超高頻無(wú)源電子標(biāo)簽芯片的模擬電路設(shè)計(jì)

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】超高頻無(wú)源電子標(biāo)簽芯片的模擬電路設(shè)計(jì)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)?；镜腞FID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)射電牽扯內(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/IEC18000-6C標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的，ISO/IEC18000-6C標(biāo)準(zhǔn)是繼ISO/IEC18000-6A、ISO/IEC18000-6B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)開(kāi)展了一系列有效的修正與擴(kuò)大。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)有了改良，使得ISO/IEC18000-6C的性能比ISO/IEC18000-6A、ISO/IEC18000-6B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)格如下表1所示。

表1中的參數(shù)主要是按照ISO/IEC18000-6C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/=4πP/λ2=1/2·E2/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0.8V時(shí)才能開(kāi)啟整個(gè)電荷泵電路開(kāi)展充電。因此U≥0.8V，也即：≥0.8，把空氣的波阻抗η=120·π帶入可求得P≥1.1mW。也即射頻輸入功率至少為1.1mW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)開(kāi)展射頻調(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(lèi)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)的命令信息開(kāi)展解調(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)芯片模擬電路部分為關(guān)鍵的部分。

2.1調(diào)制電路

標(biāo)簽芯片是基于ISO/IEC18000-6C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(lèi)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)波形開(kāi)展整形，使用1.28MHz的本地時(shí)鐘對(duì)整形后的數(shù)據(jù)開(kāi)展采樣并計(jì)數(shù)每個(gè)數(shù)據(jù)比特對(duì)應(yīng)的1.28MHz脈沖的個(gè)數(shù)。

(1)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)果說(shuō)明其中心頻率為905MHz，帶寬是220MHz，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。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)果說(shuō)明：當(dāng)輸入的ASK調(diào)制信號(hào)的載波頻率在860～960MHz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)變形的波形開(kāi)展整形處理。

(3)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)開(kāi)展整形處理。我們采用施密特觸發(fā)器來(lái)消除脈沖變形。

(4)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26.7～128kb/s之間變化，標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)速率在40～640kb/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)1.28MHz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(1.28MHz)，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。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。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，在ADS中仿真時(shí)鐘電路得到的仿真結(jié)果說(shuō)明可以作為芯片中所需的1.28MHz的時(shí)鐘源。

2.3電源產(chǎn)生電路

電源產(chǎn)生電路構(gòu)造框圖如圖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(2.8V)供應(yīng)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(12V)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)。

(2)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)此電路所需二極管個(gè)數(shù)為n2，則此電路所需二極管個(gè)數(shù)n2為：

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。

(3)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)換電路的輸出電壓開(kāi)展限幅。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