超高頻無(wú)源RFID標(biāo)簽的關(guān)鍵電路

　引言

超高頻無(wú)源RFID標(biāo)簽(UHFPassiveRFIDTag)是指工作頻率在300M~3GHz之間的超高頻頻段內(nèi)，無(wú)外接電源供電的RFID標(biāo)簽。這種超高頻無(wú)源RFID標(biāo)簽由于其工作頻率高，可讀寫(xiě)距離長(zhǎng)，無(wú)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(lái)RFID領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。

對(duì)于 UHF頻段RFID標(biāo)簽的研究，國(guó)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(wú)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(xiě)距離可達(dá)12m的2.45GRFID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(huì)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(guó)內(nèi)在RFID標(biāo)簽領(lǐng)域的研究，目前與國(guó)外頂尖的科研成果還有不小的差距，需要國(guó)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(wú)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(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路、參考源產(chǎn)生電路、控制單元、存儲(chǔ)器。

無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片工作時(shí)所需要的能量完全來(lái)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(hào)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(hào)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(chǎng)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(duì)電源穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)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UHFRFID標(biāo)簽采用的是ASK調(diào)制，本文在第4部分對(duì)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(chǎng)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(jì)可靠的啟動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路，用來(lái)提供數(shù)字單元的復(fù)位信號(hào)。本文在第 5部分將討論啟動(dòng)信號(hào)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(hào)通過(guò)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(jí)二極管倍壓電路，一般采用肖特基勢(shì)壘二極管。它具有倍壓效率高、輸入信號(hào)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(shì)壘二極管，在工藝的選擇上會(huì)給設(shè)計(jì)者帶來(lái)麻煩。圖2(b)是用接成二極管形式的PMOS管來(lái)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(hào)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，避免了芯片地與天線的相互影響，適合于與對(duì)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(duì)輸入信號(hào)幅度的要求也相對(duì)較低。

在一般的無(wú)源UHFRFID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(xiě)的要求對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)肖特基勢(shì)壘二極管，從而可以方便地采用多級(jí)Dickson倍壓電路結(jié)構(gòu)來(lái)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UMC0.18umCMOS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(cè)試曲線如圖5所示。從直流特性的測(cè)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(kāi)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(hào)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(guò)芯片所能承受的最高電壓；同時(shí)，在輸入信號(hào)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(chǔ)能電容存儲(chǔ)足夠的電荷以供標(biāo)簽在接收調(diào)制信號(hào)時(shí)，仍可在輸入能量較小的時(shí)刻（例如OOK調(diào)制中無(wú)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(guò)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(chǔ)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(guò)三個(gè)二極管開(kāi)啟電壓之和后，M1柵極電壓升高，M1導(dǎo)通，開(kāi)始對(duì)儲(chǔ)能電容C1放電。

　　另外一類(lèi)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(wú)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(guò)運(yùn)算放大器放大其差值來(lái)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(huì)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(wú)源RFID標(biāo)簽均采用了ASK調(diào)制。對(duì)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(jí)并聯(lián)一個(gè)泄電流源。當(dāng)輸入信號(hào)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(hào)。由于輸入射頻信號(hào)的能量變化范圍較大，泄流源的電流大小必須能夠動(dòng)態(tài)的進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)不同場(chǎng)強(qiáng)的變化。例如，如果泄流電源的電流較小，在場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)很強(qiáng)的近場(chǎng)時(shí)，泄放的電流將不足以使得檢波后的信號(hào)產(chǎn)生較大的幅度變化，后級(jí)比較器無(wú)法正常工作。為解決這個(gè)問(wèn)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(hào)幅度迅速減?。煌瑯?，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(guò)合理選擇R1、C1的大小以及M1的尺寸，即可滿足在不同場(chǎng)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(jiǎn)化為用反相器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

b.調(diào)制電路

無(wú)源 UHFRFID標(biāo)簽一般采用反向散射的調(diào)制方法，即通過(guò)改變芯片輸入阻抗來(lái)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(kāi)關(guān)的電容，如圖11所示，調(diào)制信號(hào)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)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(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路

電源啟動(dòng)復(fù)位信號(hào)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(dòng)工作提供復(fù)位信號(hào)。它的設(shè)計(jì)必須要考慮以下幾點(diǎn)問(wèn)題：如果電源電壓上升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使得復(fù)位信號(hào)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(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路對(duì)電源的波動(dòng)比較敏感，有可能因此產(chǎn)生誤動(dòng)作；靜態(tài)功耗必須盡可能的低。

通常，無(wú)源RFID標(biāo)簽進(jìn)入場(chǎng)區(qū)后，電源電壓上升的時(shí)間并不確定，有可能很長(zhǎng)。這就要求設(shè)計(jì)的啟動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)的時(shí)刻與電源電壓相關(guān)。圖12所示是一種常見(jiàn)的啟動(dòng)信號(hào)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(duì)固定的電壓Va，當(dāng)電源電壓vdd超過(guò)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(wèn)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(dòng)電壓的產(chǎn)生會(huì)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(kāi)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(guò)兩個(gè)二極管閾值電壓后，M0開(kāi)始導(dǎo)通，而M1柵極電壓保持不變，流過(guò)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(dòng)信號(hào)。因此，這種電路產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)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(dòng)電路在電源電壓上升過(guò)慢時(shí)，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)啟信號(hào)出現(xiàn)過(guò)早的問(wèn)題。

如果電源電壓上升的時(shí)間過(guò)快，電阻R1和M0的柵電容構(gòu)成了低通延時(shí)電路，會(huì)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(huì)對(duì)電容C1充電，導(dǎo)致電路不能正確工作。為解決這一問(wèn)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(wèn)題的發(fā)生。

該電路仍然存在的靜態(tài)功耗的問(wèn)題，可以通過(guò)增大電阻值，合理選擇MOS管尺寸來(lái)降低靜態(tài)功耗的影響。要想完全解決靜態(tài)功耗的問(wèn)題則需要設(shè)計(jì)額外的反饋控制電路，在啟動(dòng)信號(hào)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(wèn)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(guò)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36dBmEIRP下，可在6米處讀出標(biāo)簽卡號(hào)。圖15是2.45GHz帶有片上天線設(shè)計(jì)的RFID標(biāo)簽。在 42dBmEIRP下，該芯片可在40cm處產(chǎn)生響應(yīng)。

無(wú)源UHFRFID芯片的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是圍繞著如何提高芯片的讀寫(xiě)距離、降低標(biāo)簽的制造成本展開(kāi)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)。