超高頻無源電子標簽芯片的模擬電路設(shè)計

超高頻無源電子標簽芯片的模擬電路設(shè)計

摘要:電子標簽芯片是無線射頻識別(RFID)技術(shù)的核心，其模擬電路的設(shè)計十分關(guān)鍵?；贗SO/IEC 18000-6C標準，以設(shè)計出符合標準的標簽芯片為設(shè)計目標，超高頻(UHF)無源電子標簽芯片模擬電路被提出。它分為電源產(chǎn)生電路、調(diào)制解調(diào)電路以及上電復(fù)位模塊等模塊。設(shè)計結(jié)果表明，設(shè)計的電路具有很高的整流效率，滿足了設(shè)計需求。

????? 電子標簽內(nèi)存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，常以此作為待識別物品的標識性信息。應(yīng)用中將電子標簽附著在待識別物品上，作為待識別物品的電子標記。閱讀器與電子標簽可按約定的通信協(xié)議互傳信息，通常的情況是由閱讀器向電子標簽發(fā)送命令，電子標簽根據(jù)收到的閱讀器的命令，將內(nèi)存的標識性數(shù)據(jù)回傳給閱讀器。這種通信是在無接觸方式下，利用交變磁場或電磁場的空間耦合及射頻信號調(diào)制與解調(diào)技術(shù)實現(xiàn)的。

????? 電子標簽通常由標簽天線(或線圈)和標簽芯片組成。電子標簽芯片即相當于一個具有無線收發(fā)功能再加存貯功能的單片系統(tǒng)(SoC)。從純技術(shù)的角度來說，射頻識別技術(shù)的核心在電子標簽，閱讀器是根據(jù)電子標簽的設(shè)計而設(shè)計的。

????? 電子標簽依據(jù)發(fā)送射頻信號的方式不同，分為主動式和被動式兩種。主動式標簽主動向閱讀器發(fā)送射頻信號，通常由內(nèi)置電池供電，又稱為有源電子標簽；被動式標簽不帶電池，又稱為無源電子標簽，其發(fā)射電波及內(nèi)部處理器運行所需能量均來自閱讀器產(chǎn)生的電磁波。無源電子標簽在接收到閱讀器發(fā)出的電磁波信號后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量。

????? 一般來說，有源電子標簽具有更遠的通信距離，但其價格相對較高，主要應(yīng)用于貴重物品遠距離檢測等應(yīng)用領(lǐng)域。無源電子標簽具有價格低的優(yōu)勢，盡管其工作距離和存儲容量受到能量的限制，但有巨大的市場潛力，是目前業(yè)界研發(fā)的熱點。

????? 無源電子標簽芯片主要包括3個部分：模擬電路、數(shù)字控制和電可擦除可編程只讀存儲器(E2PROM)模塊。其中，模擬電路模塊又包括電源產(chǎn)生電路、調(diào)制解調(diào)電路等。

1 超高頻無源電子標簽芯片模擬電路的設(shè)計要求
????? 超高頻(UHF)無源電子標簽芯片是基于ISO/IEC 18000-6C標準而設(shè)計的^[1]，ISO/IEC 18000-6C標準是繼ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B標準之后的新標準，它對前兩種標準的協(xié)議特點進行了一系列有效的修正與擴充。其中物理層數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制方式、防碰撞算法等一些關(guān)鍵技術(shù)有了改進，使得ISO/IEC 18000-6C的性能比ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B有了很大的提高。

????? 在標簽設(shè)計時，標簽芯片的模擬電路部分必須要與標準中規(guī)定的空中接口參數(shù)相一致，其主要參數(shù)規(guī)格如表1所示。

????? 表1中的參數(shù)主要是按照ISO/IEC 18000-6C標準選擇，其中標簽射頻輸入功率的計算過程如下。

????? 由電磁場理論可知標簽天線處的電磁場能量密度：S =P /Ae =P /[λ2/(4π)]=4πP /λ2=1/2·E 2/η，其中S是標簽天線處的電磁場能量密度，P是標簽天線接收到的能量，Ae是標簽天線的等效接收面積，λ是閱讀器發(fā)射電磁波的波長，E是標簽天線處的電場強度，η是空氣的波阻抗。
進而推導(dǎo)出標簽天線處的電場強度為：。

????? 當采用半波對稱陣子當作標簽天線時，每個陣子長度為λ/4，所以標簽天線上的感應(yīng)電壓為：U =E·d =，其中d為單個陣子的長度。

????? 由電荷泵電路可知，電荷泵輸入端的電壓必須大于等于0.8 V時才能開啟整個電荷泵電路進行充電。因此U≥0.8 V，也即：≥0.8，把空氣的波阻抗η=120·π帶入可求得P≥1.1 mW。也即射頻輸入功率至少為1.1 mW才能使標簽正常工作。

2 模擬電路設(shè)計
????? 無源電子標簽芯片的模擬電路部分主要分為調(diào)制電路、解調(diào)電路和電源產(chǎn)生電路3個部分，除此之外還有上電復(fù)位電路等，如圖1所示。

????? 調(diào)制電路對基帶數(shù)據(jù)進行射頻調(diào)制，設(shè)計中主要采用逆向散射調(diào)制，即用數(shù)據(jù)比特流調(diào)制標簽天線的輸入阻抗來改變反射回閱讀器信號的幅度，從而實現(xiàn)類似于幅度調(diào)制(AM)的逆向散射調(diào)制。解調(diào)電路完成對閱讀器發(fā)射來的命令信息進行解調(diào)，電源產(chǎn)生電路必須能夠為芯片中的電路提供穩(wěn)定充足的電能，在設(shè)計中采用電荷泵作為電源產(chǎn)生電路。此電路相對較為復(fù)雜，是整個芯片模擬電路部分最為關(guān)鍵的部分。

2.1 調(diào)制電路
????? 標簽芯片是基于ISO/IEC 18000-6C標準設(shè)計的，因而標簽芯片中的調(diào)制電路采用逆向散射調(diào)制來實現(xiàn)FM0/Miller+ASK調(diào)制，也就是用數(shù)據(jù)比特流調(diào)制標簽天線的輸入阻抗來改變反射回閱讀器信號的幅度，從而實現(xiàn)類似于AM調(diào)制的逆向散射調(diào)制，如圖2所示。

????? 此標簽芯片逆向散射調(diào)制電路采用消除了襯底調(diào)制效應(yīng)的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)開關(guān)電路來實現(xiàn)，用數(shù)字電路送過來的數(shù)據(jù)比特來控制CMOS開關(guān)的開與關(guān)，也即改變單溝道CMOS開關(guān)的輸入阻抗，由于CMOS開關(guān)是并聯(lián)在天線兩端的，因而就改變了天線的輸入阻抗，實現(xiàn)了逆向散射調(diào)制的功能。

2.2 解調(diào)電路
????? 芯片的解調(diào)電路如圖3所示，從天線接收過來的信號先經(jīng)過頻帶選擇濾波器濾波，然后用包絡(luò)檢波電路檢波，再用施密特觸發(fā)器對波形進行整形，最后使用1.28 MHz的本地時鐘對整形后的數(shù)據(jù)進行采樣并計數(shù)每個數(shù)據(jù)比特對應(yīng)的1.28 MHz脈沖的個數(shù)。

????? (1) 帶通濾波器
????? 為了減少電容和電感數(shù)量，節(jié)省芯片面積，采用2級反轉(zhuǎn)Chebyshev濾波器，仿真結(jié)果表明其中心頻率為905 MHz，帶寬是220 MHz，相對帶寬是24％，滿足了設(shè)計要求。

????? (2) 包絡(luò)檢波器
????? 包絡(luò)檢波器由二極管和并聯(lián)的RC電路組成，只有時間常數(shù)RC大于等于載波周期的100倍時，包絡(luò)檢波器的輸出信號才能夠正確地跟隨輸入端調(diào)制信號的包絡(luò)變化^[2]。鑒于芯片采用CMOS工藝，我們使用金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)管實現(xiàn)包絡(luò)檢波器中的二極管、電容和電阻。

????? 在ADS中仿真設(shè)計的包絡(luò)檢波器，結(jié)果表明：當輸入的ASK調(diào)制信號的載波頻率在860～960 MHz間變化，基帶信號周期在6.25～25 ?滋s間變化時，檢波器均能較好的解調(diào)出包絡(luò)。但檢波后得到的信號波形不是理想的矩形脈沖，出現(xiàn)了較大的變形，因此為了保證后續(xù)電路的正常工作，必須對變形的波形進行整形處理。

????? (3) 施密特觸發(fā)器的設(shè)計
????? 由上面的分析可知，包絡(luò)檢波后的信號出現(xiàn)變形，可能會導(dǎo)致后續(xù)的解碼電路產(chǎn)生錯誤，因此需要對出現(xiàn)變形的信號進行整形處理。我們采用施密特觸發(fā)器來消除脈沖變形。

????? (4) 本地時鐘電路的設(shè)計
????? 由于閱讀器到標簽的數(shù)據(jù)速率在26.7～128 kb/s之間變化，標簽到閱讀器的數(shù)據(jù)速率在40～640 kb/s之間變化，因此為了正確地調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù)，必須有多種速率的時鐘。經(jīng)過計算得知：芯片中只要有一個1.28 MHz的時鐘，經(jīng)過一系列的分頻就可以得到所需的全部時鐘。由于時鐘速率很低(1.28 MHz)，使用常用的LC振蕩器實現(xiàn)時鐘電路，將要用到非常大的電感和電容，而在面積很小的芯片中實現(xiàn)大數(shù)值的電感和電容是不現(xiàn)實的，因而不能采用LC振蕩器。

????? 本次設(shè)計中我們采用環(huán)形振蕩器來產(chǎn)生本地時鐘^[3-4]。此環(huán)形振蕩器由奇數(shù)個CMOS反相器閉環(huán)連接構(gòu)成，這樣的環(huán)形振蕩器具有集成度高和消耗能量少的優(yōu)點。此外為了增加每級反相器的延遲時間，除最后一級反相器外的反相器輸出端和地之間都接有電容。改變反相器的級數(shù)、電容數(shù)值以及MOS管的尺寸可以調(diào)整振蕩器的振蕩頻率到所需的數(shù)值^[5]。我們設(shè)計中采用5級反相器構(gòu)成環(huán)形振蕩器，為了提高集成度，我們使用漏極和源極連接到地的N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)管當作電容，調(diào)整MOS管的長度和寬度，最后在ADS中仿真時鐘電路得到的仿真結(jié)果表明可以作為芯片中所需的1.28 MHz的時鐘源。

2.3 電源產(chǎn)生電路
????? 電源產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。天線接收到的射頻信號經(jīng)過射頻-直流(RF-DC)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為不低于VL的直流電壓，然后經(jīng)電壓限幅器限幅后得到穩(wěn)定的直流電壓VL(2.8 V)供給除E2PROM外的電路工作；VL和本地時鐘信號經(jīng)過直流-直流(DC- DC)轉(zhuǎn)換電路和電壓限幅器轉(zhuǎn)化為直流電壓VH(12 V)供E2PROM使用。

?

????? (1) RF-DC轉(zhuǎn)換電路
????? RF-DC轉(zhuǎn)換電路基于電荷泵電路設(shè)計，其原理如圖5所示，芯片設(shè)計時用柵源短接的增強型NMOS管代替圖5中的二極管。設(shè)RF-DC轉(zhuǎn)換電路所需二極管的最小個數(shù)為n1，則所需電容個數(shù)也為n1，由于每級電荷泵由2個電容和2個二極管構(gòu)成，n1必須為偶數(shù)。

????? (2) DC-DC轉(zhuǎn)換電路
????? DC-DC轉(zhuǎn)換電路也是采用電荷泵原理來設(shè)計。由于電子標簽解調(diào)電路已有本地時鐘電路(通常采用CMOS環(huán)形振蕩器產(chǎn)生幅度為VL /2的時鐘信號)，因此用時鐘信號代替射頻信號對電荷泵充電，并從RF-DC轉(zhuǎn)換電路已產(chǎn)生的直流電壓VL開始充電可以顯著減少DC-DC轉(zhuǎn)換電路的電路級數(shù)。設(shè)此電路所需二極管最小個數(shù)為n2，則此電路所需二極管最小個數(shù)n2為^[6]：

其中表示偶數(shù)上取整，即先執(zhí)行上取整，如果上取整后不是偶數(shù)則數(shù)值加1。

????? (3) 電壓限幅器
????? 標簽工作時，由于標簽和閱讀器距離的變化以及傳播環(huán)境的不同，標簽天線接收到的射頻信號的幅度變化可以高達10倍以上，使電源產(chǎn)生電路輸出的直流電壓產(chǎn)生很大的波動。因此必須對RF-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓進行限幅。我們采用穩(wěn)壓二極管限幅原理對RF-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓進行上限幅，即把多個飽和MOS管串聯(lián)起來充當二極管限幅器。調(diào)整MOS管的寬長比以及摻雜濃度來調(diào)整限幅值為所需數(shù)值。

3 結(jié)束語
????? 本文基于ISO/IEC 18000-6C標準，給出了UHF無源電子標簽芯片模擬電路的設(shè)計，設(shè)計結(jié)果表明電路具有很高的整流效率，滿足了設(shè)計要求。下一步的研究將進行標簽芯片的版圖設(shè)計和流片，用實際測試結(jié)果來進一步驗證設(shè)計的有效性。