基于UHF RFID的應(yīng)答器系統(tǒng)設(shè)計

射頻識別（RFID）技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣。由于具有非觸點和非視距的特性，RFID特別適用于供應(yīng)鏈的管理。無源RFID在低頻（125 kHz）和高頻（13.56 MHz）市場上出現(xiàn)已經(jīng)有一段時間了。在2003年以前，已經(jīng)出現(xiàn)了多種UHF RFID標(biāo)準(zhǔn)。麻省理工學(xué)院汽車標(biāo)識中心（Massachusetts Institute of Technology‘s Auto-ID Center）（位于馬薩諸塞州劍橋）意識到了多種專利RFID標(biāo)準(zhǔn)的問題，認(rèn)識到地方性的協(xié)議會阻止RFID技術(shù)的發(fā)展和普及。為營造互用和國際性遵從的規(guī)章，就需要單一、開放的標(biāo)準(zhǔn)。他們推薦的下一代UHF RFID——即Gen 2標(biāo)準(zhǔn)的前身有兩個意義。一旦單一國際性標(biāo)準(zhǔn)確立下來，基于UHF RFID的系統(tǒng)應(yīng)用將更快、使用更方便、價格更便宜、系統(tǒng)更魯棒；會出現(xiàn)多供應(yīng)商渠道。該汽車標(biāo)識中心2003年6月在瑞士蘇黎世一個討論會上提出啟動Gen 2的工作。他們最終將開發(fā)和商業(yè)化該標(biāo)準(zhǔn)的工作轉(zhuǎn)化成EPCglobal， 2004年12月已將該標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)為“860 MHz到960 MHz第二代UHF RFID通訊協(xié)議”。

從RFID IC設(shè)計角度看，RFID存在兩個主要的設(shè)計約束：功率可用性/帶寬和應(yīng)答器的復(fù)雜性。無源UHF RFID應(yīng)答器設(shè)計要求折衷考慮功率要求、復(fù)雜性和芯片尺寸等因素，以獲得期望的性能。

目前，一些主要國家對UHF工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（ISM）頻段的頻譜分配、帶寬和輻射功率的要求差異很大。（輻射功率常被定義為有效的各向同性輻射功率（EIRP））。根據(jù)“EPC全球”標(biāo)準(zhǔn)，UHF頻段范圍從860 MHz到960MHz，允許的功率水平為4W。但不同地區(qū)對UHFISM頻段的要求不同：在北美，UHF ISM頻段為902 MHz到928 MHz，最大EIRP為4W；在歐洲，UHF ISM頻段為865MHz到868 MHz，最大EIRP為2W；在日本，UHF ISM頻段為952MHz到954 MHz，最大EIRP為4W。

應(yīng)答器的復(fù)雜性是另一個設(shè)計約束因素。應(yīng)答器的接收范圍取決于RF IC片（標(biāo)簽）的最低導(dǎo)通功率（閾值功率）。在UHF RFID系統(tǒng)中，無源反向散射原理經(jīng)常用在從標(biāo)簽到讀卡器的反向鏈路中?？勺x取范圍常常由從讀卡器到標(biāo)簽的前向鏈接中標(biāo)簽的可用輻射功率決定，這是因為到達(dá)讀卡器RF前端的可用反向散射信號強(qiáng)度大約為-25～-65dBm。

圖1：基本的UHF RFID應(yīng)答器由整流器、調(diào)制器、解調(diào)器以及處理邏輯電平協(xié)議和存儲功能的數(shù)字電路。

如何選擇合適的工藝來制造RFID應(yīng)答器芯片也是一個挑戰(zhàn)。為滿足低功耗要求，通常使用導(dǎo)通電壓低、結(jié)電容低以及驅(qū)動電流大的肖特基點觸點型二極管。因為生產(chǎn)肖特基觸點的工藝不屬于標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS半導(dǎo)體工藝，所以現(xiàn)在正在對用標(biāo)準(zhǔn)（低成本）數(shù)字體CMOS工藝制造肖特基觸點進(jìn)行研究。對更昂貴工藝的研究也在進(jìn)行，例如可制造高速雙極結(jié)型晶體管（BJT）器件的硅BiCMOS，以及低功耗性能非常優(yōu)異的絕緣硅（SOI）技術(shù)。下面討論設(shè)計基本UHF RFID應(yīng)答器所需的RF電路關(guān)鍵技術(shù)，包括整流器、調(diào)制/解調(diào)器和數(shù)字模塊等關(guān)鍵模塊。

RFID應(yīng)答器的整流器電路

UHF RFID應(yīng)答器由4個構(gòu)建塊組成：整流器、調(diào)制器、解調(diào)器以及處理邏輯電平協(xié)議和存儲功能的數(shù)字電路（圖1）。在無源RFID系統(tǒng)中，能量取自于入射的詢問波。因為詢問波的能量很少，所以將應(yīng)答器的功率保持在最小水平非常關(guān)鍵。

無源RFID應(yīng)答器利用整流器電路將耦合的電磁波功率轉(zhuǎn)換成芯片所需的直流電壓。描述整流器電路性能的參數(shù)包括輸入阻抗Zin或芯片的品質(zhì)因子（Q）、芯片的運行功率Pin和電壓Vin。整流器電路必須能將入射RF能量以最大效率（η）轉(zhuǎn)換成直流能量。電路設(shè)計工程師必須在維持高轉(zhuǎn)換效率的同時，獲得最大的輸出電壓及輸入阻抗。普通的全波整流器和Dickson電荷泵為兩個常用的整流結(jié)構(gòu)。

采用兩個二極管級聯(lián)結(jié)構(gòu)的全波整流器很常見。此外還存在這種結(jié)構(gòu)的變體，包括一些基于NMOS和PMOS開關(guān)的結(jié)構(gòu)。最主要的是，全波整流器的效率很高。但是，全波整流器要求輸入電壓超過3 VTH，這樣芯片可以輸出期望的輸出電壓。因此，全波整流器電路在UHF RFID應(yīng)用中的工作范圍有限，除非它帶有高輻射電阻天線和高Q值匹配網(wǎng)絡(luò)，以便對輸入電壓進(jìn)行放大。匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值一般只為10量級。

圖2：Dickson電荷泵是UHF RFID整流器電路的一種可選結(jié)構(gòu)，圖中是Dickson電荷泵的工作原理圖。

UHF RFID整流器電路的另一種可選結(jié)構(gòu)是Dickson電荷泵（圖2），它主要用在非易失性存儲器中，以產(chǎn)生EEPROM電路所需的高編程電壓。因為大多數(shù)RFID芯片也包含非易失性存儲器，所以設(shè)計工程師可以重用該電路拓?fù)?，實現(xiàn)產(chǎn)生高電壓的電路，從而節(jié)省開發(fā)時間。

Dickson結(jié)構(gòu)的簡化等式如式1。

其中，Vp，RF =輸入RF信號幅度，Vf，D=二極管正向壓降。

Dickson電荷泵幾乎可用任何半導(dǎo)體器件來構(gòu)建，但采用肖特基二極管和低閾值電壓（VTH ）MOSFET的設(shè)計具有最佳性能。Dickson電荷泵電路要求輸入電壓很小，設(shè)計工程師可以通過控制級數(shù)（N）來選擇想要的輸出電壓和輸入阻抗。但由于整流器件數(shù)量多，并存在泄漏電流和寄生參數(shù)，Dickson電荷泵的功率轉(zhuǎn)換效率較低。