基于超高頻無(wú)源電子標(biāo)簽芯片的模擬電路設(shè)計(jì) - 全文

　　無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）是一種利用射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)信息的技術(shù)?；镜?a href="http://ttokpm.com/tongxin/rf/" target="_blank">RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、閱讀器及應(yīng)用支撐軟件等幾部分組成。

　　電子標(biāo)簽內(nèi)存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，常以此作為待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)性信息。應(yīng)用中將電子標(biāo)簽附著在待識(shí)別物品上，作為待識(shí)別物品的電子標(biāo)記。閱讀器與電子標(biāo)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(biāo)簽發(fā)送命令，電子標(biāo)簽根據(jù)收到的閱讀器的命令，將內(nèi)存的標(biāo)識(shí)性數(shù)據(jù)回傳給閱讀器。這種通信是在無(wú)接觸方式下，利用交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)的空間耦合及射頻信號(hào)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

　　電子標(biāo)簽通常由標(biāo)簽天線（或線圈）和標(biāo)簽芯片組成。電子標(biāo)簽芯片即相當(dāng)于一個(gè)具有無(wú)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(lái)說(shuō)，射頻識(shí)別技術(shù)的核心在電子標(biāo)簽，閱讀器是根據(jù)電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)的。

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

　　一般來(lái)說(shuō)，有源電子標(biāo)簽具有更遠(yuǎn)的通信距離，但其價(jià)格相對(duì)較高，主要應(yīng)用于貴重物品遠(yuǎn)距離檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。無(wú)源電子標(biāo)簽具有價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，盡管其工作距離和存儲(chǔ)容量受到能量的限制，但有巨大的市場(chǎng)潛力，是目前業(yè)界研發(fā)的熱點(diǎn)。

　　無(wú)源電子標(biāo)簽芯片主要包括3個(gè)部分：模擬電路、數(shù)字控制和電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)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(wú)源電子標(biāo)簽芯片模擬電路的設(shè)計(jì)要求

　　超高頻（UHF）無(wú)源電子標(biāo)簽芯片是基于ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的［1］，ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)是繼ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B標(biāo)準(zhǔn)之后的新標(biāo)準(zhǔn)，它對(duì)前兩種標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議特點(diǎn)進(jìn)行了一系列有效的修正與擴(kuò)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(jìn)，使得ISO/IEC18000-6C的性能比ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B有了很大的提高。

　　在標(biāo)簽設(shè)計(jì)時(shí)，標(biāo)簽芯片的模擬電路部分必須要與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)選擇，其中標(biāo)簽射頻輸入功率的計(jì)算過(guò)程如下。

　　由電磁場(chǎng)理論可知標(biāo)簽天線處的電磁場(chǎng)能量密度：S =P /Ae =P /［λ2/（4π）］=4πP /λ2=1/2·E 2/η，其中S是標(biāo)簽天線處的電磁場(chǎng)能量密度，P是標(biāo)簽天線接收到的能量，Ae是標(biāo)簽天線的等效接收面積，λ是閱讀器發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)，E是標(biāo)簽天線處的電場(chǎng)強(qiáng)度，η是空氣的波阻抗。

　　進(jìn)而推導(dǎo)出標(biāo)簽天線處的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

　　當(dāng)采用半波對(duì)稱陣子當(dāng)作標(biāo)簽天線時(shí)，每個(gè)陣子長(zhǎng)度為λ/4，所以標(biāo)簽天線上的感應(yīng)電壓為：U =E·d =，其中d為單個(gè)陣子的長(zhǎng)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(shí)才能開(kāi)啟整個(gè)電荷泵電路進(jìn)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(biāo)簽正常工作。

　　2 模擬電路設(shè)計(jì)

　　無(wú)源電子標(biāo)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(gè)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(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行射頻調(diào)制，設(shè)計(jì)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(biāo)簽天線的輸入阻抗來(lái)改變反射回閱讀器信號(hào)的幅度，從而實(shí)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(duì)閱讀器發(fā)射來(lái)的命令信息進(jìn)行解調(diào)，電源產(chǎn)生電路必須能夠?yàn)樾酒械碾娐诽峁┓€(wěn)定充足的電能，在設(shè)計(jì)中采用電荷泵作為電源產(chǎn)生電路。此電路相對(duì)較為復(fù)雜，是整個(gè)芯片模擬電路部分最為關(guān)鍵的部分。

　　2.1 調(diào)制電路

　　標(biāo)簽芯片是基于ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，因而標(biāo)簽芯片中的調(diào)制電路采用逆向散射調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)FM0/Miller+ASK調(diào)制，也就是用數(shù)據(jù)比特流調(diào)制標(biāo)簽天線的輸入阻抗來(lái)改變反射回閱讀器信號(hào)的幅度，從而實(shí)現(xiàn)類似于AM調(diào)制的逆向散射調(diào)制，如圖2所示。

　　此標(biāo)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）開(kāi)關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，用數(shù)字電路送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)比特來(lái)控制CMOS開(kāi)關(guān)的開(kāi)與關(guān)，也即改變單溝道CMOS開(kāi)關(guān)的輸入阻抗，由于CMOS開(kāi)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(shí)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(guò)來(lái)的信號(hào)先經(jīng)過(guò)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(duì)波形進(jìn)行整形，最后使用1.28 MHz的本地時(shí)鐘對(duì)整形后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣并計(jì)數(shù)每個(gè)數(shù)據(jù)比特對(duì)應(yīng)的1.28 MHz脈沖的個(gè)數(shù)。

　?。?） 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(jí)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(duì)帶寬是24％，滿足了設(shè)計(jì)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(shí)間常數(shù)RC大于等于載波周期的100倍時(shí)，包絡(luò)檢波器的輸出信號(hào)才能夠正確地跟隨輸入端調(diào)制信號(hào)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(shí)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(jì)的包絡(luò)檢波器，結(jié)果表明：當(dāng)輸入的ASK調(diào)制信號(hào)的載波頻率在860～960 MHz間變化，基帶信號(hào)周期在6.25～25 ？滋s間變化時(shí)，檢波器均能較好的解調(diào)出包絡(luò)。但檢波后得到的信號(hào)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(duì)變形的波形進(jìn)行整形處理。

　?。?） 施密特觸發(fā)器的設(shè)計(jì)

　　由上面的分析可知，包絡(luò)檢波后的信號(hào)出現(xiàn)變形，可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的解碼電路產(chǎn)生錯(cuò)誤，因此需要對(duì)出現(xiàn)變形的信號(hào)進(jìn)行整形處理。我們采用施密特觸發(fā)器來(lái)消除脈沖變形。

　?。?） 本地時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

　　由于閱讀器到標(biāo)簽的數(shù)據(jù)速率在26.7～128 kb/s之間變化，標(biāo)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(shí)鐘。經(jīng)過(guò)計(jì)算得知：芯片中只要有一個(gè)1.28 MHz的時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)一系列的分頻就可以得到所需的全部時(shí)鐘。由于時(shí)鐘速率很低（1.28 MHz），使用常用的LC振蕩器實(shí)現(xiàn)時(shí)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(shí)現(xiàn)大數(shù)值的電感和電容是不現(xiàn)實(shí)的，因而不能采用LC振蕩器。

　　本次設(shè)計(jì)中我們采用環(huán)形振蕩器來(lái)產(chǎn)生本地時(shí)鐘［3-4］。此環(huán)形振蕩器由奇數(shù)個(gè)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(diǎn)。此外為了增加每級(jí)反相器的延遲時(shí)間，除最后一級(jí)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(jí)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?cè)O(shè)計(jì)中采用5級(jí)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(dāng)作電容，調(diào)整MOS管的長(zhǎng)度和寬度，最后在ADS中仿真時(shí)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(shí)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(hào)經(jīng)過(guò)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(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)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(jì)，其原理如圖5所示，芯片設(shè)計(jì)時(shí)用柵源短接的增強(qiáng)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(gè)數(shù)為n1，則所需電容個(gè)數(shù)也為n1，由于每級(jí)電荷泵由2個(gè)電容和2個(gè)二極管構(gòu)成，n1必須為偶數(shù)。

　?。?） DC-DC轉(zhuǎn)換電路

　　DC-DC轉(zhuǎn)換電路也是采用電荷泵原理來(lái)設(shè)計(jì)。由于電子標(biāo)簽解調(diào)電路已有本地時(shí)鐘電路（通常采用CMOS環(huán)形振蕩器產(chǎn)生幅度為VL /2的時(shí)鐘信號(hào)），因此用時(shí)鐘信號(hào)代替射頻信號(hào)對(duì)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(kāi)始充電可以顯著減少DC-DC轉(zhuǎn)換電路的電路級(jí)數(shù)。設(shè)此電路所需二極管最小個(gè)數(shù)為n2，則此電路所需二極管最小個(gè)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。

　?。?） 電壓限幅器

　　標(biāo)簽工作時(shí)，由于標(biāo)簽和閱讀器距離的變化以及傳播環(huán)境的不同，標(biāo)簽天線接收到的射頻信號(hào)的幅度變化可以高達(dá)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(dòng)。因此必須對(duì)RF-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓進(jìn)行限幅。我們采用穩(wěn)壓二極管限幅原理對(duì)RF-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓進(jìn)行上限幅，即把多個(gè)飽和MOS管串聯(lián)起來(lái)充當(dāng)二極管限幅器。調(diào)整MOS管的寬長(zhǎng)比以及摻雜濃度來(lái)調(diào)整限幅值為所需數(shù)值。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文基于ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，給出了UHF無(wú)源電子標(biāo)簽芯片模擬電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果表明電路具有很高的整流效率，滿足了設(shè)計(jì)要求。下一步的研究將進(jìn)行標(biāo)簽芯片的版圖設(shè)計(jì)和流片，用實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。