超高频无源电子标签芯片的模拟电路设计

超高频无源电子标签芯片的模拟电路设计

摘要:电子标签芯片是无线射频识别(RFID)技术的核心，其模拟电路的设计十分关键。基于ISO/IEC 18000-6C标准，以设计出符合标准的标签芯片为设计目标，超高频(UHF)无源电子标签芯片模拟电路被提出。它分为电源产生电路、调制解调电路以及上电复位模块等模块。设计结果表明，设计的电路具有很高的整流效率，满足了设计需求。

     无线射频识别(RFID)是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。基本的RFID 系统由电子标签、阅读器及应用支撑软件等几部分组成。

      电子标签内存有一定格式的电子数据，常以此作为待识别物品的标识性信息。应用中将电子标签附着在待识别物品上，作为待识别物品的电子标记。阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息，通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令，电子标签根据收到的阅读器的命令，将内存的标识性数据回传给阅读器。这种通信是在无接触方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。

      电子标签通常由标签天线(或线圈)和标签芯片组成。电子标签芯片即相当于一个具有无线收发功能再加存贮功能的单片系统(SoC)。从纯技术的角度来说，射频识别技术的核心在电子标签，阅读器是根据电子标签的设计而设计的。

      电子标签依据发送射频信号的方式不同，分为主动式和被动式两种。主动式标签主动向阅读器发送射频信号，通常由内置电池供电，又称为有源电子标签；被动式标签不带电池，又称为无源电子标签，其发射电波及内部处理器运行所需能量均来自阅读器产生的电磁波。无源电子标签在接收到阅读器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。

      一般来说，有源电子标签具有更远的通信距离，但其价格相对较高，主要应用于贵重物品远距离检测等应用领域。无源电子标签具有价格低的优势，尽管其工作距离和存储容量受到能量的限制，但有巨大的市场潜力，是目前业界研发的热点。

      无源电子标签芯片主要包括3个部分：模拟电路、数字控制和电可擦除可编程只读存储器(E2PROM)模块。其中，模拟电路模块又包括电源产生电路、调制解调电路等。

1 超高频无源电子标签芯片模拟电路的设计要求
      超高频(UHF)无源电子标签芯片是基于ISO/IEC 18000-6C标准而设计的^[1]，ISO/IEC 18000-6C标准是继ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B标准之后的新标准，它对前两种标准的协议特点进行了一系列有效的修正与扩充。其中物理层数据编码、调制方式、防碰撞算法等一些关键技术有了改进，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。

      在标签设计时，标签芯片的模拟电路部分必须要与标准中规定的空中接口参数相一致，其主要参数规格如表1所示。

      表1中的参数主要是按照ISO/IEC 18000-6C标准选择，其中标签射频输入功率的计算过程如下。

      由电磁场理论可知标签天线处的电磁场能量密度：S =P /Ae =P /[λ2/(4π)]=4πP /λ2=1/2·E 2/η，其中S是标签天线处的电磁场能量密度，P是标签天线接收到的能量，Ae是标签天线的等效接收面积，λ是阅读器发射电磁波的波长，E是标签天线处的电场强度，η是空气的波阻抗。
进而推导出标签天线处的电场强度为：。

      当采用半波对称阵子当作标签天线时，每个阵子长度为λ/4，所以标签天线上的感应电压为：U =E·d =，其中d为单个阵子的长度。

      由电荷泵电路可知，电荷泵输入端的电压必须大于等于0.8 V时才能开启整个电荷泵电路进行充电。因此U≥0.8 V，也即：≥0.8，把空气的波阻抗η=120·π带入可求得P≥1.1 mW。也即射频输入功率至少为1.1 mW才能使标签正常工作。

2 模拟电路设计
      无源电子标签芯片的模拟电路部分主要分为调制电路、解调电路和电源产生电路3个部分，除此之外还有上电复位电路等，如图1所示。

      调制电路对基带数据进行射频调制，设计中主要采用逆向散射调制，即用数据比特流调制标签天线的输入阻抗来改变反射回阅读器信号的幅度，从而实现类似于幅度调制(AM)的逆向散射调制。解调电路完成对阅读器发射来的命令信息进行解调，电源产生电路必须能够为芯片中的电路提供稳定充足的电能，在设计中采用电荷泵作为电源产生电路。此电路相对较为复杂，是整个芯片模拟电路部分最为关键的部分。

2.1 调制电路
      标签芯片是基于ISO/IEC 18000-6C标准设计的，因而标签芯片中的调制电路采用逆向散射调制来实现FM0/Miller+ASK调制，也就是用数据比特流调制标签天线的输入阻抗来改变反射回阅读器信号的幅度，从而实现类似于AM调制的逆向散射调制，如图2所示。

      此标签芯片逆向散射调制电路采用消除了衬底调制效应的互补金属氧化物半导体(CMOS)开关电路来实现，用数字电路送过来的数据比特来控制CMOS开关的开与关，也即改变单沟道CMOS开关的输入阻抗，由于CMOS开关是并联在天线两端的，因而就改变了天线的输入阻抗，实现了逆向散射调制的功能。

2.2 解调电路
      芯片的解调电路如图3所示，从天线接收过来的信号先经过频带选择滤波器滤波，然后用包络检波电路检波，再用施密特触发器对波形进行整形，最后使用1.28 MHz的本地时钟对整形后的数据进行采样并计数每个数据比特对应的1.28 MHz脉冲的个数。

      (1) 带通滤波器
      为了减少电容和电感数量，节省芯片面积，采用2级反转Chebyshev滤波器，仿真结果表明其中心频率为905 MHz，带宽是220 MHz，相对带宽是24％，满足了设计要求。

      (2) 包络检波器
      包络检波器由二极管和并联的RC电路组成，只有时间常数RC大于等于载波周期的100倍时，包络检波器的输出信号才能够正确地跟随输入端调制信号的包络变化^[2]。鉴于芯片采用CMOS工艺，我们使用金属氧化物半导体(MOS)管实现包络检波器中的二极管、电容和电阻。

      在ADS中仿真设计的包络检波器，结果表明：当输入的ASK调制信号的载波频率在860～960 MHz间变化，基带信号周期在6.25～25 ?滋s间变化时，检波器均能较好的解调出包络。但检波后得到的信号波形不是理想的矩形脉冲，出现了较大的变形，因此为了保证后续电路的正常工作，必须对变形的波形进行整形处理。

      (3) 施密特触发器的设计
      由上面的分析可知，包络检波后的信号出现变形，可能会导致后续的解码电路产生错误，因此需要对出现变形的信号进行整形处理。我们采用施密特触发器来消除脉冲变形。

      (4) 本地时钟电路的设计
      由于阅读器到标签的数据速率在26.7～128 kb/s之间变化，标签到阅读器的数据速率在40～640 kb/s之间变化，因此为了正确地调制和解调数据，必须有多种速率的时钟。经过计算得知：芯片中只要有一个1.28 MHz的时钟，经过一系列的分频就可以得到所需的全部时钟。由于时钟速率很低(1.28 MHz)，使用常用的LC振荡器实现时钟电路，将要用到非常大的电感和电容，而在面积很小的芯片中实现大数值的电感和电容是不现实的，因而不能采用LC振荡器。

      本次设计中我们采用环形振荡器来产生本地时钟^[3-4]。此环形振荡器由奇数个CMOS反相器闭环连接构成，这样的环形振荡器具有集成度高和消耗能量少的优点。此外为了增加每级反相器的延迟时间，除最后一级反相器外的反相器输出端和地之间都接有电容。改变反相器的级数、电容数值以及MOS管的尺寸可以调整振荡器的振荡频率到所需的数值^[5]。我们设计中采用5级反相器构成环形振荡器，为了提高集成度，我们使用漏极和源极连接到地的N沟道金属氧化物半导体(NMOS)管当作电容，调整MOS管的长度和宽度，最后在ADS中仿真时钟电路得到的仿真结果表明可以作为芯片中所需的1.28 MHz的时钟源。

2.3 电源产生电路
      电源产生电路结构框图如图4所示。天线接收到的射频信号经过射频-直流(RF-DC)转换电路转化为不低于VL的直流电压，然后经电压限幅器限幅后得到稳定的直流电压VL(2.8 V)供给除E2PROM外的电路工作；VL和本地时钟信号经过直流-直流(DC- DC)转换电路和电压限幅器转化为直流电压VH(12 V)供E2PROM使用。

 

      (1) RF-DC转换电路
      RF-DC转换电路基于电荷泵电路设计，其原理如图5所示，芯片设计时用栅源短接的增强型NMOS管代替图5中的二极管。设RF-DC转换电路所需二极管的最小个数为n1，则所需电容个数也为n1，由于每级电荷泵由2个电容和2个二极管构成，n1必须为偶数。

      (2) DC-DC转换电路
      DC-DC转换电路也是采用电荷泵原理来设计。由于电子标签解调电路已有本地时钟电路(通常采用CMOS环形振荡器产生幅度为VL /2的时钟信号)，因此用时钟信号代替射频信号对电荷泵充电，并从RF-DC转换电路已产生的直流电压VL开始充电可以显著减少DC-DC转换电路的电路级数。设此电路所需二极管最小个数为n2，则此电路所需二极管最小个数n2为^[6]：

其中表示偶数上取整，即先执行上取整，如果上取整后不是偶数则数值加1。

      (3) 电压限幅器
      标签工作时，由于标签和阅读器距离的变化以及传播环境的不同，标签天线接收到的射频信号的幅度变化可以高达10倍以上，使电源产生电路输出的直流电压产生很大的波动。因此必须对RF-DC、DC-DC转换电路的输出电压进行限幅。我们采用稳压二极管限幅原理对RF-DC、DC-DC转换电路的输出电压进行上限幅，即把多个饱和MOS管串联起来充当二极管限幅器。调整MOS管的宽长比以及掺杂浓度来调整限幅值为所需数值。

3 结束语
      本文基于ISO/IEC 18000-6C标准，给出了UHF无源电子标签芯片模拟电路的设计，设计结果表明电路具有很高的整流效率，满足了设计要求。下一步的研究将进行标签芯片的版图设计和流片，用实际测试结果来进一步验证设计的有效性。