一種低功耗高動態(tài)范圍的915MHz無源射頻標簽

　　摘要 ：設計了一種適用于NCITS一256—1999協(xié)議的915MHz無源射頻只讀，標簽芯片具有低功耗、高動態(tài)范圍的特點，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 、引言無線射頻識別（RFID技術，是利用無線射 頻方式 在讀卡 器和 射頻標 簽之 間進 行非接 觸雙 向數 據傳 輸 ，以達到目標識別和數據交換 的 目的．工作于125kHz和 13．56MHz等 低頻 頻段 的標 簽設 計 技 術已趨 于成熟 ，目前 國 內 外 的研 究 熱 點 主要 集 中在 超高頻 （UHF）頻 段 和微 波頻 段 的無 源 標 簽 設 計 以 及微 波頻 段 的片上 天線 設 計 等 方 面 ，國 內 尚未 見 到 有關 UHF及 微 波頻 段 完 整 標 簽 設 計 和測 試 的報 道 ．對 于無 源 RFID 標簽 來 說 ，其 最 重 要 的參 數 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 ．當標 簽 位 于讀 卡 器 場 區(qū) 的不 同位 置時 ，輸 入功率 的變化 范圍可達 幾十 dB，因此 芯片還 必須 能夠處理動態(tài)范 圍很 大 的信號 ．這些都是 無源標 簽設 計中的關鍵 問題 ，也是 當前研究 的熱 點問題 ．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 簽 ，通 過對 射 頻前 端 電源電路 和解 調 電路 在器 件 、電路結 構等 方面 的優(yōu)化 ，降低芯 片功耗 并擴 大 芯 片 工 作 動態(tài) 范 圍．文 中給 出了完整 芯片 的仿真 和測 試結果 ．

　　2 系統(tǒng)結構標簽 主要 由 電源 恢 復 電路 、解 調 電路 、調 制 電路 、時鐘 電路 、復位 電路 、偏置 電路 、數字 電路 等部分組 成 ．電源恢 復 電路 從 電磁場 中恢 復 出直流 電壓 ，為芯 片供 電 ；解 調 電路 將 讀 卡 器 發(fā) 送 給標 簽 的射 頻信號 轉化 為數字 基帶 信 號 ；調 制 電路 通過 改 變 從 標簽天 線端看 進 去的 芯片 輸 入 阻 抗 ，達 到 反 向散 射 調 制的 目的 ；時鐘 電路 為數 字 電路 提供 時鐘 信號 ；復位 電路 在 電源 電壓 上升 到可 以工 作 的幅度 時產生 復位 信號 ，強制 數字 電路 進入 一個 已知狀 態(tài) ；偏置 電路 為模擬前 端各 模塊 提供 偏 置 電流 ；數 字 電路 負責 處 理 基帶信 號 ，進 行 指令譯 碼 ，并 向讀卡 器返 回標簽 所存儲的信 息等 ．

　　3 各 電路模塊的設計 3．1 電源恢 復 電路及調 制 電路電源 恢復 電路 的結 構如 圖 1（a）所示 ．當標 簽 離讀 卡器較 遠 時 ，標簽 接 收到 的射頻 信號很 微弱 ，只有幾 百毫伏 ．為了在 遠距 離下 獲得合 理 的工作 電壓 ，電源恢 復 電路 采 用 了 9級 Dickson倍 壓 電路 的形式 ．在不 考慮 寄生 效應 的情 況 下 ，Ⅳ 級 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 數 ；V仉R是 輸入 射頻 信 號的幅度 ；V 是 構 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 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 標簽的電源電路中_1］．但標準 CMOS工藝下不提供 肖特基二 極 管 ．為 了與 標 準 CMOS工 藝 兼 容 ，在 該 電源恢復 電路 中采用 了零 閾值 管 和低 閾值 管 ．前 6級使用柵 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 級數 的增 加 ，零 閾值 nMoS管 源極 的直流 電壓越來 越高 ，襯偏 效應 越來 越顯 著 ，使 得 其 閾值 顯著 增加 ，因 此 后 3級 改 用 低 閾 值 pMOS管 ．這 里 對 pMOS管 的襯底 接 法作 了 改進 ，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 于 提 高倍 壓 電路 的效 率 有如 下 好 處 ：當 射 頻 信 號 通 過 pMOS管 向 電 容 充 電時 ，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，從而等效閾值電壓降低 ，