- 基于商用CMOS工藝的RFID標簽電路設(shè)計

為了將足夠低的輸入電壓轉(zhuǎn)換達到可能滿足CMOS電路工作的電壓，圖2中的整流器模塊采用具有倍增級聯(lián)單元的級聯(lián)Dickson電壓倍增電路。該設(shè)計基于采用二極管連接、最小柵長PMOS晶體管的四級電荷泵作為整流器。這些PMOS晶體管的襯底端被連接到柵和漏端（反向偏置），以此來減少有效的閾值電壓。通過采用Nexxim的諧波平衡仿真進行優(yōu)化，來獲得該晶體管的尺寸和金屬-絕緣層-金屬（MIM）電容的值。整流器的輸出直接提供給電壓調(diào)節(jié)器。

通過在穩(wěn)壓器電路之后采用電壓限幅器來實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。該限幅器電路確保了電壓調(diào)節(jié)器的輸入電壓水平低于3.3V晶體管的擊穿電壓。該電壓調(diào)節(jié)器包括了啟動和自偏置電路、帶隙參考電路以及電壓調(diào)節(jié)器。該穩(wěn)壓器的輸出電壓水平被設(shè)為1.25V，這將是數(shù)字電路以及其他模擬電路的電源電壓。仿真表明穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流消耗小于200nA。當電荷泵電路產(chǎn)生的電源電壓足夠高時，復位信號變?yōu)椤暗汀睜顟B(tài)來初始化數(shù)字電路的狀態(tài)機。為了避免錯誤觸發(fā)，復位電路提供了必要的遲滯特性。

解調(diào)器和環(huán)路振蕩器

解調(diào)器是由快速電荷泵、峰值檢測器和比較器組成?？焖匐姾杀脵z測經(jīng)過ASK調(diào)制的射頻信號的包絡(luò)。此后，包絡(luò)由峰值檢測器作進一步的處理后來獲得其緩慢變化的均值，該峰值檢測器是由二極管連接的MOSFET和電容形成的。然后，包絡(luò)信號及其緩慢變化的部分相比較來產(chǎn)生數(shù)字格式的解調(diào)信號。該比較器如圖3中所示，其被設(shè)計為軌到軌共模輸入范圍滿足寬的標簽工作范圍。其遲滯輸入—輸出特性還使得其可以工作在噪聲環(huán)境下。環(huán)路振蕩器是按照 Sundaresan等人報導的方式進行設(shè)計的。作為標簽IC的時鐘產(chǎn)生器，該設(shè)計提供了4MHz的額定振蕩頻率。其對工藝和溫度的變化都不敏感。

調(diào)制器根據(jù)數(shù)字輸入信號來改變連接到天線的變?nèi)荻O管的電容。通過調(diào)整電容，改變了天線的雷達截面（RCS）。閱讀器檢測到這些變化，使得反向散射信息可以在閱讀器一側(cè)被恢復。變?nèi)荻O管通過隔直電容連接到天線端。通過變?nèi)荻O管的電壓由圖3中間的反偏電流控制。該電流可以減慢電容改變的速度，因此反向散射調(diào)制信號可以滿足FCC輻射規(guī)范。

由整流器電路看過去的輸入阻抗主要是容性的。天線必須與這一容性輸入相匹配來將整流器從入射波吸收的能量最大化。由于對成本的敏感性，在天線實現(xiàn)阻抗匹配，而不是采用分立的集總元件是適當?shù)?。天線設(shè)計的目標是調(diào)整天線的尺寸以便其電抗與芯片的輸入阻抗的電抗諧振。在Ansoft Designer中采用平面矩量法電磁場求解器對天線的行為進行仿真。

圖4是標簽前端的輸入阻抗圖。其采用Nexxim的諧波平衡引擎在拉源阻抗的大信號條件下進行仿真。功率轉(zhuǎn)換到標簽電路的最佳源阻抗在 900MHz是Zs=35+j155Ω，當實現(xiàn)天線設(shè)計時，Zs還是理想的輸入阻抗。采用達到Zs輸入阻抗的目標來實現(xiàn)優(yōu)化，以便可以從源（或天線）傳輸最大的功率。最終的設(shè)計如圖5所示，其在整個UHF RFID頻段內(nèi)平坦的阻抗響應(yīng)下產(chǎn)生了Za=34.3+j155Ω的輸入阻抗。其還擁有1.95dB增益的寬全方向圖。

在全部必要的電路和天線設(shè)計之后，要花時間將所有模塊放入系統(tǒng)仿真器中來實現(xiàn)通信鏈路分析。在Ansoft Designer中實現(xiàn)了兩個分離的系統(tǒng)平臺來完成鏈路測試。閱讀器到標簽（例如上行鏈路）和標簽到閱讀器（例如下行鏈路）測試平臺如圖6所示。在兩個實例中閱讀器都采用行為模型來實現(xiàn)。對于標簽到閱讀器的測試，也包括了在閱讀器一側(cè)的行為級PSK解調(diào)器，來恢復PSK反向散射調(diào)制信號。