低功耗无源超高频射频识别应答器芯片的射频电路
本文提出了一种符合ISO / IEC18000-6B标准的高性能低功耗无源超高频（UHF）射频识别（RFID）应答器芯片射频电路。 射频电路除天线外没有其他外部组件，并通过肖特基二极管整流器从射频电磁场接收能量。
网络工程师电子爱好者•来源：网站整理•作者：匿名•2010年01月26日11:14•648阅读0次
低功耗无源超高频射频识别应答器芯片的射频电路
本文提出了一种符合ISO / IEC18000-6B标准的高性能低功耗无源超高频（UHF）射频识别（RFID）应答器芯片射频电路。 射频电路除天线外没有其他外部组件，并通过肖特基二极管整流器从射频电磁场接收能量。
前言0
射频识别（RFID）是一种在1990年代出现的自动识别技术。 RFID技术具有条形码技术所没有的各种优势，并且具有广泛的应用范围。 它可以应用于第二代公民身份证，城市卡，金融交易，供应链管理，电子出版物费用（ETC），访问控制，机场行李管理，公共交通，集装箱识别，牲畜管理等。掌握RFID芯片制造技术非常重要。 当前，不断增长的应用需求对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，更小的体积以及更高的数据速率。 针对这种情况，本文提出了一种长距离，低功耗的无源UHF UHF RFID应答器芯片射频电路。
RFID的常见工作频率包括低频125kHz，134.2kHz，高频13.56MHz，UHF 860〜930MHz，微波2.45GHz，5.8GHz等。由于低频125kHz，134.2kHz，高频13.56MHz系统使用线圈作为天线并使用电感器。工作距离较短，一般不超过1.2m，在欧洲和其他地区，带宽限制在几千赫兹。 然而，UHF（860〜93Uh1Hz）和微波（2.45GHz，5.8GHz）可以提供更长的工作距离，更高的数据速率和更小的天线尺寸，因此已成为RFID的热门研究领域。
本文提出的RF电路芯片是采用特许0.35μm2P4M CM0S工艺制成的，该工艺支持肖特基二极管和电可擦可编程只读存储器（EEPROM）。 肖特基二极管具有较低的串联电阻和正向电压，并且在将接收到的RF输入信号能量转换为直流电源时可以提供较高的转换效率，从而降低了功耗。 当有效各向同性辐射功率（EIRP）为4W（36dBm）并且天线增益为0dB时，射频电路芯片工作在915MHz，读取距离大于3m，工作电流小于8μA。
1 RF电路结构
图1是UHF RF1D应答器芯片系统图，主要包括射频电路，逻辑控制电路和EEPROM。 其中，射频电路部分可分为以下主要电路模块：本地振荡器和时钟生成电路，上电复位电路，参考电压源，匹配网络和反向散射电路，整流器，电压调节器和调幅（AM解调器等。除天线外没有其他外部组件，天线部分采用偶极子结构，并通过匹配网络与整流器的输入阻抗匹配，是整个芯片的唯一能源。 等效模型如图2所示。偶极天线的阻抗的实部由Rra和Rloss两部分组成，其中Rra是偶极天线固有的偶极天线的辐射阻抗，通常为73Ω，代表天线向外部辐射电磁波的能力； 损耗通常，用于制造天线的金属的欧姆电阻只会产生热量。 天线阻抗的虚部X通常为正。 这是因为天线通常对外部是感应的。 等效电感的大小通常取决于天线和基板材料的拓扑结构。 整流器将耦合的RF输入信号功率转换为芯片所需的DC电压。 稳压器将直流电压稳定在一定水平，并限制直流电压的幅度，以防止芯片因电压过高而击穿。 AM解调器用于从接收到的载波信号中提取相应的数据信号。 反向散射电路使用可变电容器来改变射频电路的阻抗，从而将应答器数据发送到RFID询问器或读卡器。 上电复位电路用于为整个芯片生成复位信号。 与13.56MHz高频（HF）应答器不同，915MHz UHF应答器无法从载波频率获得本地时钟，而只能通过内置的低功耗本地振荡器为数字逻辑电路部分提供时钟。 下面将一一详细描述所有这些电路模块。
图1 UHF RF1D应答器芯片系统框图
2应答器天线的等效电气模型
2电路设计与分析
2.1整流器和稳压器电路
在本文中，由肖特基二极管组成的Dickson电荷泵用作整流电路。 该电路的示意图如图3所示。这是因为肖特基二极管具有较低的串联电阻和结电容，并且在将接收到的RF输入信号能量转换为直流电源时可以提供更高的转换效率，从而降低了功耗。 所有的肖特基二极管都通过多晶硅电容器连接在一起。 垂直电容器在输入电压Vin的负半个周期中充电并存储，而水平电容器在Vin的正半周期中被充电和存储，从而产生DC高电压，得到的电压为：
VDD = n·（Vp，RF－Vf，D）
Vp，RF是输入射频信号的幅度，Vf，D是肖特基二极管的正向电压，n是所用电荷泵级数。
图4稳压器电路图
2.2匹配网络和反向散射电路
与13.56MHz HF应答器不同，UHF频段RFID应答器使用偶极天线。 图5是应答器和天线的SPICE（具有集成电路重点的仿真程序）等效电路图。 在此等效SPICE电路模型中，接收到的RF载波信号为Vs，天线的阻抗为Zs = Rs + jXL，可以将其视为电压源的内部电阻Vs，以及应答器芯片的等效输入阻抗。是ZL = RL-jXL。 因此，当ZL ＝ Zs *时，阻抗匹配并且功率传输最大。 在阻抗匹配的情况下，从带有天线的应答器的角度来看，获得的阻抗应为Z = 2RL，因此我们得到了接收功率Pre和电压摆幅VS之间的关系：
然后，输入到芯片两端的电压摆幅Vin为：
为了实现阻抗匹配，电路还需要在匹配网络上进行阻抗变换，以使天线的内阻和射频电路部分的输入阻抗可以实现共轭匹配，因此我们使用L型匹配网络。 由于芯片集成电感器的高成本和较低的精度，我们将天线的电感用作匹配电感器，以将匹配电容器集成到芯片中。 经过计算，射频电路的输入阻抗约为（105-j406）Ω。
图5应答器和天线的SPICE等效电路图
图6是反向散射电路的示意图。 反向散射电路使用可变电容器来改变射频电路的阻抗，从而将应答器数据发送到RFID询问器或读卡器。 可变电容由MOS变容二极管实现。 在标准CMOS工艺中，我们可以使用从MOS管的栅极到基板的压控可变电容，并以MOS变容二极管的栅极作为电容器的一端，而源极与漏极端子相连。电容器的另一端。
2.3 AM解调器电路
AM解调器电路用于将接收到的已调制载波恢复为数字信号以进行基带处理。 解调电路由包络检测电路，滤波电路和比较器组成（如图7所示）。 比较器使用迟滞比较器来降低误码率。 包络检波器使用与整流器相同的电路来提取包络信号。 低通滤波器用于消除电源上的噪声信号和纹波。 最后，包络信号通过磁滞比较器在比较器的输出端恢复为数字信号。
图7 AM解调器原理图
2.4上电复位电路
上电复位电路具有两个主要功能。 一种是当应答器进入询问器或读卡器的有效区域并且电源电压达到正常工作电位时，它将为整个芯片产生一个复位信号; 第二个是电源电压突然下降。 电路复位后，可以防止逻辑电路发生故障。 图8是上电复位电路图，电路的上电复位延迟时间为10μs。 当时间继续从零开始增加并且超过上拉电压2.4V时，P管MP1和N管MN1首先导通，随着Yu的增加，点A和B的电位逐渐从0升高，反相后MP2和MN2晶体管的栅极电压都随VDD的上升而线性变化，因此，开始时，MN2导通，MP2关闭，因此C点的电压始终为0（有效复位） 。 当VDD达到更高的电势时，A点的电势也同时上升到一定水平，从而使MN2管截止。 此时，MP2电子管打开，C点的电位迅速上升。 经过几个级别的缓冲区后，将获得一个从设备。 逻辑0至1的过渡信号输出，使电路开始正常工作。 缓冲器和电容性负载的后续级联是为了获得大约10μs的时间延迟，也就是说，当VDD高于2.4V并保持10μs时，复位信号完成跳跃，从而实现稳定的工作。电路。 仿真结果如下图9所示。
图8上电复位电路原理图
图9上电复位电路仿真结果
2.5本机振荡器和时钟产生电路
与13.56MHz HF应答器不同，915MHz UHF应答器无法从载波频率获得本地时钟，而只能通过内置的低功耗本地振荡器为数字逻辑电路部分提供时钟。 时钟频率可以接受±30％的误差，并且时钟频率的精度不高，因此可以使用相对简单的振荡器结构来降低芯片的功耗。 经过分析，我们决定使用由奇数个全差分反相器组成的环形振荡器，它不仅可以很好地抑制共模电压的变化，而且可以获得良好的电源抑制特性。 图10是本机振荡器和时钟产生电路的示意图。 经过模拟测试，考虑到温度，电源电压和工艺角度变化的全部条件，电路的输出频率约为250kHz，其变化误差确保数据的比特率精度小于VDD的15％。 性能没有影响，可以更好地满足系统设计要求。 图11显示了通过仿真获得的时钟信号。
图10本地振荡器和时钟生成电路的示意图
图11通过仿真获得的时钟信号
3测试结果与分析
射频电路芯片采用特许0.35μm2P4M CMOS工艺，支持肖特基二极管和EEPROM的流片。 不带I / O焊盘（PAD）的核心电路芯片面积为300μm×720μm。 除了用于连接到外部天线的两个PAD之外，其余的PAD都用于芯片功能测试。 图12是将射频电路芯片连接到外部天线并测试了读卡器的通信后获得的波形图。 该测试是使用北京清华同方微电子有限公司的THM6BC1-915 UHF RFID读卡器进行的，该读卡器符合ISO / IEC 18000-6B标准。 图12（a）是接收到读卡器发送的射频信号后，整流器和稳压器电路获得的VDD波形。 平均值为3.3V，只有一个小于20mV的纹波，可以很好地满足设计指标要求。 图12（b）显示了通过射频电路芯片解调获得的读卡器发送的数字信号。 经测试，当EIRP为4W（36dBm），天线增益为OdB时，射频电路芯片工作在915MHz，读取距离大于3m，工作电流小于8μA。
图12射频电路芯片测试波形图
4结论
本文提出了一种符合ISO / IEC 18000-6B标准的高性能，低功耗无源UHF RFID应答器芯片射频电路。 射频电路的工作频率为915MHz，除天线外没有其他外部组件。 它使用肖特基二极管。 整流器从射频电磁场接收能量。 采用特许肖特基二极管和EEPROM的0.35μm2P4M CMQS特许工艺用于流片，其核心面积为300μm×720μm。 RFID射频电路包括几个主要模块，例如本地振荡器，时钟生成电路，复位电路，匹配网络和反向散射电路，整流器，电压调节器和AM解调器。 本文设计和优化了每个模块电路，设计出符合标准要求的低功耗射频电路。 该测试是使用符合ISO / IEC 6-1B标准的THM915BC2-18000Y6 UHF RFID读卡器进行的。 测试结果表明，读取距离大于3m，满足无源UHF RFID应答器系统的指标要求。
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