低功耗2.45GHz射頻識別模擬前端

張寶軍, 高 原, 張 博, 賀 剛

(西安郵電大學 電子工程學院, 陜西 西安 710121)

低功耗2.45GHz射頻識別模擬前端

張寶軍, 高 原, 張 博, 賀 剛

(西安郵電大學 電子工程學院, 陜西 西安 710121)

采用臺灣積體電路制造股份有限公司的0.18 μm互補金屬氧化物半導體混合信號工藝，設計出一種應用于2.45 GHz的射頻識別模擬前端芯片，并對射頻識別芯片前端電路的關鍵性模塊進行分析和改進，提出一種運用負溫度系數電阻構成的帶隙基準電路和一種運用延時電路來消除脈沖干擾的復位電路。仿真結果表明，所設計的射頻前端芯片能夠滿足ISO 18000-4協議所提出的系統要求并且整體電路功耗小于1.5 μW。

射頻識別；低功耗；2.45 GHz；射頻前端

射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)技術[1]是一種射頻空間識別技術，它通過空間電磁耦合實現無接觸信息傳遞，并且通過傳遞的信息識別物品。其識別距離遠、效率高，并且功耗低、面積小。RFID技術相對于其他識別技術，最主要的優勢在于非接觸式識別，并且可以工作在各種惡劣條件下，有準確度高、保密性好，效率高、速度快，可同時識別多個物體等特點,因此，被廣泛應用于物聯網[2]服務領域、交通、零售行業以及門禁系統等[3-5]。RFID無源標簽作為其核心部分，最主要的難點在于低功耗的實現與高準確度識別。現在，RFID關鍵性難題已經成為研究的熱點之一[6-9]。

針對RFID射頻前端的關鍵性難題，本文采用臺灣積體電路制造股份有限公司的0.18 μm互補金屬氧化物半導體(TSMC 0.18 μm CMOS)技術，并基于Cadence Spectre設計仿真平臺對RFID射頻模擬前端的關鍵性電路(電荷泵、基準、時鐘、復位、反向散射、穩壓電路、解調)進行仿真并流片。

1 標簽工作原理及系統結構

RFID標簽系統主要由模擬部分(穩壓電路、基準電路、復位電路、時鐘電路)和射頻部分(解調電路、整流電路、反向散射電路和匹配網絡)和數字基帶部分組成，如圖1所示。由于RFID標簽本身不帶電源，當標簽靠近閱讀器時，即標簽處于閱讀器的電磁場范圍內時，由天線接收閱讀器的能量與數據，電源部分將閱讀器發出的高頻載波整流成直流電壓，并且通過電荷泵升壓，為整個標簽系統提供電源；而閱讀器所發出的數據則通過解調電路直接解調出包絡信號，傳送到數字基帶進行處理，數字基帶將處理完之后的數據通過反向散射電路再調制到載波上，發送至閱讀器，完成通信。時鐘電路產生1.28 MHz的時鐘信號為數字基帶提供時鐘，而復位電路則為數字基帶提供上電復位信號。

圖1 RFID標簽芯片結構

2 各模塊電路的設計

2.1 整流電路

整流效率是影響RFID射頻前端的關鍵性因素之一，整流電路的原理圖如圖2所示。針對RFID射頻前端整流效率不夠高的關鍵性問題，本設計采用閾值補償技術[10-11]來提高電荷泵的整流效率。整流電路的主要作用是把閱讀器所發出的高頻載波整流成可供芯片工作的直流電壓。整流電路的設計采用3級閾值補償電荷泵結構，M7、M8、M14、M15、M19、M20為整流管，M5、M6、M11、M12、M17、M18為閾值補償管，其他的晶體管均為電流鏡為閾值補償管提供補償電壓。C3、C7、C11為儲能電容。電荷泵在整流時其整流電壓會隨著標簽接收到的射頻信號變化，因此，在輸出端并聯3個串聯的二極管作為過壓保護電路，防止整流電壓過大而燒毀芯片。對于整流電路來說，其整流二極管上消耗的電壓越小，整流電壓越高，這意味著整流管的寬長比就要越大，而大的寬長比會導致反向泄露電流增大，降低其效率，所以在設計時要折中考慮。

圖2 整流電路

2.2 基準電路

由于RFID射頻前端芯片的電源是由整流電路將高頻載波能量整流得到，所以在整流電路的直流輸出上會有很大的交流紋波出現，同時由于寬溫度范圍的要求(-40～85°C)，這將會極大程度的影響RFID射頻前端正常工作。通過設計基準電路(圖3)和穩壓電路(圖4)可以獲得與電源、溫度無關的穩定的工作電壓與電流，為RFID射頻前端芯片提供電源，并且能夠保證整個芯片在-40～85°C都能夠正常工作。

新的基準電路能夠提供100 nA的與溫度無關的穩定的基準電流(PTAT電流)，同時穩定的基準電流也可保證時鐘電路所產生的時鐘信號能夠穩定在協議的要求范圍內(偏差小于15%)。C1、M2、M1構成啟動電路，保證基準電路能夠正常工作。為減小整體電路的功耗，R1、M3、M5、M4、M6構成了最基本的基準電路，而M10、M11、M9、M12組成運算放大器對M3和M5的柵級電壓進行反饋調節，以減小基準電路由于失配所造成的誤差。

由于臺積電0.18 μm CMOS工藝下沒有BJT晶體管，在此工藝下的BJT晶體管是通過寄生來制造的，如果采用BJT晶體管產生負溫度系數，將會在工藝上造成誤差，因此，可考慮采用負溫度系數的電阻(R1)代替BJT晶體管，來產生負溫度系數以中和MOS管的正溫度系數。通過合理的選擇電阻的種類與大小，可以得到與溫度和電源電壓無關的基準電壓與電流，保證RFID射頻前端的正常工作。

圖3 基準電路

2.3 穩壓電路和反向散射電路

因為標簽距離的不確定性，輸入能量的大小會隨著標簽和閱讀器的距離而改變，其輸入能量相差最大能達到1 000倍以上。穩壓電路(圖4)是為標簽芯片提供一個穩定的直流電壓，使標簽芯片在任何時候都能夠正常工作。穩壓電路由基準、誤差放大器、晶體管和反饋調節電阻R1、R2構成。它的工作原理是將電源芯片電壓與芯片內部的基準電壓相比較，然后經過誤差放大器放大誤差信號，送到晶體管的柵級，改變調整晶體管的柵源電壓，改變電流，再通過負載跟蹤，來保證低壓差線性穩壓器的輸出電壓保持穩定。

圖4 穩壓電路

反向散射電路是把經數字基帶處理后的信號調制到載波上，再通過反向散射的方式再把信號送回到閱讀器中，完成通信。

設計的反向散射電路如圖5所示，它包括C2、M1與C1。L1和R1代表天線的等效阻抗。在接收狀態，M1不開啟，R1、L1、C2、R2構成匹配網絡，標簽從天線接收射頻能量，整流成為直流電壓為標簽提供能量。在發送狀態，M1開啟，C2加入進匹配網絡中，使天線與標簽阻抗不匹配，通過反射發送過來的高頻射頻能量，可以把數字基帶處理后的調制信號調制到高頻載波上，閱讀器讀取到標簽的反射能量，從而識別標簽信號。

圖5 反向散射電路

因為整個RFID芯片的電源全部來自于接收閱讀器所發送的載波能量，而在反向散射電路工作時，會把數字基帶處理的數據調制到載波上，造成不匹配，因此，在反向散射狀態，不能夠對載波進行全反射，實現100%調制，而是要設計成半匹配狀態。因為在散射狀態還需要讓天線繼續接收能量，經過整流電路整流、穩壓，而繼續提供電壓使數字基帶部分繼續工作，故2.45 GHz RFID射頻前端對調制信號進行55%調制深度調制，這樣既能夠滿足協議要求的調制深度，又能夠接收足夠的能量為數字基帶部分繼續正常工作。

2.4 時鐘電路與解調電路

由于RFID射頻前端芯片無外加時鐘輸入，因此，需要自己產生時鐘信號為數字基帶提供穩定的采樣時鐘，時鐘產生電路采用三級環形振蕩器結構，如圖6所示。M6、M7、M11、M10、M14、M15構成三級環形振蕩器，為數字基帶部分提供1.28 MHz的時鐘信號。環形震蕩器的震蕩條件滿足巴森毫克準則[12]，即

|H(jω0)|≥1,

∠H(jω0)=180°,

其中H(jω0)為系統的頻率響應。M17、M18組成反相器作為整形電路，作用是把環形振蕩器產生的不規則的方波時鐘信號整理成能夠滿足數字基帶的工作要求(上升時間<10 ns)的規則的時鐘信號。其余電路則為電流鏡結構，通過復制基準產生的100 nA的電流為環形振蕩器充放電，減小溫度與失配對時鐘穩定性的影響，整體時鐘產生電路消耗功耗約為400 nW。

圖6 時鐘電路

解調電路的作用是把2.4GHz的高頻載波上所攜帶的包絡數據信號解調出來，再將其整形成為可供數字基帶部分使用的規則的方波信號，電路圖如圖7所示。

ASK(amplitude shift keying)射頻信號經過電荷泵升壓，然后經過C3和R1構成的包絡檢測電路提取出信號包絡，隨后把提取出的包絡信號輸入低通濾波器和遲滯比較器中，經遲滯比較器比較后輸出，再經過M11、M10、M12、M13構成的整形電路后輸出規則的方波包絡信號。

圖7 解調電路

2.5 復位電路

當標簽芯片進入閱讀器的有效作用區域內時，當電源電壓上升到RFID射頻模擬前端電路要求的正常工作電壓時，通過上電復位電路(圖8)產生RFID標簽芯片的復位信號，并且當RFID標簽的電磁場受到外界干擾時或者電壓下降到正常工作電壓之下時，通過上電復位電路產生的復位信號可以有效地保護數字基帶的邏輯時序正常。

復位電路的工作原理為：當電源電壓從0 V上升到Vdd(1 V),需要耗時10～15 μs，A點的電壓上升的比B點的電壓快，因此當A點電壓上升到VA≥Vth6時，晶體管M6導通。由于M6和M5組成了一組反相器，因此其輸出為低電平，而其輸出的電壓又為M10的柵極電壓，此時M10晶體管不導通。但是，B點的電壓經過由M7、M8構成的反相器后輸出低電平作為M9的柵極電壓，此時M9導通，輸出高電平。當電源電壓保持為高電平時，輸出點保持高電平并且與電源電壓同步變化，在輸出節點后，C1開始充電，延遲5～10 μs后，上電復位信號就產生了。而為了防止脈沖信號的干擾，所以加入延時電路去除脈沖干擾的影響。

延時電路包含一個Pmos管和一個由基準電流源鏡像得到的恒流放電回路和一個施密特觸發器與一個與門構成。初始狀態時，電容兩極板因無電勢差，所以其電壓保持為0V，同時，與門與輸入電壓都為低電平，這時，Pmos管導通，電容上電壓將由0V上升到電源電壓。隨著上電過程進行，上電檢測電路經施密特觸發器后，將原本的低電平上升至高電平，因此，在延時單元的輸入端電壓也同樣上升為高電平，通過與電容并聯的電流源，電容開始快速放電，隨放電過程進行時，電容上的電壓會一直下降，直到電容上的電壓下降到施密特觸發器的翻轉電壓時，電壓變為高電平，最后經過與門輸出的信號即是輸入信號經過延遲后的結果。

圖8 復位電路原理圖

3 結果分析

RFID射頻前端電路利用Cadence Spectre仿真軟件進行電路設計，基于臺積電0.18 μm工藝對RFID射頻前端進行仿真，并且采用Cadence Virtuso版圖工具對RFID射頻前端芯片版圖進行繪制，如圖9所示，整個RFID射頻前端面積大小為780 μm×550 μm。

通過仿真結果可以看出，在信號速率為40 kbit/s的情況下，ASK解調電路仍然能夠正常工作，解調出包絡信號并整形成可供數字基帶處理的方波信號，如圖10所示。

圖9 RFID射頻模擬前端版圖

時鐘電路的仿真結果如圖11所示。仿真結果表明，產生的時鐘頻率為1.28MHz，在-40～85°C溫度范圍內，時鐘頻率偏差小于11%，可以滿足協議要求。

整流電路、穩壓電路以及復位電路產生的電壓信號和復位信號如圖12所示。仿真結果表明，電荷泵整流升壓得到的最高電壓約為2V，在協議規定的編碼范圍內，電荷泵最大掉電時電壓依舊能夠保持在1.5 V以上。穩壓電路產生電壓為1V，在上電時復位信號延遲時間約為13 ns。

圖10 載波信號和解調信號

圖11 1.28MHz時鐘信號

圖12 整流、穩壓和復位信號

4 結 語

設計了一種滿足ISO 18000-4協議標準的2.45 GHz RFID射頻模擬前端芯片。對RFID射頻模擬前端芯片進行了分析并改進(整流電路、穩壓電路、帶隙基準、時鐘、復位以及反向散射電路)。采用臺積電0.18 μm工藝進行設計、流片。射頻前端芯片的面積為780 μm×550 μm，整體功耗小于1.5 μW，仿真結果表明，在ISO 18000-4協議標準下，該芯片能夠正常工作，滿足協議系統指標要求。

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[責任編輯:王輝]

Ultra low power 2.45 GHz RFID RF analog front-end

ZHANG Baojun, GAO Yuan, ZHANG Bo, HE Gang

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A 2.45 GHz RFID RF Front-End Chip with the TSMC 0.18 μm CMOS Mix-Signal process is proposed in this paper. The key module of the RFID RF Front-End Chip is analyzed. A negative temperature coefficient resistance of band-gap reference circuit and a method of time delay circuit to eliminate the pulse interference reset circuit are also presented. Simulation results show the 2.45 GHz RFID RF Front-End Chip can meet the requirement of the ISO 18000-4 standard well and the overall circuit power consumption is less than 1.5 μW.

radio frequency identification (RFID), low power, 2.45 GHz, RF front-end

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.03.016

2014-02-24

國家自然科學基金青年基金資助項目(61201044)；陜西省自然科學基金青年基金資助項目(2012JQ8020)；西安郵電大學青年教師科研基金資助項目(1010436)

張寶軍(1972-)男，碩士，副教授，從事通信與信號處理研究。E-mail：908623513@qq.com 高原(1988-)男，碩士研究生，研究方向為微波射頻電路。E-mail：734616358@qq.com

TN492

A

2095-6533(2014)03-0077-07