基于商用CMOS工藝的RFID標(biāo)簽電路設(shè)計(jì) - 全文

射頻識(shí)別（RFID）市場(chǎng)出現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)，2004年其銷售額高達(dá)17億美元，2008年預(yù)計(jì)將達(dá)到59億美元。這種激增的需求受到來(lái)自下一代RFID系統(tǒng)的帶動(dòng)，下一代系統(tǒng)將會(huì)提供非視距的可讀性、改進(jìn)的安全性，并可以重新配置產(chǎn)品信息。這些應(yīng)用包括了庫(kù)存跟蹤、處方用藥跟蹤和認(rèn)證、汽車安全鑰匙，以及安全設(shè)施的門禁控制等。在很多以前的出版物中可以找到有關(guān)RFID應(yīng)用與發(fā)展良機(jī)的細(xì)節(jié)。這些功能將可能通過(guò)EPC-Global Class 1 Gen 2（即歐洲和國(guó)際上的ISO-18006標(biāo)準(zhǔn)）協(xié)議所定義的超高頻（UHF）系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些功能還將利用最新的CMOS工藝節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)簽/閱讀器的技術(shù)創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如射頻/模擬以及混合信號(hào)集成電路（IC）設(shè)計(jì)。許多新的IC要求取決于EPCGlobal Class 1 Gen 2協(xié)議，以及無(wú)源-反向散射UHF RFID標(biāo)簽電路中的幾個(gè)關(guān)鍵射頻模塊的設(shè)計(jì)與仿真。可以采用仿真工具來(lái)研究在幾個(gè)最差系統(tǒng)級(jí)工作條件下的關(guān)鍵IC的性能度量。

工作在125或134kHz低頻（LF）或者13.56MHz高頻（HF）范圍內(nèi)的電感回路無(wú)源RFID系統(tǒng)，其工作距離僅限于大約1m的范圍。UHF RFID系統(tǒng)工作在860至960MHz以及2.4GHZ的工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段。其具有更長(zhǎng)的工作距離，對(duì)無(wú)源標(biāo)簽而言典型工作范圍為3至10m。標(biāo)簽從閱讀器的射頻信號(hào)接收信息和工作能量。如果標(biāo)簽在閱讀器的范圍內(nèi)，就會(huì)在標(biāo)簽的天線上感應(yīng)出交變的射頻電壓。該電壓經(jīng)過(guò)整流后為標(biāo)簽提供直流（DC）電源電壓。通過(guò)調(diào)制天線端口的阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽對(duì)閱讀器的響應(yīng)。這樣一來(lái)，標(biāo)簽將信號(hào)反向散射給閱讀器。

閱讀器通過(guò)位速率范圍在26.7至128kbps之間的雙邊帶幅移鍵控（DSB-ASK）、單邊帶幅移鍵控（SSB-ASK）或者反相幅移鍵控 （PR-ASK）調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻載波的調(diào)制，將信息發(fā)送給一個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽。采用脈沖間隔編碼（PIE）格式來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。此時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)載波在不同的時(shí)間間隔進(jìn)行脈沖編碼來(lái)表示0或1b，并將其發(fā)送給標(biāo)簽。通過(guò)頻帶分配和數(shù)據(jù)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，EPC-Global最先通過(guò)統(tǒng)一世界范圍內(nèi)的不同系統(tǒng)來(lái)降低整體成本。這一行動(dòng)將采用相對(duì)廉價(jià)的CMOS技術(shù)來(lái)抵消設(shè)計(jì)新的復(fù)雜IC所產(chǎn)生的高昂費(fèi)用。

采用更新的工藝節(jié)點(diǎn)預(yù)計(jì)將減少芯片面積的20%。由于涉及到數(shù)量，降低系統(tǒng)成本的努力主要集中在無(wú)源標(biāo)簽的單位成本。其目標(biāo)是將成本降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，減少到每個(gè)標(biāo)簽僅幾美分。

無(wú)源標(biāo)簽的調(diào)制不同于一般的射頻通信方案，這是因?yàn)殚喿x器的信號(hào)還為標(biāo)簽供電。在無(wú)源反向散射系統(tǒng)中，距離是通過(guò)標(biāo)簽可以獲得的輻射功率由前向鏈路（閱讀器到標(biāo)簽）來(lái)決定的。新式的Gen-2標(biāo)簽的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將閱讀距離最大化，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)與該協(xié)議的兼容。距離方程（公式1）決定了理論距離，此時(shí)標(biāo)簽將接收到足夠的電源來(lái)對(duì)閱讀器做出響應(yīng)。

其中：EIRP=有效各向同性輻射功率，Ptag=標(biāo)簽天線輸出所要求的功率，Gtag=標(biāo)簽天線增益，λ=射頻載波的自由空間波長(zhǎng)。

關(guān)閉閱讀器電源減少了標(biāo)簽所獲得的電源。由于該調(diào)制方案中信號(hào)在大部分時(shí)間處于其最大值，因此具有極大優(yōu)勢(shì)。然而，這種調(diào)制效率極低。這導(dǎo)致相對(duì)寬的信道或低的數(shù)據(jù)速率。

每個(gè)EPC Class 1 Gen 2指標(biāo)，閱讀器傳輸?shù)墓β矢哌_(dá)4W EIRP。在950MHz的載波頻率下，信道損耗在3m距離處是36.9dB。那么，標(biāo)簽天線的功率是-0.88dBm。

在這一少量的可用功率和低直流功率轉(zhuǎn)換效率（整流器效率平均約為20%）下，CMOS標(biāo)簽電路一般工作在僅幾微安電流的一伏特電壓下。由于無(wú)源 RFID標(biāo)簽必須具有低成本并節(jié)省功耗，將標(biāo)簽設(shè)計(jì)為采用相對(duì)簡(jiǎn)單的幅度調(diào)制（AM）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)從閱讀器接收信號(hào)。UHF RFID標(biāo)簽?zāi)M前端包括了幾個(gè)內(nèi)部模擬子模塊。該模擬前端實(shí)現(xiàn)了DC電源、接收信號(hào)檢測(cè)/解調(diào)制和發(fā)送調(diào)制等全部的模擬處理。圖1中的模塊圖表示了典型 UHF RFID標(biāo)簽的模擬前端以及數(shù)字狀態(tài)機(jī)。

整流器通過(guò)天線將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)換為DC電源，為所有的其他模塊供電。接下來(lái)是作為電壓調(diào)節(jié)器的穩(wěn)壓器，其限制并調(diào)整了由整流器產(chǎn)生的電壓。復(fù)位子模塊提供了復(fù)位信號(hào)，來(lái)表明經(jīng)過(guò)整流的電壓已經(jīng)達(dá)到了可靠的和規(guī)定的水平。就其本身而言，包絡(luò)檢測(cè)器檢測(cè)并解調(diào)制閱讀器的數(shù)據(jù)信號(hào)，還產(chǎn)生數(shù)字解調(diào)信號(hào)。環(huán)路振蕩器產(chǎn)生用于數(shù)字狀態(tài)機(jī)的時(shí)鐘。調(diào)制器通過(guò)改變天線端口的負(fù)載阻抗將調(diào)制信號(hào)調(diào)制到標(biāo)簽天線。所有模擬前端電路通過(guò)Ansoft的 Nexxim電路仿真器采用Cadence Virtuoso設(shè)計(jì)環(huán)境以及TSMC 0.18-μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝庫(kù)進(jìn)行仿真。

為了將足夠低的輸入電壓轉(zhuǎn)換達(dá)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(jí)聯(lián)單元的級(jí)聯(lián)Dickson電壓倍增電路。該設(shè)計(jì)基于采用二極管連接、最小柵長(zhǎng)PMOS晶體管的四級(jí)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(lái)減少有效的閾值電壓。通過(guò)采用Nexxim的諧波平衡仿真進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)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(guò)在穩(wěn)壓器電路之后采用電壓限幅器來(lái)實(shí)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(dòng)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(dāng)電荷泵電路產(chǎn)生的電源電壓足夠高時(shí)，復(fù)位信號(hào)變?yōu)椤暗汀睜顟B(tài)來(lái)初始化數(shù)字電路的狀態(tài)機(jī)。為了避免錯(cuò)誤觸發(fā)，復(fù)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(cè)器和比較器組成。快速電荷泵檢測(cè)經(jīng)過(guò)ASK調(diào)制的射頻信號(hào)的包絡(luò)。此后，包絡(luò)由峰值檢測(cè)器作進(jìn)一步的處理后來(lái)獲得其緩慢變化的均值，該峰值檢測(cè)器是由二極管連接的MOSFET和電容形成的。然后，包絡(luò)信號(hào)及其緩慢變化的部分相比較來(lái)產(chǎn)生數(shù)字格式的解調(diào)信號(hào)。該比較器如圖3中所示，其被設(shè)計(jì)為軌到軌共模輸入范圍滿足寬的標(biāo)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(bào)導(dǎo)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的。作為標(biāo)簽IC的時(shí)鐘產(chǎn)生器，該設(shè)計(jì)提供了4MHz的額定振蕩頻率。其對(duì)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(hào)來(lái)改變連接到天線的變?nèi)荻O管的電容。通過(guò)調(diào)整電容，改變了天線的雷達(dá)截面（RCS）。閱讀器檢測(cè)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(fù)。變?nèi)荻O管通過(guò)隔直電容連接到天線端。通過(guò)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(hào)可以滿足FCC輻射規(guī)范。

由整流器電路看過(guò)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(lái)將整流器從入射波吸收的能量最大化。由于對(duì)成本的敏感性，在天線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，而不是采用分立的集總元件是適當(dāng)?shù)摹Ｌ炀€設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(chǎng)求解器對(duì)天線的行為進(jìn)行仿真。

圖4是標(biāo)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(hào)條件下進(jìn)行仿真。功率轉(zhuǎn)換到標(biāo)簽電路的最佳源阻抗在 900MHz是Zs=35+j155Ω，當(dāng)實(shí)現(xiàn)天線設(shè)計(jì)時(shí)，Zs還是理想的輸入阻抗。采用達(dá)到Zs輸入阻抗的目標(biāo)來(lái)實(shí)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(jì)如圖5所示，其在整個(gè)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(jì)之后，要花時(shí)間將所有模塊放入系統(tǒng)仿真器中來(lái)實(shí)現(xiàn)通信鏈路分析。在Ansoft Designer中實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)分離的系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)完成鏈路測(cè)試。閱讀器到標(biāo)簽（例如上行鏈路）和標(biāo)簽到閱讀器（例如下行鏈路）測(cè)試平臺(tái)如圖6所示。在兩個(gè)實(shí)例中閱讀器都采用行為模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于標(biāo)簽到閱讀器的測(cè)試，也包括了在閱讀器一側(cè)的行為級(jí)PSK解調(diào)器，來(lái)恢復(fù)PSK反向散射調(diào)制信號(hào)。

EPCglobal協(xié)議提供了長(zhǎng)連續(xù)波（CW）脈沖來(lái)允許標(biāo)簽在發(fā)送數(shù)據(jù)之前上電。以下的仿真結(jié)果表示了在引導(dǎo)CW發(fā)射期間的上電行為（圖 7）。在深幅度調(diào)制（AM）的條件下可以觀察到電源電壓紋波?；謴?fù)后的PIE波如圖8中的綠線所示。

圖9表示了在標(biāo)簽一側(cè)作為輸入的返回調(diào)制數(shù)據(jù)。如前所述，閱讀器通過(guò)RCS的變化接收反向散射的能量。盡管在閱讀器一側(cè)可以看到數(shù)據(jù)恢復(fù)，但其噪聲很大。所恢復(fù)的時(shí)序和脈沖周期與經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)輸入極為相關(guān)。

本文提出了基于商用0.18μm CMOS工藝的EPC Global Class-1 Generation-2 UHF RFID標(biāo)簽電路設(shè)計(jì)。采用標(biāo)準(zhǔn)晶圓廠庫(kù)器件和已建立的IC設(shè)計(jì)流程闡明了標(biāo)簽?zāi)M前端的設(shè)計(jì)和仿真，該模擬前端包括了整流器、電壓調(diào)節(jié)器、復(fù)位、解調(diào)器和調(diào)制器電路等。采用Nexxim來(lái)實(shí)現(xiàn)額外的諧波平衡和源拉仿真。文中所示的天線設(shè)計(jì)提供了與整流器輸入阻抗的共軛匹配。為了將所有這些方面組合在一起，頂層驗(yàn)證組合了行為模型、HFSS天線系統(tǒng)模型以及Nexxim瞬態(tài)仿真。這樣，表明了該設(shè)計(jì)為上行鏈路和下行鏈路都提供了可靠的DC電源和解調(diào)后的信號(hào)。請(qǐng)參見(jiàn)圖10。（Ansoft公司）