低功耗無源超高頻射頻識別應答器芯片的射頻電路
本文提出了一種符合ISO / IEC18000-6B標準的高性能低功耗無源超高頻（UHF）射頻識別（RFID）應答器芯片射頻電路。 射頻電路除天線外沒有其他外部組件，並通過肖特基二極管整流器從射頻電磁場接收能量。
網絡工程師電子愛好者•來源：網站整理•作者：匿名•2010年01月26日11:14•648閱讀0次
低功耗無源超高頻射頻識別應答器芯片的射頻電路
本文提出了一種符合ISO / IEC18000-6B標準的高性能低功耗無源超高頻（UHF）射頻識別（RFID）應答器芯片射頻電路。 射頻電路除天線外沒有其他外部組件，並通過肖特基二極管整流器從射頻電磁場接收能量。
前言0
射頻識別（RFID）是一種在1990年代出現的自動識別技術。 RFID技術具有條形碼技術所沒有的各種優勢，並且具有廣泛的應用範圍。 它可以應用於第二代公民身份證，城市卡，金融交易，供應鏈管理，電子出版物費用（ETC），訪問控制，機場行李管理，公共交通，集裝箱識別，牲畜管理等。掌握RFID芯片製造技術非常重要。 當前，不斷增長的應用需求對RFID芯片提出了更高的要求，RFID芯片需要更大的容量，更低的成本，更小的體積以及更高的數據速率。 針對這種情況，本文提出了一種長距離，低功耗的無源UHF UHF RFID應答器芯片射頻電路。
RFID的常見工作頻率包括低頻125kHz，134.2kHz，高頻13.56MHz，UHF 860〜930MHz，微波2.45GHz，5.8GHz等。由於低頻125kHz，134.2kHz，高頻13.56MHz系統使用線圈作為天線並使用電感器。工作距離較短，一般不超過1.2m，在歐洲和其他地區，帶寬限制在幾千赫茲。 然而，UHF（860〜93Uh1Hz）和微波（2.45GHz，5.8GHz）可以提供更長的工作距離，更高的數據速率和更小的天線尺寸，因此已成為RFID的研究熱點。
本文提出的RF電路芯片是採用特許0.35μm2P4M CM0S工藝製成的，該工藝支持肖特基二極管和電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）。 肖特基二極管具有較低的串聯電阻和正向電壓，並且在將接收到的RF輸入信號能量轉換為直流電源時可以提供較高的轉換效率，從而降低了功耗。 當有效各向同性輻射功率（EIRP）為4W（36dBm）並且天線增益為0dB時，射頻電路芯片工作在915MHz，讀取距離大於3m，工作電流小於8μA。
1 RF電路結構
圖1是UHF RF1D應答器芯片系統圖，主要包括射頻電路，邏輯控制電路和EEPROM。 其中，射頻電路部分可分為以下主要電路模塊：本地振盪器和時鐘生成電路，上電複位電路，參考電壓源，匹配網絡和反向散射電路，整流器，電壓調節器和調幅（AM解調器等。除天線外沒有其他外部組件，天線部分採用偶極子結構，並通過匹配網絡與整流器的輸入阻抗匹配，是整個芯片的唯一能源。 等效模型如圖2所示。偶極天線的阻抗的實部由Rra和Rloss兩部分組成，其中Rra是偶極天線固有的偶極天線的輻射阻抗，通常為73Ω，代表天線向外部輻射電磁波的能力； 損耗通常，用於製造天線的金屬的歐姆電阻只會產生熱量。 天線阻抗的虛部X通常為正。 這是因為天線通常對外部是感應的。 等效電感的大小通常取決於天線和基板材料的拓撲結構。 整流器將耦合的RF輸入信號功率轉換為芯片所需的DC電壓。 穩壓器將直流電壓穩定在一定水平，並限制直流電壓的幅度，以防止芯片因電壓過高而擊穿。 AM解調器用於從接收到的載波信號中提取相應的數據信號。 反向散射電路使用可變電容器來改變射頻電路的阻抗，從而將應答器數據發送到RFID詢問器或讀卡器。 上電複位電路用於為整個芯片生成複位信號。 與13.56MHz高頻（HF）應答器不同，915MHz UHF應答器無法從載波頻率獲得本地時鐘，而只能通過內置的低功耗本地振盪器為數字邏輯電路部分提供時鐘。 下面將一一詳細描述所有這些電路模塊。
圖1 UHF RF1D應答器芯片系統框圖
2應答器天線的等效電氣模型
2電路設計與分析
2.1整流器和穩壓器電路
在本文中，由肖特基二極管組成的Dickson電荷泵用作整流電路。 該電路的示意圖如圖3所示。這是因為肖特基二極管具有較低的串聯電阻和結電容，並且在將接收到的RF輸入信號能量轉換為直流電源時可以提供更高的轉換效率，從而降低了功耗。 所有的肖特基二極管都通過多晶矽電容器連接在一起。 垂直電容器在輸入電壓Vin的負半個週期中充電和存儲，而水平電容器在Vin電壓的正半個週期中充電和存儲，從而產生DC高電壓，所得電壓為：
VDD = n·（Vp，RF－Vf，D）
Vp，RF是輸入射頻信號的幅度，Vf，D是肖特基二極管的正向電壓，n是所用電荷泵級數。
圖4穩壓器電路圖
2.2匹配網絡和反向散射電路
與13.56MHz HF應答器不同，UHF頻段RFID應答器使用偶極天線。 圖5是應答器和天線的SPICE（具有集成電路重點的仿真程序）等效電路圖。 在此等效SPICE電路模型中，接收到的RF載波信號為Vs，天線的阻抗為Zs = Rs + jXL，可以將其視為電壓源的內阻Vs，以及應答器芯片的等效輸入阻抗。是ZL = RL-jXL。 因此，當ZL = Zs *時，阻抗匹配並且功率傳輸最大。 在阻抗匹配的情況下，從帶有天線的應答器的角度來看，獲得的阻抗應為Z = 2RL，因此我們得到了接收功率Pre和電壓擺幅VS之間的關係：
然後，輸入到芯片兩端的電壓擺幅Vin為：
為了實現阻抗匹配，電路還需要在匹配網絡上進行阻抗變換，以使天線的內阻和射頻電路部分的輸入阻抗可以實現共軛匹配，因此我們使用L型匹配網絡。 由於芯片集成電感器的高成本和較低的精度，我們將天線的電感用作匹配電感器，以將匹配電容器集成到芯片中。 經過計算，射頻電路的輸入阻抗約為（105-j406）Ω。
圖5應答器和天線的SPICE等效電路圖
圖6是反向散射電路的示意圖。 反向散射電路使用可變電容器來改變射頻電路的阻抗，從而將應答器數據發送到RFID詢問器或讀卡器。 可變電容由MOS變容二極管實現。 在標準CMOS工藝中，我們可以使用從MOS管的柵極到基板的壓控可變電容，並使用MOS變容二極管的柵極作為電容器的一端，而源極與漏極端子相連。電容器的另一端。
2.3 AM解調器電路
AM解調器電路用於將接收到的調製載波恢復為數字信號以進行基帶處理。 解調電路由包絡檢測電路，濾波電路和比較器組成（如圖7所示）。 比較器使用遲滯比較器來降低誤碼率。 包絡檢波器使用與整流器相同的電路來提取包絡信號。 低通濾波器用於消除電源上的噪聲信號和紋波。 最終，通過磁滯比較器在比較器的輸出處將包絡信號恢復為數字信號。
圖7 AM解調器原理圖
2.4上電複位電路
上電複位電路具有兩個主要功能。 一種是當應答器進入詢問器或讀卡器的有效區域並且電源電壓已達到正常工作電位時，它將為整個芯片產生一個複位信號; 第二種是電源電壓突然下降時。 電路復位後，可以防止邏輯電路發生故障。 圖8是上電複位電路圖，該電路的上電複位延遲時間為10μs。 當時間繼續從零開始增加並且超過上拉電壓2.4V時，P管MP1和N管MN1首先導通，隨著Yu的增加，點A和B的電位逐漸從0升高，反相後MP2和MN2晶體管的柵極電壓都隨VDD的上升而線性變化，因此，開始時，MN2導通，MP2關閉，因此C點的電壓始終為0（有效復位） 。 當VDD達到更高的電勢時，A點的電勢也同時上升到一定水平，從而使MN2管截止。 此時，MP2電子管打開，C點的電位迅速上升。 經過幾個級別的緩衝區後，將獲得一個從設備。 邏輯0至1轉換信號輸出，使電路開始正常工作。 緩衝器和電容性負載的後續級聯是為了獲得約10μs的時間延遲，即當VDD高於2.4V並保持10μs時，復位信號完成跳躍，從而實現穩定的工作。電路。 仿真結果如下圖9所示。
圖8上電複位電路原理圖
圖9上電複位電路仿真結果
2.5本機振盪器和時鐘產生電路
與13.56MHz HF應答器不同，915MHz UHF應答器無法從載波頻率獲得本地時鐘，而只能通過內置的低功耗本地振盪器為數字邏輯電路部分提供時鐘。 時鐘頻率可以接受±30％的誤差，並且時鐘頻率的精度不高，因此可以使用相對簡單的振盪器結構來降低芯片的功耗。 經過分析，我們決定使用由奇數個全差分反相器組成的環形振盪器，它不僅可以很好地抑制共模電壓的變化，而且可以獲得良好的電源抑制特性。 圖10是本機振盪器和時鐘產生電路的示意圖。 經過仿真測試，考慮到溫度，電源電壓和工藝角度變化的全部條件，電路的輸出頻率約為250kHz，其變化誤差確保數據的比特率精度小於VDD的15％。 性能沒有影響，可以更好地滿足系統設計要求。 圖11顯示了通過仿真獲得的時鐘信號。
圖10本地振盪器和時鐘生成電路的示意圖
圖11通過仿真獲得的時鐘信號
3測試結果與分析
射頻電路芯片採用特許0.35μm2P4M CMOS工藝，支持肖特基二極管和EEPROM的流片。 不帶I / O焊盤（PAD）的核心電路芯片面積為300μm×720μm。 除了用於連接到外部天線的兩個PAD之外，其餘的PAD都用於芯片功能測試。 圖12是將射頻電路芯片連接到外部天線並測試了讀卡器的通信後獲得的波形圖。 該測試是使用北京清華同方微電子有限公司的THM6BC1-915 UHF RFID讀卡器進行的，該讀卡器符合ISO / IEC 18000-6B標準。 圖12（a）是接收到讀卡器發送的射頻信號後，整流器和穩壓器電路獲得的VDD波形。 平均值為3.3V，只有一個小於20mV的紋波，可以很好地滿足設計指標要求。 圖12（b）顯示了通過射頻電路芯片解調獲得的讀卡器發送的數字信號。 經測試，當EIRP為4W（36dBm），天線增益為OdB時，射頻電路芯片工作在915MHz，讀取距離大於3m，工作電流小於8μA。
圖12射頻電路芯片測試波形圖
4結論
本文提出了一種符合ISO / IEC 18000-6B標準的高性能，低功耗無源UHF RFID應答器芯片射頻電路。 射頻電路的工作頻率為915MHz，除了天線外沒有其他外部組件。 它使用肖特基二極管。 整流器從射頻電磁場接收能量。 採用特許肖特基二極管和EEPROM的特許0.35μm2P4M CMQS工藝進行流片，其核心面積為300μm×720μm。 RFID射頻電路包括幾個主要模塊，例如本地振盪器，時鐘生成電路，復位電路，匹配網絡和反向散射電路，整流器，電壓調節器和AM解調器。 本文設計和優化了每個模塊電路，設計出符合標準要求的低功耗射頻電路。 該測試是使用符合ISO / IEC 6-1B標準的THM915BC2-18000Y6 UHF RFID讀卡器進行的。 測試結果表明，讀取距離大於3m，滿足無源UHF RFID應答器系統的指標要求。
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