UHF RFID標簽的模擬射頻前端設計方案

超高頻無線射頻識別(RFID)技術具有非接觸式、識別速度快、作用距離遠、存儲容量大、可多卡識別等優點，已廣泛應用于生產、零售、交通、物流等行業。UHF RFID無源標簽芯片作為超高頻射頻識別系統的核心組成部分，近年來一直是國內外研究的熱點。研究和設計低功耗、小尺寸、高動態范圍的模擬射頻前端，可以解決UHF RFID標簽芯片的關鍵技術難題，并推動超高頻標簽芯片快速發展。

　　在此針對ISO18000-6C／B標準，研究和分析了UHF RFID無源標簽芯片的系統組成以及模擬射頻前端的電路方案。基于Cadence Spectre設計仿真平臺和TSMCO．18μm CMOS混合信號工藝，對模擬射頻前端的整流電路、穩壓電路、ASK調制／解調電路、上電復位電路、時鐘產生電路等核心模塊進行了設計與仿真，通過MPW項目流片實現。最后，給出了芯片各模塊的測試結果。

　　1 標簽芯片工作原理與系統結構

　　UHF RFID系統主要由后臺數據處理計算機、RFID閱讀器和電子標簽三部分組成。當處在閱讀器的電磁場范圍內時，無源電子標簽通過電磁場耦合獲得能量，利用整流電路將交流轉變為直流，對內部其他模塊進行供電。標簽通過ASK解調電路從射頻脈沖中解調出指令和數據，并送至基帶數字電路模塊。基帶數字電路根據接收到的指令進行一系列數據操作。標簽通過控制天線接口的阻抗，從而改變天線接口的反射系數來對數據信號進行調制。數字電路的系統時鐘由本地振蕩器產生。UHF RFID標簽芯片系統框圖如圖1所示。

　　系統包括模擬射頻前端和數字部分。模擬射頻前端主要實現電源產生、調制／解調、時鐘產生、上電復位等功能。數字控制部分控制著標簽內部數據的流向，按照接收到的指令，控制標簽進行狀態轉換、存儲及返回所需要的內容，包括命令解析、數據編碼、數據存儲、讀／寫等功能。

　　對于UHF RFID無源標簽芯片，難點在于如何實現超低功耗的電路設計。由于芯片不帶電池，芯片內部各模塊工作所需電源完全依靠感應閱讀器所發送的電磁波，整流電路將天線獲得的射頻能量進行轉化并存儲在儲能電容中的直流能量。例如按照北美標準，閱讀器的等效全向輻射功率(EIRP)為36 dBm。在自由空間中，電磁波在5 m距離處衰減約45．5 dB，標簽所獲得的最大功率不超過100μW，而供芯片內部使用的功率僅為幾十μW。為了達到最大的閱讀距離，需要在兩個方面做出努力：減小模擬和數字部分的功耗；提高整流電路的整流效率。

　　2 模擬射頻前端各模塊電路設計

　　2．1 整流電路

　　整流電路的功能主要是將天線感應的射頻能量轉化為供后級各模塊使用的直流能量，整流電路的電路結構如圖2所示。N級整流電路包含2N只整流二極管和2N只耦合電容，與輸出相連的電容為儲能電容。天線的兩端RFin+和RFin-直接或者通過匹配網絡連接到整流電路的輸入端，通常RFin-端接地。下標為奇數的電容與下標為偶數的電容分別在輸入電壓的負半周期和正半周期進行充電、儲能，從而產生直流電壓，表達式為：

　　式中：VDD是整流電路的輸出直流電壓；VpRF是輸入射頻信號的幅度；VfD整流二極管的正向電壓；N是采用的整流級數。從式(1)中可以看出，整流二極管上消耗的電壓越小，輸出電壓越大，也意味著其尺寸越大，將導致其反向泄露電流增大，從而降低整流效率。因此，設計中需要對各種指標進行折中。根據UHF RFID標簽芯片系統需要，所設計的整流電路可以實現高低兩個電平輸出。

　　2．2 穩壓電路

　　穩壓電路是將整流電路輸出直流電壓穩定在特定電平上，為整個標簽芯片提供穩定的工作電壓。由于標簽空間位置的不確定性，使其與讀／寫器的距離相應不固定，以至于標簽天線接收的功率變化可達l 000倍以上。因此，需設計穩壓電路，以保證標簽芯片不會由于物理位置變化引起直流工作電壓幅度的改變，從而增大標簽芯片的工作動態范圍。

　　穩壓電路的結構如圖3所示。穩壓電路的基本原理是將輸出電壓的和芯片內部的基準電壓進行比較，比較的結果通過誤差放大器放大，輸入到調整管的柵極，改變調整管的柵源電壓，調節其輸出電流來跟蹤負載，從而使低壓差線性穩壓器的輸出電壓穩定。

　　2．3 上電復位電路

　　射頻標簽供電電源建立成功后，必須給電子標簽中的數字電路提供一個啟動信號來使電路處于Stand by狀態，等待數據幀的開始。這個啟動信號由上電復位電路提供。

　　上電復位電路結構如圖4所示。

　　工作原理如下：隨著電源電壓VDD的升高，由于C1和反相器中4個長溝道PMOS的延遲作用，使得采樣電路輸出的低電壓VB經過反相器得到的C點電壓VC與電源電壓VDD之間的壓差大于晶體管MP10的閾值電壓，且能為C2贏得足夠的充電時間。當充電到電容C2上的電壓VE大于整形電路第一個反相器中晶體管MN6的閾值電壓時，晶體管MN6導通，輸出電壓VF翻轉為低電平。再經過反相，在整形電路的輸出端可以得到復位信號的上升沿。充電完成后，緊接著C2通過晶體管MN；放電，通常放電速度比充電速度更慢。當放電到C2上的電壓小于晶體管MN6的閾值電壓，晶體管MN6截止，輸出電壓VF翻轉為高電平，此時在整形電路的輸出端得到復位信號的下降沿。

　　2．4 解調電路

　　對于超高頻RFID標簽芯片的ASK解調電路，通常采用包絡檢波方式。解調電路的框圖如圖5所示。按照18000-6C／B標準，電路輸入信號的包絡頻率范圍為40～160 kHz，脈寬失真小于10％。包絡檢波器由一級Dickson電路和R2，C3組成的低通濾波器組成。產生的包絡信號先送入比較器的負端，再通過低通濾波為比較器提供參考電壓。比較器采用遲滯比較器，具有良好噪聲抑制性能、高動態范圍等特點。采用兩級反相器目的是將輸出電壓進行整形，產生規則的方波信號。

　　隨著RFID標簽距離閱讀器遠近不同，輸入的射頻信號幅度可能在幾百mV到幾V之間變化，包絡檢波器輸出的直流電平會有很大變化。在包絡檢波器輸出端并聯一個泄流電路，其作用是在輸入信號過大時對后端比較電路起到泄流穩壓的保護作用，從而避免后端電路工作失常。為了降低功耗，泄流電路在輸入電平較小時需保持關斷狀態。

　　2．5 調制電路

　　根據標準要求采用反向散射的調制方法，通過改變芯片輸入阻抗來改變芯片與天線間的反射系數，從而實現ASK調制。天線阻抗與芯片輸入阻抗在“0”狀態下共軛匹配，而在“1”狀態下存在一定失配。圖6為調制電路框圖，電容C1并聯在天線兩端，晶體管M1等效為一個開關，通過控制開關的開啟，決定了電容是否接入芯片輸入端，從而改變了芯片的輸入阻抗，最終實現ASK調制。

　　2．6 時鐘產生電路

　　時鐘產生電路采用環形振蕩器電路，并加入電壓和溫度補償電路，保證在不同的工作電壓和溫度下，頻率偏移在規定的范圍(±1％)內，電路框圖如圖7所示。電壓補償主要依靠一個電壓基準電路產生一個基準電壓源，提供給五級環形振蕩器作為工作電壓，這樣就能保證在輸入電壓在O．9～1．1 V變化范圍內，最大頻偏能滿足要求。環形振蕩器的振蕩頻率呈正溫度系數特性，故需加入一個負溫度系數的補償電路，并優化五級環形振蕩器的有源器件的寬長比，使其溫度系數恰與自身的溫度系數互補，使時鐘產生電路輸出頻率穩定。

　　3 測試結果

　　基于Cadence Spectre設計仿真平臺和TSMC0．18μm CMOS混合信號工藝，對UHF RFID標簽芯片模擬射頻前端進行設計和仿真，并通過MPW項目流片實現。模擬射頻前端芯片不含測試焊盤的核心電路的芯片面積為490μm×420μm，圖8是芯片實物照片。

　　使用Agilent E4432B信號源對模擬射頻前端進行激勵，輸入載頻為915 MHz的ASK調制信號。圖9為整流電路輸出波形，并測得穩壓電路高、低輸出電壓分別穩定在1．O V和1．8 V。圖10解調電路的輸出波形，可看出該電路能正確解調40～160 kHz的ASK調制信號。圖11(a)是上電復位電路輸出波形，脈沖寬度大于30μs。時鐘產生電路輸出如圖11(b)所示，可看出波形近似方波且占空比約50％。使用AgilentN5230A矢量網絡分析儀給芯片輸入頻率為915 MHz，功率-5 dBm的測試信號，測得“O”和“1”兩種狀態下標簽反射系數相差12％。

　　4 結語

　　這里設計了符合ISO18000-6C／B標準的UHFRFID無源標簽芯片模擬射頻前端。模擬射頻前端包括整流器、穩壓電路、調制解調器、時鐘電路和上電復位電路等模塊。采用TSMCO．18μm CMOS混合信號工藝設計、仿真、流片，其核心面積為490μm×420 μm。測試結果表明，該模擬射頻前端各模塊性能能夠較好地滿足UHF RFID標簽芯片的系統指標要求