无源超高频电子标签芯片整流系统设计

2022-09-10

RFID是“Radio Frequency Identification”的缩写, 是一种非接触式的自动识别技术, 它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据, 识别工作无须人工干预。作为条形码的无线版本, RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点, 其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。因此研究和提高应答器射频前端电路的性能也就有着非常关键和重要的意义[1~3]。根据电子标签供电方式的不同, 可分为无源标签 (Passivetag) , 半有源标签 (Semiactive tag) 及有源标签 (Active tag) 。无源标签没有内装电池, 在阅读器的阅读范围之外时, 标签处于无源状态, 在阅读器的阅读范围之内时标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。超高频射频识别标签的应用领域集中在物流等方面, 因此如何降低标签芯片成本成为制约超高频射频识别标签芯片能否广泛应用非常重要的因素, 美国麻省理工学院的AUTO-ID实验室曾经预测只有将标签成本设计在5美分以下, 超高频射频识别标签才能得到大规模的应用[1~4]。

1 射频前端电路总体结构

超高频射频标签模拟前端主要功能是为芯片提供稳定的电压、将射频输入端得到的包络信号进行检波得到数字基带所需的信号、为数字基带提供上电复位信号、提供芯片的稳定偏置电流、为数字基带提供稳定的时钟信号等。

R F I D射频前端主要包括两个电路系统:电源电压产生和解调制电路, 由于本文主要讨论电源电压产生电路, 因此对于其他的电路模块不作详细介绍。这一电源电压产生电路也被成为RFID能量采集系统, 其意义即为该系统从电磁场中捕获能量供给芯片。如图1所示, 是射频前端电路的基本组成, 框内为本文研究的整流部分[4~7]。

各个模块的功能如下。

(1) 匹配网络——实现芯片与天线间的阻抗匹配。

(2) 反向散射——通过改变阻抗来调制载波, 向阅读器发送上行信号。

(3) 整流器——将天线接收到的交流电信号转换为直流电。

(4) 电压调节器——亦称为功率调节器, 产生稳定的电源电压, 为芯片提供全局电源, 同时起到限幅的保护作用。

(5) 参考电压源——产生稳定的与温度和电源电压无关的基准电压, 并为其他模块提供电流偏置。

(6) 其他部分对接收到的信号进行解调制, 并送入数字部分进行处理, 但这些模块工作时都需要整流部分提供稳定的电源电压, 其中包括数字部分。

1.1 匹配网络

RFID标签通常包括两个组成部分:天线和芯片, 天线的作用是感应并接收电磁场中的能量和信号传送给芯片进行信号处理, 因此这其中便存在了一个能量传输的问题, 即实际情况下天线阻抗和芯片阻抗不满足最大功率传输理论, 限制了RFID的工作距离, 因此为了改善R F I D的工作距离, 必须最大限度的利用天线从电磁场中所接受到的能量, 这也就是为什么需要做匹配的工作, 尤其是当天线的尺寸受到限制时, 天线所表现出来的电抗为阻抗匹配带来更大的困难。因此在芯片内部增加了匹配电路模块。匹配电路有多种形式, 为了减少元件的使用, 也即减少芯片面积、降低复杂度本文采用最为简单的L型匹配。

1.2 反向发射模块

在与读卡器建立连接以后, 调制电路通过接收天线接收读卡器发射的一个连续的高频电磁波的一部分能量, 同时会将这个电磁波的一部分能量反射回去。通过改变与天线相连接的电路的阻抗, 使得反射回去的电磁波的参数发生变化, 从而达到调制的目的。通常的调制方式有两种:PSK:改变电容值也就是阻抗的虚部;ASK:改变电阻值也就是阻抗的实部。

1.3 MOS型可变电容

如图2所示, 如果NMOSFET的源、漏连接在一起, 而栅电压升高, 那么, 这个晶体管可以看作是一个两端的器件, 因此对于不同的栅电压, 它的电容是可以测出的。如果偏置电压在正电源电压和负电源电压之间跳变, 那么电容值会在最大值与最小值之间变化。

1.4 电荷泵

设计采用的0.35μmCMOS标准工艺库支持肖特基二级管 (SBD) , 该SBD具有低的导通阻抗, 可以更为有效的将输入的高频RF信号转化为直流电压。采用标准C M O S工艺实现SBD, 该SBD版图采用插指结构, 这样的结构可以有效的降低版图面积, 因此在降低结电容的同时可以有效的减小串连电阻, 同时减小电容两级见的距离, 降低了电子被扫入衬底的可能性[7]。

1.5 稳压电路

这一模块主要是用来稳定电荷泵输出的电压, 为电路的其他模块以及数字电路提供稳定的电源电压。这部分电路对于芯片正常工作具有重要的作用。这部分电路对于芯片正常工作具有重要的作用。常用的稳压电路有并联稳压和串连稳压结构, 并联稳压电路主要对芯片电源电压进行稳定, 串连稳压电路提供一小于电源电压的电压源供芯片内部如时钟模块这样的对电源要求较高的模块工作, 这里我们采用串联稳压的结构。

为了减小支路电流, 降低功耗, 该电路增加了MOS管M6、M7、M8、M9, 为了减少额外的偏置电路采用了自偏置的机构, 通过增加的电阻R1、R2为管子提供偏置电压, Q1、Q1为比例为1∶8的PNP三级管, 产生无温飘的电压。因为电路VDD为3.3V, 因此参考电压从A点取出, 为1.9V。但是在与电源无关的偏置电路中有一个很重要的问题, 即存在“简并”偏置点, 当电源上电时, 所有支路电流为零, 而且该电路允许零电流的状态, 则该电路会无限期的保持关断。因此该电路中必须加入启动电路部分, 以打破这种零电流的状态。最终得到的稳压电路。从输入为18%ASK调制信号 (峰值为500mV和340mV) 时稳压电路输出电压波形来看, 输出电压稳定在3.34V, 电压纹波在允许范围内, 可以满足芯片对电源的需求。

1.6 基准电压产生电路

基准电源电路在整个设计中占有举足轻重的位置, 基准电源的输出电压与温度、电源电压的关系是否稳定、一致, 能否达到设计要求, 是电路设计设计成败的一个关键。在CMOS集成电路设计中, 除了电源电压外, 还必须有其它提供电位的偏置电路。在集成电路的输入电压范围内 (如2.7V至11V) 工作温度范围 (自然通风) 为-10℃至75℃, 在这个范围中, 偏置电路提供的输出以及基准的电压输出均应保持稳定。

因为本次流片采用的是3.3V电源电压供电, 但这一电源电压并不理想, 降低电源电压是一种必然的趋势。不论是那种结构的基准电路其基准电压产生的原理是相同的, 即通过正负温度特性的电路参数叠加, 从而产生零温度系数的基准电压。

电压参考源的设计大致分为三种, 第一种以齐纳二极管为主, 它的电路组成形式极其简单, 也可以形成一个很稳定的输出电压, 并且不受负载电流或是电源电压波动的影响, 但缺点是齐纳二极管一定要工作在崩溃区, 所以它的工作电压至少在8V以上, 芯片系统工作电压较低时不能正常工作, 即使能正常工作, 功耗也很大。第二种电压源电路时利用场效应晶体管中增强型与耗尽中的临界电压不同, 形成的电路, 虽然也可以达到很稳定的电压, 但是由于限制在两种临界电压, 所以制作很敏感, 经常输出电压产生误差。第三种就是由正温度系数的电路来补偿由PN结所产生的负温度系数, 我们也称为就是能隙参考电压源。

1.7 带隙基准

针对如何设计一个低温度系数和高电源电压抑制比的基准电压源作了详细分析。该基准源在产生基准电压的同时为电路的其他部分提供衡流偏置。

从电路的实际工作环境考虑, 电源电压的变化范围是3V~24V, 温度变化范围是-40℃~75℃。本带隙基准电压源的设计指标为: (1) 输出的基准电压在1.22V左右; (2) 电源抑制比为100dB; (3) 基准电压的温度系数小于10ppm/℃。

2 结语

依据协议规定, 本文设计了标签芯片的整流系统, 包括整流电路、稳压电路、匹配电路、反向发射电路等模块, 采用Chartered Semiconductor Manufacturing 0.35um EEPROMCMOS工艺对所设计的915MHz UHF射频识别应答器射频前端进行了流片验证;测试结果表明芯片整流系统工作正常, 整流系统电压稳定。

利用UHF超高频电磁波进行工作的无源射频识别 (RFID) 应答器的研究和设计工作成为现在国内以及国际上的研究热点, 有着非常关键和重要的意义。在将来的一段时期内, UHF射频识别系统尤其是应答器仍然会是电路设计中的热点, 相信随着技术的不断积累, 我们的UHF RFID的设计水平也将逐步提高。

摘要：本文依据ISO/IEC 18000-6B标准研究了UHF (915MHz) RFID电子标签模拟前端整流系统的设计方案, 设计使用Cadence Spectre工具进行仿真并采用Chartered 0.35μm EEPROM工艺进行流片, 并对各个模块进行了测试, 测试结果表明各个模块的工作情况良好, 基本达到设计的指标要求。

关键词：无源超高频,电子标签,芯片整流系统,流片