小面积低功耗RFID射频前端电路设计

第２７卷　增刊 ２００６年１２月 半　导　体　学　报 犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犛犈犕犐犆犗犖犇犝犆犜犗犚犛 犞狅犾．２７　犛狌狆狆犾犲犿犲狀狋 犇犲犮．，２００６ 国家重点基础研究发展规划和粤港基金资助项目 通信作者．犈犿犪犻犾：狕犺狅狌．狊犺犲狀犵犺狌犪＠狕狋犲．犮狅犿．犮狀 　２００５１２２０收到 ２００６中国电子学会 小面积低功耗犚犉犐犇射频前端电路设计 周盛华１，　杨志超１　吴南健１　李美云２ （１中国科学院半导体研究所，北京　１０００８３） （２中兴集成电路设计有限公司，深圳　５１８０５７） 摘要：提出了一个适用于犈犘犆犌犲狀２ 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 的小面积低功耗犚犉犐犇射频前端电路的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ．射频前端电路包括整 流器、犃犛犓解调器、犃犛犓和犅犘犛犓调制器和传感器模块，射频的工作频率为８６０～９６０犕犎狕．基于具有不挥发存储器 和肖特基二极管选项的０３５μ犿犆犕犗犛工艺，设计了犚犉犐犇射频前端电路．采用开关电容电路技术实现了小面积低 功耗犚犉犐犇射频前端电路． 关键词：射频识别；无源电子标签；低功耗；传感器；犈犘犆犌犲狀２ 犈犈犃犆犆：１２５０ 中图分类号：犜犖９１１２３　　　文献标识码：犃　　　文章编号：０２５３４１７７（２００６）犛００３６１０４ １　引言 电子标签已广泛用于商品流通、制造业成品和 零部件管理、物品和人员的跟踪等多种领域．其中使 用遥感探测技术的无线电子标签（犚犉犐犇）逐渐成为 电子标签的主流．目前应用最广的是工作频率为 １３５６犕犎狕的 犚犉犐犇，该类 犚犉犐犇的工作距离较短 （＜０５犿），主要用于支付和门禁．而在物流控制方 面，犝犎犉频段（９００犕犎狕和２４犌犎狕）的犚犉犐犇以其 较远的工作距离（＞１犿）和犈犘犆（犲犾犲犮狋狉狅狀犻犮狆狉狅犱狌犮狋 犮狅犱犲）组织的推动，将成为该方面的主流．同时 犚犉犐犇所使用的遥感探测技术还可以用于智能传感 器，是 犠犛犖（狑犻狉犲犾犲狊狊狊犲狀狊狅狉狀犲狋狑狅狉犽）的重要组成 部分． 这个项目提出了一个适用于犈犘犆犌犲狀２协议的 小面积低功耗犚犉犐犇射频前端电路的设计方案．本 文基于具有不挥发存储器和肖特基二极管选项的 ０３５μ犿犆犕犗犛工艺，设计了犚犉犐犇射频前端电路． 射频前端电路包括整流器、犃犛犓 解调器、犃犛犓 和 犅犘犛犓调制器和传感器模块．采用开关电容电路技 术实现了小面积低功耗犚犉犐犇射频前端电路．在以 下几节分别给出了犚犉犐犇射频前端的框架，各个主 要模块的电路结构，小面积低功耗的电路设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ， 版图设计和结果． ２　总体结构 图１给出了 犚犉犐犇 射频前端结构图．整个 犚犉犐犇的射频前端包括：整流、调制、解调、振荡器、 传感器和电源管理等模块．整流模块把读卡器发送 出来的射频能量转换为直流电源能量，为整个 犚犉犐犇芯片供电．读卡器以犃犛犓的方式把数据发送 图１　犚犉犐犇射频前端结构图 犉犻犵．１　犃狉犮犺犻狋犲犮狋狌狉犲狅犳犚犉犐犇犳狉狅狀狋犲狀犱 给标签芯片，解调模块通过包络解调的方式还原出 数据，并把数据整形后传送给数字部分．调制单元通 过改变和天线连接端口的阻抗来实现对反射波的调 制，从而把数据返回给读卡器．电源管理模块为其他 模块提供稳定的工作电压、上电复位信号、偏置电流 和电压保护等．振荡器为数字部分提供时钟．传感器 模块可以包括温度、磁场、速度加速度和生物等传感 器，可实现无线环境监控和无线测量． 半　导　体　学　报 第２７卷 ３　模块电路 ３．１　整流电路 整流电路把天线接收下来的电磁波交流能量转 换成芯片工作所需的直流能量．图２为二极管倍压 子电路．整流电路采用了多级这样的二极管倍压电 路串连［１］，从而确保电路在输入电压较低的情况下 也能提供足够的直流电压．其中使用的整流二极管 是肖特基二极管． 图２　倍压整流单元电路 犉犻犵．２　犛犮犺犲犿犪狋犻犮狅犳狌狀犻狋犿狌犾狋犻狆犾犻犲狉狉犲犮狋犻犳犻犲狉 ３．２　解调电路 图３是解调电路．解调模块包括包络检波和比 较两部分．包络检波电路和整流电路的结构一样通 过整流产生直流电压．这个直流电压通过电流镜产 生一个和包络幅度成一定比例的电流．这个电流和 基准电流相比较就还原出读卡器发送过来的数字信 号，最后经过整形输出给数字部分． 图３　解调电路 犉犻犵．３　犛犮犺犲犿犪狋犻犮狅犳犱犲犿狅犱狌犾犪狋狅狉 ３．３　调制电路 在基于反向散射（犫犪犮犽狊犮犪狋狋犲狉）机制的通信系 统中，标签是通过改变反向散射的强度或者相位来 实现传送数据到读卡器．标签芯片具体地通过改变 端口和天线的匹配来实现反向散射的调制．为了满 足不同通信方式的要求，在芯片里同时集成了犃犛犓 和犅犘犛犓［１］两种调制方式，如图４所示． 图４　调制电路 犉犻犵．４　犛犮犺犲犿犪狋犻犮狅犳犿狅犱狌犾犪狋狅狉 ３．４　振荡器电路 振荡器为标签的数字部分提供时钟信号．本设 计采用了基于 犚犛触发器的松弛振荡器结构［２］．基 于犈犘犆犌犲狀２协议的要求，振荡器产生一个３犕犎狕 左右的时钟信号． ３．５　电源管理 电源的管理电路是犚犉犐犇芯片中的一个设计难 点．在实际使用时，由于标签芯片和读卡器之间距离 及工作模式的变化，犚犉犐犇芯片的输入电磁波交流 能量幅度的变化范围是很大的，变化幅度可达到几 十倍［３］．为了保证标签芯片能够正常工作，在芯片中 需要具有检测和保护电路． 检测和保护电路中往往要用到大电阻，需要很 大的芯片面积，这样使得芯片的成本上升．但是，用 小电阻却会消耗很多的能量．为了同时降低功耗和 减小芯片面积，我们采用开关电容电路技术实现了 电源管理．下面将详细讨论采用开关电容电路的方 法． ４　低功耗设计 在读卡器发送数据的时候，载波会有很弱的情 况出现．这时标签靠电容存储的电能继续工作，但电 压会在这个期间有很大的下降，如图５中 犞狆狆的波 形（犞狆狆为整流模块输出的直流电压）．如果用电阻 作分压器件，然后再加上电容滤波，那么需要很大的 电阻和电容才能得到比较平滑的信号给电压检测电 路．而且即使用上 犕Ω的电阻，它消耗的能量在这 里都是不能容忍的． 采用开关电容电路能够在设计中解决这个矛 盾．图６是一个有滤波作用的比例采样器．这里采用 了三相时钟信号来控制开关的动作． ２６３ 增刊 周盛华等：　小面积低功耗犚犉犐犇射频前端电路设计 图５　仿真波形 犉犻犵．５　犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狑犪狏犲犳狅狉犿狅犳狊狑犻狋犮犺犮犪狆犪犮犻狋狅狉犮犻狉 犮狌犻狋 图６　开关电容采样电路 犉犻犵．６　犛犮犺犲犿犪狋犻犮狅犳狊狑犻狋犮犺犲犱犮犪狆犪犮犻狋狅狉狊犪犿狆犾犻狀犵犮犻狉 犮狌犻狋 第一拍θ１ 使犆１ 充电到犞犻的值，犆２ 放电为０； 第二拍θ２ 使犆１ 和犆２ 连通，其他的断开．这样就得 到了犞１ 的比例电压值；第三拍θ３ 使犆２ 和犆３ 连 通，完成了比例采样．在取值的时候犆３ 比犆２ 大几 倍，那么犆２ 上的电压波动在犆３ 上就有所减小． 这里取犆１＝犆２．从图６的电路容易得到简化 的差分方程（１）． 犞０（狀）＝犞０ （狀－１）犆３＋０．５犞犻（狀－１）犆２ 犆３＋犆２ （１） 把（１）式进行狕变换得到（２）式： 犎（狕）＝犞０ （狕） 犞犻（狕）＝ １ ２× 犆２ 犆３＋犆２ 狕－ 犆３犆３＋犆２ （２） 容易看出犎（狕）描述的是一个低通滤波器．其直流 增益为０５，因为前面取犆１＝犆２，也就是取犞犻的一 半． 这个电路所消耗的电流非常小．它的等效电 阻［２］为： 犚犲狇＝ １犆犳 （３） 犆取０１狆犉，犳取１００犽犎狕，得犚犲狇＝１０８． 电路的工作是依靠电容的比例，所以其工艺稳 定性较好．同时配合数字控制单元可以很容易地组 合出需要的电压和控制方式．图５的犞０ 为仿真采 样输出电压的曲线．从波形可以看出大部分的电源 波动已经被滤除掉． ５　版图和仿真 图７为射频前端的版图．其大小为７８０μ犿× ４４０μ犿，使用０３５μ犿犆犕犗犛工艺设计．核心模块的 工作电压为１６５犞，电流为２１μ犃． 图７　犚犉犐犇射频前端版图 犉犻犵．７　犔犪狔狅狌狋狅犳犚犉犐犇犳狉狅狀狋犲狀犱 图８为射频前端接收读卡器发送数据的波形． 实线（犱犲犿狅犱）为电流镜的栅电压波形，虚线（犚犡）为 整形后的输出电压波形．图９为模拟读卡器接收反 向散射信号的犐犙解调波形．图９（犪）的波形显示出 犅犘犛犓调制一起的反射信号相位变化的情况．图９ （犫）为理想读卡器犐犙解调犅犘犛犓信号的波形．实线 为犐信号波形，虚线为犙 信号波形． 图８　犚犉犐犇射频前端接收数据仿真波形 犉犻犵．８　犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狑犪狏犲犳狅狉犿狅犳犚犉犐犇犳狉狅狀狋犲狀犱’狊狉犲 犮犲犻狏犻狀犵犱犪狋犪 ６　结论 本文提出了一个适用于犈犘犆犌犲狀２协议的小面 积低功耗 犚犉犐犇射频前端电路的设计方案．文章基 ３６３ 半　导　体　学　报 第２７卷 图９　模拟读卡器接收波形 犉犻犵．９　犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狑犪狏犲犳狅狉犿狅犳狉犲犪犱犲狉’狊狉犲犮犲犻狏犻狀犵犱犪狋犪 于具有不挥发存储器和肖特基二极管选项的 ０３５μ犿犆犕犗犛工艺，设计了犚犉犐犇射频前端电路． 采用开关电容电路技术实现了小面积低功耗犚犉犐犇 射频前端电路．芯片大小为７８０μ犿×４４０μ犿，在 １６５犞情况下，电流为２１μ犃． 致谢　感谢犣犜犈中兴通信股份有限公司提供了良 好的设计环境． 参考文献 ［１］　犓犪狉狋犺犪狌狊犝，犉犻狊犮犺犲狉犕．犉狌犾犾狔犻狀狋犲犵狉犪狋犲犱狆犪狊狊犻狏犲犝犎犉犚犉犐犇 狋狉犪狀狊狆狅狀犱犲狉犐犆 狑犻狋犺１６７μ犠 犿犻狀犻犿狌犿 犚犉犻狀狆狌狋狆狅狑犲狉． 犐犈犈犈犑犛狅犾犻犱犛狋犪狋犲犆犻狉犮狌犻狋狊，２００３，３８（１０）：１６０２ ［２］　犑狅犺狀犇犃，犕犪狉狋犻狀犓．犃狀犪犾狅犵犻狀狋犲犵狉犪狋犲犱犮犻狉犮狌犻狋犱犲狊犻犵狀．犖犲狑 犢狅狉犽：犑狅犺狀犠犻犾犲狔牔犛狅狀狊，１９９７ ［３］　犌犾犻犱犱犲狀 犚，犅狅犮犽狅狉犻犮犽犆．犇犲狊犻犵狀狅犳狌犾狋狉犪犾狅狑犮狅狊狋犝犎犉 犚犉犐犇狋犪犵狊犳狅狉狊狌狆狆犾狔犮犺犪犻狀犪狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀狊．犐犈犈犈犆狅犿犿狌狀犻犮犪 狋犻狅狀狊犕犪犵犪狕犻狀犲，２００４：１４０ 犛犿犪犾犾犛犻狕犲，犔狅狑犘狅狑犲狉犚犉犐犇犚犉犉狉狅狀狋犈狀犱犆犻狉犮狌犻狋犇犲狊犻犵狀 犣犺狅狌犛犺犲狀犵犺狌犪１，，犢犪狀犵犣犺犻犮犺犪狅１，犠狌犖犪狀犼犻犪狀１，犪狀犱犔犻犕犲犻狔狌狀２ （１犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犛犲犿犻犮狅狀犱狌犮狋狅狉狊，犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊，犅犲犻犼犻狀犵　１０００８３，犆犺犻狀犪） （２犣犜犈犐犆犇犲狊犻犵狀犆狅犔狋犱，犛犺犲狀狕犺犲狀　５１８０５７，犆犺犻狀犪） 犃犫狊狋狉犪犮狋：犜犺犻狊狆犪狆犲狉狆狉犲狊犲狀狋狊犪狀犚犉犐犇犚犉犳狉狅狀狋犲狀犱犮犻狉犮狌犻狋，狑犺犻犮犺犻狊犮狅犿狆犪狋犻犫犾犲狑犻狋犺犈犘犆犌犲狀２狆狉狅狋狅犮狅犾．犜犺犲犳狉狅狀狋犲狀犱犮犻狉 犮狌犻狋犻狀犮犾狌犱犲狊狉犲犮狋犻犳犻犲狉，犃犛犓犱犲犿狅犱狌犾犪狋狅狉，犃犛犓犪狀犱犅犘犛犓犿狅犱狌犾犪狋狅狉．犜犺犲狑狅狉犽犻狀犵犳狉犲狇狌犲狀犮狔犻狊８６０～９６０犕犎狕．犜犺犲犳狉狅狀狋犲狀犱 犮犻狉犮狌犻狋犻狊犫犪狊犲犱狅狀犖犞犕犪狀犱犛犮犺狅狋狋犽狔犱犻狅犱犲０３５μ犿犆犕犗犛狆狉狅犮犲狊狊．犐狋犻狊犳狅狌狀犱狋犺犪狋狊狑犻狋犮犺犲犱犮犪狆犪犮犻狋狅狉犮犻狉犮狌犻狋犮犪狀狉犲犱狌犮犲 狆狅狑犲狉犮狅狀狊狌犿狆狋犻狅狀犪狀犱犱犻犲犪狉犲犪． 犓犲狔狑狅狉犱狊：犚犉犐犇；狆犪狊狊犻狏犲狋狉犪狀狊狆狅狀犱犲狉；犾狅狑狆狅狑犲狉；狊犲狀狊狅狉；犈犘犆犌犲狀２ 犈犈犃犆犆：１２５０ 犃狉狋犻犮犾犲犐犇：０２５３４１７７（２００６）犛００３６１０４ 犘狉狅犼犲犮狋狊狌狆狆狅狉狋犲犱犫狔狋犺犲犛狋犪狋犲犓犲狔犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犘狉狅犵狉犪犿犳狅狉犅犪狊犻犮犚犲狊犲犪狉犮犺狅犳犆犺犻狀犪犪狀犱狋犺犲犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀狅犳犌狌犪狀犵犱狅狀犵犎狅狀犵犓狅狀犵犆狅 狅狆犲狉犪狋犻狅狀 犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉．犈犿犪犻犾：狕犺狅狌．狊犺犲狀犵犺狌犪＠狕狋犲．犮狅犿．犮狀 　犚犲犮犲犻狏犲犱２０犇犲犮犲犿犫犲狉２００５ ２００６犆犺犻狀犲狊犲犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犈犾犲犮狋狉狅狀犻犮狊 ４６３