一種低功耗高動(dòng)態(tài)范圍的915MHz無源射頻標(biāo)簽

　　摘要 ：設(shè)計(jì)了一種適用于NCITS一256—1999協(xié)議的915MHz無源射頻只讀，標(biāo)簽芯片具有低功耗、高動(dòng)態(tài)范圍的特點(diǎn)，1．6V 電源電壓下模擬前端的靜態(tài)工作電流為1．6 A，芯片正常工作所需要的最小射頻信

　　1 、引言無線射頻識(shí)別（RFID技術(shù)，是利用無線射 頻方式 在讀卡 器和 射頻標(biāo) 簽之 間進(jìn) 行非接 觸雙 向數(shù) 據(jù)傳 輸 ，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換 的 目的．工作于125kHz和 13．56MHz等 低頻 頻段 的標(biāo) 簽設(shè) 計(jì) 技 術(shù)已趨 于成熟 ，目前 國 內(nèi) 外 的研 究 熱 點(diǎn) 主要 集 中在 超高頻 （UHF）頻 段 和微 波頻 段 的無 源 標(biāo) 簽 設(shè) 計(jì) 以 及微 波頻 段 的片上 天線 設(shè) 計(jì) 等 方 面 ，國 內(nèi) 尚未 見 到 有關(guān) UHF及 微 波頻 段 完 整 標(biāo) 簽 設(shè) 計(jì) 和測(cè) 試 的報(bào) 道 ．對(duì) 于無 源 RFID 標(biāo)簽 來 說 ，其 最 重 要 的參 數(shù) 就 是 工作距 離 ，而提高工作距 離的主要途徑 在于 降低芯 片功耗 和 電源 電壓 ．當(dāng)標(biāo) 簽 位 于讀 卡 器 場(chǎng) 區(qū) 的不 同位 置時(shí) ，輸 入功率 的變化 范圍可達(dá) 幾十 dB，因此 芯片還 必須 能夠處理動(dòng)態(tài)范 圍很 大 的信號(hào) ．這些都是 無源標(biāo) 簽設(shè) 計(jì)中的關(guān)鍵 問題 ，也是 當(dāng)前研究 的熱 點(diǎn)問題 ．本 文提 出了 一種 與 NCITS一256—1999協(xié) 議 兼 容的 915MHz無源 射頻 只讀標(biāo) 簽 ，通 過對(duì) 射 頻前 端 電源電路 和解 調(diào) 電路 在器 件 、電路結(jié) 構(gòu)等 方面 的優(yōu)化 ，降低芯 片功耗 并擴(kuò) 大 芯 片 工 作 動(dòng)態(tài) 范 圍．文 中給 出了完整 芯片 的仿真 和測(cè) 試結(jié)果 ．

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)標(biāo)簽 主要 由 電源 恢 復(fù) 電路 、解 調(diào) 電路 、調(diào) 制 電路 、時(shí)鐘 電路 、復(fù)位 電路 、偏置 電路 、數(shù)字 電路 等部分組 成 ．電源恢 復(fù) 電路 從 電磁場(chǎng) 中恢 復(fù) 出直流 電壓 ，為芯 片供 電 ；解 調(diào) 電路 將 讀 卡 器 發(fā) 送 給標(biāo) 簽 的射 頻信號(hào) 轉(zhuǎn)化 為數(shù)字 基帶 信 號(hào) ；調(diào) 制 電路 通過 改 變 從 標(biāo)簽天 線端看 進(jìn) 去的 芯片 輸 入 阻 抗 ，達(dá) 到 反 向散 射 調(diào) 制的 目的 ；時(shí)鐘 電路 為數(shù) 字 電路 提供 時(shí)鐘 信號(hào) ；復(fù)位 電路 在 電源 電壓 上升 到可 以工 作 的幅度 時(shí)產(chǎn)生 復(fù)位 信號(hào) ，強(qiáng)制 數(shù)字 電路 進(jìn)入 一個(gè) 已知狀 態(tài) ；偏置 電路 為模擬前 端各 模塊 提供 偏 置 電流 ；數(shù) 字 電路 負(fù)責(zé) 處 理 基帶信 號(hào) ，進(jìn) 行 指令譯 碼 ，并 向讀卡 器返 回標(biāo)簽 所存儲(chǔ)的信 息等 ．

　　3 各 電路模塊的設(shè)計(jì) 3．1 電源恢 復(fù) 電路及調(diào) 制 電路電源 恢復(fù) 電路 的結(jié) 構(gòu)如 圖 1（a）所示 ．當(dāng)標(biāo) 簽 離讀 卡器較 遠(yuǎn) 時(shí) ，標(biāo)簽 接 收到 的射頻 信號(hào)很 微弱 ，只有幾 百毫伏 ．為了在 遠(yuǎn)距 離下 獲得合 理 的工作 電壓 ，電源恢 復(fù) 電路 采 用 了 9級(jí) Dickson倍 壓 電路 的形式 ．在不 考慮 寄生 效應(yīng) 的情 況 下 ，Ⅳ 級(jí) Dickson倍 壓 電路所 能獲 得 的 電源 電壓 為_1］： VDD = 2N （VD，RF— Vf，D） （1） 式 中 Ⅳ 是 倍壓 電路 的級(jí) 數(shù) ；V仉R是 輸入 射頻 信 號(hào)的幅度 ；V 是 構(gòu) 成 倍 壓 電路 的二 極 管 上 的正 向壓降 ．為提 高倍 壓效率 ，即在相 同 的射頻 輸入信 號(hào) 幅度下 獲得 更 高 的 電源 電壓 ，需 要 減 小 r．D．肖特 基 二極管 由于 具有較 低 的 閾值 電 壓 ，一 般 被使 用 在 標(biāo)簽的電源電路中_1］．但標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝下不提供 肖特基二 極 管 ．為 了與 標(biāo) 準(zhǔn) CMOS工 藝 兼 容 ，在 該 電源恢復(fù) 電路 中采用 了零 閾值 管 和低 閾值 管 ．前 6級(jí)使用柵 漏短 接 的零 閾值 nMOS管 ，因 為它 的 閾值 電壓在襯偏 為零 的情 況 下 只有 0．05V 左 右 ．考 慮到 隨 著電路 級(jí)數(shù) 的增 加 ，零 閾值 nMoS管 源極 的直流 電壓越來 越高 ，襯偏 效應(yīng) 越來 越顯 著 ，使 得 其 閾值 顯著 增加 ，因 此 后 3級(jí) 改 用 低 閾 值 pMOS管 ．這 里 對(duì) pMOS管 的襯底 接 法作 了 改進(jìn) ，普 通 二 極 管 接 法 的 pMOS管其 襯底 是 與 源極 相 連 的 ，而 這 里 將 襯 底 與柵 （漏 ）極 接在 一起 ，這對(duì) 于 提 高倍 壓 電路 的效 率 有如 下 好 處 ：當(dāng) 射 頻 信 號(hào) 通 過 pMOS管 向 電 容 充 電時(shí) ，管子 的漏極 電壓 低于 源極 電壓 ，襯底 與漏 極相連使得襯偏 電壓為負(fù)，從而等效閾值電壓降低 ，