 上升到超過兩個(gè)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(shí)間取決于電源電壓是否達(dá)到兩個(gè)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(shí)，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(shí)間過快，電阻R1 和M0 的柵 電容構(gòu)成了低通延時(shí)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(shí)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(jì)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。

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(yàn)證。圖14 是我們所設(shè)計(jì)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(jì)的RFID 標(biāo)簽。在 42dBm EIRP 下，該芯片可在40cm處產(chǎn)生響應(yīng)。

無源UHF RFID 芯片的設(shè)計(jì)難點(diǎn)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(jì)主要的挑戰(zhàn)。