超高頻無源電子標(biāo)簽芯片的模擬電路設(shè)計(jì)

摘要：電子標(biāo)簽芯片是無線射頻識別(RFID)技術(shù)的核心，其模擬電路的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。基于ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，以設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽芯片為設(shè)計(jì)目標(biāo)，超高頻(UHF)無源電子標(biāo)簽芯片模擬電路被提出。它分為電源產(chǎn)生電路、調(diào)制解調(diào)電路以及上電復(fù)位模塊等模塊。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電路具有很高的整流效率，滿足了設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：無線射頻識別；電荷泵；無源電子標(biāo)簽

Abstract: Transponder IC is the core of Radio Frequency Identification (RFID) technique， and its analog circuit design is very important. Based on the ISO/IEC 18000-6C standard， the analog circuit of the Ultra High Frequency (UHF) passive transponder IC is designed， according to the design requirements of analog circuit. The analog circuit of transponder IC includes power generation circuit， modulation/demodulation circuit and power on reset circuit， etc. The results show that the designed circuits enhance the circuit efficiency， and satisfy the design requirement.

Key words: radio frequency identification; charge pump; passive transponder

無線射頻識別(RFID)是一種利用射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)信息的技術(shù)。基本的RFID 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)，常以此作為待識別物品的標(biāo)識性信息。應(yīng)用中將電子標(biāo)簽附著在待識別物品上，作為待識別物品的電子標(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)識性數(shù)據(jù)回傳給閱讀器。這種通信是在無接觸方式下，利用交變磁場或電磁場的空間耦合及射頻信號調(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)于一個具有無線收發(fā)功能再加存貯功能的單片系統(tǒng)(SoC)。從純技術(shù)的角度來說，射頻識別技術(shù)的核心在電子標(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)送射頻信號的方式不同，分為主動式和被動式兩種。主動式標(biāo)簽主動向閱讀器發(fā)送射頻信號，通常由內(nèi)置電池供電，又稱為有源電子標(biāo)簽；被動式標(biāo)簽不帶電池，又稱為無源電子標(biāo)簽，其發(fā)射電波及內(nèi)部處理器運(yùn)行所需能量均來自閱讀器產(chǎn)生的電磁波。無源電子標(biāo)簽在接收到閱讀器發(fā)出的電磁波信號后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量。

一般來說，有源電子標(biāo)簽具有更遠(yuǎn)的通信距離，但其價(jià)格相對較高，主要應(yīng)用于貴重物品遠(yuǎn)距離檢測等應(yīng)用領(lǐng)域。無源電子標(biāo)簽具有價(jià)格低的優(yōu)勢，盡管其工作距離和存儲容量受到能量的限制，但有巨大的市場潛力，是目前業(yè)界研發(fā)的熱點(diǎn)。

無源電子標(biāo)簽芯片主要包括3個部分：模擬電路、數(shù)字控制和電可擦除可編程只讀存儲器(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 超高頻無源電子標(biāo)簽芯片模擬電路的設(shè)計(jì)要求

超高頻(UHF)無源電子標(biāo)簽芯片是基于ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的[1]，ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)是繼ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B標(biāo)準(zhǔn)之后的新標(biāo)準(zhǔn)，它對前兩種標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議特點(diǎn)進(jìn)行了一系列有效的修正與擴(kuò)充。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)有了改進(jìn)，使得ISO/IEC 18000-6C的性能比ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B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)格如表1所示。

表1中的參數(shù)主要是按照ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)選擇，其中標(biāo)簽射頻輸入功率的計(jì)算過程如下。

由電磁場理論可知標(biāo)簽天線處的電磁場能量密度：S =P /Ae =P /[λ2/(4π)]=4πP /λ2=1/2#8226;E 2/η，其中S是標(biāo)簽天線處的電磁場能量密度，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，E是標(biāo)簽天線處的電場強(qiáng)度，η是空氣的波阻抗。

進(jìn)而推導(dǎo)出標(biāo)簽天線處的電場強(qiáng)度為：。

當(dāng)采用半波對稱陣子當(dāng)作標(biāo)簽天線時(shí)，每個陣子長度為λ/4，所以標(biāo)簽天線上的感應(yīng)電壓為：U =E#8226;d =，其中d為單個陣子的長度。

由電荷泵電路可知，電荷泵輸入端的電壓必須大于等于0.8 V時(shí)才能開啟整個電荷泵電路進(jìn)行充電。因此U≥0.8 V，也即：≥0.8，把空氣的波阻抗η=120#8226;π帶入可求得P≥1.1 mW。也即射頻輸入功率至少為1.1 mW才能使標(biāo)簽正常工作。

2 模擬電路設(shè)計(jì)

無源電子標(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)制電路對基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行射頻調(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改變反射回閱讀器信號的幅度，從而實(shí)現(xiàn)類似于幅度調(diào)制(AM)的逆向散射調(diào)制。解調(diào)電路完成對閱讀器發(fā)射來的命令信息進(jìn)行解調(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。此電路相對較為復(fù)雜，是整個芯片模擬電路部分最為關(guān)鍵的部分。

2.1 調(diào)制電路

標(biāo)簽芯片是基于ISO/IEC 18000-6C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改變反射回閱讀器信號的幅度，從而實(shí)現(xiàn)類似于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)開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)，用數(shù)字電路送過來的數(shù)據(jù)比特來控制CMOS開關(guān)的開與關(guān)，也即改變單溝道CMOS開關(guān)的輸入阻抗，由于CMOS開關(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，從天線接收過來的信號先經(jīng)過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)器對波形進(jìn)行整形，最后使用1.28 MHz的本地時(shí)鐘對整形后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣并計(jì)數(shù)每個數(shù)據(jù)比特對應(yīng)的1.28 MHz脈沖的個數(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級反轉(zhuǎn)Chebyshev濾波器，仿真結(jié)果表明其中心頻率為905 MHz，帶寬是220 MHz，相對帶寬是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)檢波器的輸出信號才能夠正確地跟隨輸入端調(diào)制信號的包絡(luò)變化[2]。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)果表明：當(dāng)輸入的ASK調(diào)制信號的載波頻率在860～960 MHz間變化，基帶信號周期在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，必須對變形的波形進(jìn)行整形處理。

(3) 施密特觸發(fā)器的設(shè)計(jì)

由上面的分析可知，包絡(luò)檢波后的信號出現(xiàn)變形，可能會導(dǎo)致后續(xù)的解碼電路產(chǎn)生錯誤，因此需要對出現(xiàn)變形的信號進(jìn)行整形處理。我們采用施密特觸發(fā)器來消除脈沖變形。

(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26.7～128 kb/s之間變化，標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)速率在40～640 kb/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)過計(jì)算得知：芯片中只要有一個1.28 MHz的時(shí)鐘，經(jīng)過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(1.28 MHz)，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)形振蕩器來產(chǎn)生本地時(shí)鐘[3-4]。此環(huán)形振蕩器由奇數(shù)個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)。此外為了增加每級反相器的延遲時(shí)間，除最后一級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[5]。我們設(shè)計(jì)中采用5級反相器構(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管的長度和寬度，最后在ADS中仿真時(shí)鐘電路得到的仿真結(jié)果表明可以作為芯片中所需的1.28 MHz的時(shí)鐘源。

2.3 電源產(chǎn)生電路

電源產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。天線接收到的射頻信號經(jīng)過射頻-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(2.8 V)供給除E2PROM外的電路工作；VL和本地時(shí)鐘信號經(jīng)過直流-直流(DC- DC)轉(zhuǎn)換電路和電壓限幅器轉(zhuǎn)化為直流電壓VH(12 V)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最小個數(shù)為n1，則所需電容個數(shù)也為n1，由于每級電荷泵由2個電容和2個二極管構(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)，因此用時(shí)鐘信號代替射頻信號對電荷泵充電，并從RF-DC轉(zhuǎn)換電路已產(chǎn)生的直流電壓VL開始充電可以顯著減少DC-DC轉(zhuǎn)換電路的電路級數(shù)。設(shè)此電路所需二極管最小個數(shù)為n2，則此電路所需二極管最小個數(shù)n2為[6]：

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。因此必須對RF-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓進(jìn)行限幅。我們采用穩(wěn)壓二極管限幅原理對RF-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓進(jìn)行上限幅，即把多個飽和MOS管串聯(lián)起來充當(dāng)二極管限幅器。調(diào)整MOS管的寬長比以及摻雜濃度來調(diào)整限幅值為所需數(shù)值。

3 結(jié)束語

本文基于ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，給出了UHF無源電子標(biāo)簽芯片模擬電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果表明電路具有很高的整流效率，滿足了設(shè)計(jì)要求。下一步的研究將進(jìn)行標(biāo)簽芯片的版圖設(shè)計(jì)和流片，用實(shí)際測試結(jié)果來進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。

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收稿日期： 2007-05-31

作者簡介

徐國鑫，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)樯漕l微波電路和無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

許靈軍，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院在讀博士研究生，現(xiàn)主要從事射頻通信電路的研究，主要研究方向包括射頻識別、發(fā)射機(jī)線性化、天線設(shè)計(jì)、電磁兼容等。在國內(nèi)外期刊和重要會議已發(fā)表論文7篇，并出版中文專著一部。

張平，北京郵電大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。北京郵電大學(xué)無線新技術(shù)研究所(WTI)所長、《北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)》編委會副主任、北京郵電大學(xué)學(xué)術(shù)委員會委員、中國C3G總體組專家成員、國家“863”未來移動通信FuTURE計(jì)劃項(xiàng)目總體組成員、國際無線研究論壇(WWRF)副主席及其愿景委員會成員、中國信息產(chǎn)業(yè)部第三代移動通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)專家組成員。