超高频无源RFID标签相关电路的分析

乞丐王子

超高频无源RFID 标签(UHF Passive RFIDTag)是指工作频率 在300M~3GHz 之间的超高频频段内，无外接电源供电的RFID 标签。这种超高频无源RFID 标签由于其工作频率高，可读写距离长，无需外部电 源，制造成本低，目前成为了RFID 研究的重点方向之一，有可能成为在不久的将来RFID 领域的主流产品。

对于 UHF 频段RFID 标签的研究，国际上许多研究单位已经取得了一些出色的成果。例如，Atmel 公司在JSSC 上发表了最小RF 输入功率可低至 16.7μW的UHF 无源RFID 标签。这篇文章由于其超低的输入功率，已经成为RFID 标签设计的一篇经典文章，被多次引用。在 2005 年，JSSC 发表了瑞士联邦技术研究院设计的一款最小输入功率仅为2.7μW，读写距离可达12m 的2.45G RFID 标签芯片。在超 小、超薄的RFID 标签设计上，日本日立公司在2006年ISSCC 会议上提出了面积仅为0.15mm×0.15mm，芯片厚度仅为.5μm 的 RFID 标签芯片。国内在RFID 标签领域的研究，目前与国外顶尖的科研成果还有不小的差距，需要国内科研工作者加倍的努力。

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如图1 所示，一个完整超高频无源RFID 标签由天线和标签芯片两部分组成，其中，标签芯片一般包括以下几部分电路：电源恢复电路、电源稳压电路、反向散射调制电路、解调电路、时钟提取/产生电路、启动信号产生电路、参考源产生电路、控制单元、存储器。
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无源RFID 标签芯片工作时所需要的能量完全来源于读卡器产生的电磁波的能量，因此，电源恢复电路需要将标签天线感应出的超高频信号转换为芯片工作需要的直流电压，为芯片提供能量。
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本文第2 部分将介绍电源恢复电路的设计。由于RFID 标签所处的电磁环境是十分复杂的，输入信号的功率可以变化几百甚至几千倍，因此，为了芯片在大 小不同的场强中均可以正常工作，必须设计可靠的电源稳压电路。本文第3部分将对电源稳压电路的设计进行说明。调制与解调电路是标签与读卡器进行通信的关键 电路，目前绝大部分的UHF RFID 标签采用的是ASK调制，本文在第4 部分对调制与解调进行介绍。RFID 标签的控制单元是处理指令的数字电 路。为使标签在进入读卡器场区后，数字电路可以正确复位，以响应读卡器的指令，必须设计可靠的启动信号产生电路，用来提供数字单元的复位信号。本文在第 5 部分将讨论启动信号产生电路的设计。

电源恢复电路
电源恢复电路将RFID 标签天线所接收到的超高频信号通过整流、升压等方式转换为直流电压，为芯片工作提供能量。电源恢复电路具有多种可行的电路结构。如图2 所示是目前常用的几种电源恢复电路。
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在这些电源恢复电路中，并不存在最理想的电路结构，每种电路都有各自的优点及缺陷。在不同的负载情况、不同的输入电压情况、不同的输出电压要求 以及可用的工艺条件下，需要选择不同的电路以使其达到最优的性能。图2(a)所示的多级二极管倍压电路，一般采用肖特基势垒二极管。它具有倍压效率高、输 入信号幅度小的优点，应用十分广泛。但是，一般代工厂的普通CMOS 工艺不提供肖特基势垒二极管，在工艺的选择上会给设计者带来麻烦。图2(b)是用接 成二极管形式的PMOS 管来代替肖特基二极管，避免了工艺上的特殊要求。这种结构的倍压电路需要有较高的输入信号幅度，在输出电压较高时具有较好倍压效 率。图2(c)是传统的二极管全波整流电路。与Dickson 倍压电路相比，倍压效果更好，但引入了更多的二极管元件，功率转换效率一般略低于 Dickson 倍压电路。另外，由于它的天线输入端与芯片地分离，从天线输入端向芯片看去，是一个电容隔直的全对称结构，避免了芯片地与天线的相互影 响，适合于与对称天线(例如偶极子天线)相接。图2(d)是许多文献提出的全波整流电路的CMOS 管解决方案。在工艺受限的情况下，可以获得较好的功率 转换效率，并且对输入信号幅度的要求也相对较低。

  q" A0 v4 W& |& Z: b( n  ^  n+ ?在一般的无源UHF RFID 标签的应用中，出于成本的考虑，希望芯片电路适合 于普通CMOS工艺的制造。而远距离读写的要求对电源恢复电路的功率转换效率提出了较高的要求。为此，很多设计者采用标准CMOS 工艺来实现肖特基势垒 二极管，从而可以方便地采用多级Dickson倍压电路结构来提高电源转换的性能。图3 所示是普通CMOS 工艺制造的肖特基二极管结构示意图。在设计 中，不需要更改工艺步骤和掩膜板生成规则，只需在版图上作一些修改，就可以制作出肖特基二极管。
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$ l# v5 o8 e4 e3 D- b# H, p5 Q: d2 o图4 所示是在UMC 0.18um CMOS 工艺下设计的几种肖特基二极管的版图。它们的直流特性测试曲线如图5 所示。从直流特 性的测试结果上可以看到，标准CMOS 工艺制造的肖特基二极管具有典型的二极管特性，并且开启电压只有0.2V 左右，非常适合应用于RFID 标 签。

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电源稳压电路
在输入信号幅度较高时，电源稳压电路必须能保证输出的直流电源电压不超过芯片所能承受的最高电压;同时，在输入信号较小时，稳压电路所消耗的功率要尽量的小，以减小芯片的总功耗。

从稳压原理上看，稳压电路结构可以分为并联式稳压电路和串联式稳压电路两种。并联式稳压电路的基本原理如图6 所示。

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: Q8 d+ u# V  S2 l$ a' ?3 x& {) w在RFID 标签芯片中，需要有一个较大电容值的储能电容存储足够的电荷以供标签在接收调制信号时，仍可在输入能量较小的时刻(例如OOK调制 中无载波发出的时刻)，维持芯片的电源电压。如果输入能量过高，电源电压升高到一定程度，稳压电路中电压感应器将控制泄流源将储能电容上的多余电荷释放 掉，以此达到稳压的目的。图7 是其中一种并联型稳压电路。三个串联的二极管D1、D2、D3 与电阻R1 组成电压感应器，控制泄流管M1 的栅极电 压。当电源电压超过三个二极管开启电压之和后，M1 栅极电压升高，M1 导通，开始对储能电容C1 放电。


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% i. @$ G! y7 T, l+ x' N# V另外一类稳压电路的原理则是采用串联式的稳压方案。它的原理图如图8 所示。参考电压源是被设计成一个与电源电压无关的参考源。输出电源电压经 电阻分压后与参考电压相比较，通过运算放大器放大其差值来控制M1 管的栅极电位，使得输出电压与参考源基本保持相同的稳定状态。
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: Y8 H" O, h; K( Y) Y4 w; o! d2 T这种串联型稳压电路可以输出较为准确的电源电压，但是由于M1 管串联在未稳压电源与稳压电源之间，在负载电流较大时，M1 管上的压降会造成较高的功耗损失。因此，这种电路结构一般应用于功耗较小的标签电路中。

明明不知道

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