低功耗2.45GHz射頻識(shí)別模擬前端

張寶軍, 高 原, 張 博, 賀 剛

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710121)

低功耗2.45GHz射頻識(shí)別模擬前端

張寶軍, 高 原, 張 博, 賀 剛

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710121)

采用臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司的0.18 μm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體混合信號(hào)工藝，設(shè)計(jì)出一種應(yīng)用于2.45 GHz的射頻識(shí)別模擬前端芯片，并對(duì)射頻識(shí)別芯片前端電路的關(guān)鍵性模塊進(jìn)行分析和改進(jìn)，提出一種運(yùn)用負(fù)溫度系數(shù)電阻構(gòu)成的帶隙基準(zhǔn)電路和一種運(yùn)用延時(shí)電路來(lái)消除脈沖干擾的復(fù)位電路。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的射頻前端芯片能夠滿足ISO 18000-4協(xié)議所提出的系統(tǒng)要求并且整體電路功耗小于1.5 μW。

射頻識(shí)別；低功耗；2.45 GHz；射頻前端

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification, RFID)技術(shù)[1]是一種射頻空間識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)空間電磁耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞，并且通過(guò)傳遞的信息識(shí)別物品。其識(shí)別距離遠(yuǎn)、效率高，并且功耗低、面積小。RFID技術(shù)相對(duì)于其他識(shí)別技術(shù)，最主要的優(yōu)勢(shì)在于非接觸式識(shí)別，并且可以工作在各種惡劣條件下，有準(zhǔn)確度高、保密性好，效率高、速度快，可同時(shí)識(shí)別多個(gè)物體等特點(diǎn),因此，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)[2]服務(wù)領(lǐng)域、交通、零售行業(yè)以及門(mén)禁系統(tǒng)等[3-5]。RFID無(wú)源標(biāo)簽作為其核心部分，最主要的難點(diǎn)在于低功耗的實(shí)現(xiàn)與高準(zhǔn)確度識(shí)別。現(xiàn)在，RFID關(guān)鍵性難題已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)之一[6-9]。

針對(duì)RFID射頻前端的關(guān)鍵性難題，本文采用臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司的0.18 μm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(TSMC 0.18 μm CMOS)技術(shù)，并基于Cadence Spectre設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)對(duì)RFID射頻模擬前端的關(guān)鍵性電路(電荷泵、基準(zhǔn)、時(shí)鐘、復(fù)位、反向散射、穩(wěn)壓電路、解調(diào))進(jìn)行仿真并流片。

1 標(biāo)簽工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RFID標(biāo)簽系統(tǒng)主要由模擬部分(穩(wěn)壓電路、基準(zhǔn)電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路)和射頻部分(解調(diào)電路、整流電路、反向散射電路和匹配網(wǎng)絡(luò))和數(shù)字基帶部分組成，如圖1所示。由于RFID標(biāo)簽本身不帶電源，當(dāng)標(biāo)簽靠近閱讀器時(shí)，即標(biāo)簽處于閱讀器的電磁場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，由天線接收閱讀器的能量與數(shù)據(jù)，電源部分將閱讀器發(fā)出的高頻載波整流成直流電壓，并且通過(guò)電荷泵升壓，為整個(gè)標(biāo)簽系統(tǒng)提供電源；而閱讀器所發(fā)出的數(shù)據(jù)則通過(guò)解調(diào)電路直接解調(diào)出包絡(luò)信號(hào)，傳送到數(shù)字基帶進(jìn)行處理，數(shù)字基帶將處理完之后的數(shù)據(jù)通過(guò)反向散射電路再調(diào)制到載波上，發(fā)送至閱讀器，完成通信。時(shí)鐘電路產(chǎn)生1.28 MHz的時(shí)鐘信號(hào)為數(shù)字基帶提供時(shí)鐘，而復(fù)位電路則為數(shù)字基帶提供上電復(fù)位信號(hào)。

圖1 RFID標(biāo)簽芯片結(jié)構(gòu)

2 各模塊電路的設(shè)計(jì)

2.1 整流電路

整流效率是影響RFID射頻前端的關(guān)鍵性因素之一，整流電路的原理圖如圖2所示。針對(duì)RFID射頻前端整流效率不夠高的關(guān)鍵性問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用閾值補(bǔ)償技術(shù)[10-11]來(lái)提高電荷泵的整流效率。整流電路的主要作用是把閱讀器所發(fā)出的高頻載波整流成可供芯片工作的直流電壓。整流電路的設(shè)計(jì)采用3級(jí)閾值補(bǔ)償電荷泵結(jié)構(gòu)，M7、M8、M14、M15、M19、M20為整流管，M5、M6、M11、M12、M17、M18為閾值補(bǔ)償管，其他的晶體管均為電流鏡為閾值補(bǔ)償管提供補(bǔ)償電壓。C3、C7、C11為儲(chǔ)能電容。電荷泵在整流時(shí)其整流電壓會(huì)隨著標(biāo)簽接收到的射頻信號(hào)變化，因此，在輸出端并聯(lián)3個(gè)串聯(lián)的二極管作為過(guò)壓保護(hù)電路，防止整流電壓過(guò)大而燒毀芯片。對(duì)于整流電路來(lái)說(shuō)，其整流二極管上消耗的電壓越小，整流電壓越高，這意味著整流管的寬長(zhǎng)比就要越大，而大的寬長(zhǎng)比會(huì)導(dǎo)致反向泄露電流增大，降低其效率，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要折中考慮。

圖2 整流電路

2.2 基準(zhǔn)電路

由于RFID射頻前端芯片的電源是由整流電路將高頻載波能量整流得到，所以在整流電路的直流輸出上會(huì)有很大的交流紋波出現(xiàn)，同時(shí)由于寬溫度范圍的要求(-40～85°C)，這將會(huì)極大程度的影響RFID射頻前端正常工作。通過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電路(圖3)和穩(wěn)壓電路(圖4)可以獲得與電源、溫度無(wú)關(guān)的穩(wěn)定的工作電壓與電流，為RFID射頻前端芯片提供電源，并且能夠保證整個(gè)芯片在-40～85°C都能夠正常工作。

新的基準(zhǔn)電路能夠提供100 nA的與溫度無(wú)關(guān)的穩(wěn)定的基準(zhǔn)電流(PTAT電流)，同時(shí)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電流也可保證時(shí)鐘電路所產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)能夠穩(wěn)定在協(xié)議的要求范圍內(nèi)(偏差小于15%)。C1、M2、M1構(gòu)成啟動(dòng)電路，保證基準(zhǔn)電路能夠正常工作。為減小整體電路的功耗，R1、M3、M5、M4、M6構(gòu)成了最基本的基準(zhǔn)電路，而M10、M11、M9、M12組成運(yùn)算放大器對(duì)M3和M5的柵級(jí)電壓進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，以減小基準(zhǔn)電路由于失配所造成的誤差。

由于臺(tái)積電0.18 μm CMOS工藝下沒(méi)有BJT晶體管，在此工藝下的BJT晶體管是通過(guò)寄生來(lái)制造的，如果采用BJT晶體管產(chǎn)生負(fù)溫度系數(shù)，將會(huì)在工藝上造成誤差，因此，可考慮采用負(fù)溫度系數(shù)的電阻(R1)代替BJT晶體管，來(lái)產(chǎn)生負(fù)溫度系數(shù)以中和MOS管的正溫度系數(shù)。通過(guò)合理的選擇電阻的種類(lèi)與大小，可以得到與溫度和電源電壓無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓與電流，保證RFID射頻前端的正常工作。

圖3 基準(zhǔn)電路

2.3 穩(wěn)壓電路和反向散射電路

因?yàn)闃?biāo)簽距離的不確定性，輸入能量的大小會(huì)隨著標(biāo)簽和閱讀器的距離而改變，其輸入能量相差最大能達(dá)到1 000倍以上。穩(wěn)壓電路(圖4)是為標(biāo)簽芯片提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，使標(biāo)簽芯片在任何時(shí)候都能夠正常工作。穩(wěn)壓電路由基準(zhǔn)、誤差放大器、晶體管和反饋調(diào)節(jié)電阻R1、R2構(gòu)成。它的工作原理是將電源芯片電壓與芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓相比較，然后經(jīng)過(guò)誤差放大器放大誤差信號(hào)，送到晶體管的柵級(jí)，改變調(diào)整晶體管的柵源電壓，改變電流，再通過(guò)負(fù)載跟蹤，來(lái)保證低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出電壓保持穩(wěn)定。

圖4 穩(wěn)壓電路

反向散射電路是把經(jīng)數(shù)字基帶處理后的信號(hào)調(diào)制到載波上，再通過(guò)反向散射的方式再把信號(hào)送回到閱讀器中，完成通信。

設(shè)計(jì)的反向散射電路如圖5所示，它包括C2、M1與C1。L1和R1代表天線的等效阻抗。在接收狀態(tài)，M1不開(kāi)啟，R1、L1、C2、R2構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)簽從天線接收射頻能量，整流成為直流電壓為標(biāo)簽提供能量。在發(fā)送狀態(tài)，M1開(kāi)啟，C2加入進(jìn)匹配網(wǎng)絡(luò)中，使天線與標(biāo)簽阻抗不匹配，通過(guò)反射發(fā)送過(guò)來(lái)的高頻射頻能量，可以把數(shù)字基帶處理后的調(diào)制信號(hào)調(diào)制到高頻載波上，閱讀器讀取到標(biāo)簽的反射能量，從而識(shí)別標(biāo)簽信號(hào)。

圖5 反向散射電路

因?yàn)檎麄€(gè)RFID芯片的電源全部來(lái)自于接收閱讀器所發(fā)送的載波能量，而在反向散射電路工作時(shí)，會(huì)把數(shù)字基帶處理的數(shù)據(jù)調(diào)制到載波上，造成不匹配，因此，在反向散射狀態(tài)，不能夠?qū)d波進(jìn)行全反射，實(shí)現(xiàn)100%調(diào)制，而是要設(shè)計(jì)成半匹配狀態(tài)。因?yàn)樵谏⑸錉顟B(tài)還需要讓天線繼續(xù)接收能量，經(jīng)過(guò)整流電路整流、穩(wěn)壓，而繼續(xù)提供電壓使數(shù)字基帶部分繼續(xù)工作，故2.45 GHz RFID射頻前端對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行55%調(diào)制深度調(diào)制，這樣既能夠滿足協(xié)議要求的調(diào)制深度，又能夠接收足夠的能量為數(shù)字基帶部分繼續(xù)正常工作。

2.4 時(shí)鐘電路與解調(diào)電路

由于RFID射頻前端芯片無(wú)外加時(shí)鐘輸入，因此，需要自己產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)為數(shù)字基帶提供穩(wěn)定的采樣時(shí)鐘，時(shí)鐘產(chǎn)生電路采用三級(jí)環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，如圖6所示。M6、M7、M11、M10、M14、M15構(gòu)成三級(jí)環(huán)形振蕩器，為數(shù)字基帶部分提供1.28 MHz的時(shí)鐘信號(hào)。環(huán)形震蕩器的震蕩條件滿足巴森毫克準(zhǔn)則[12]，即

|H(jω0)|≥1,

∠H(jω0)=180°,

其中H(jω0)為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。M17、M18組成反相器作為整形電路，作用是把環(huán)形振蕩器產(chǎn)生的不規(guī)則的方波時(shí)鐘信號(hào)整理成能夠滿足數(shù)字基帶的工作要求(上升時(shí)間<10 ns)的規(guī)則的時(shí)鐘信號(hào)。其余電路則為電流鏡結(jié)構(gòu)，通過(guò)復(fù)制基準(zhǔn)產(chǎn)生的100 nA的電流為環(huán)形振蕩器充放電，減小溫度與失配對(duì)時(shí)鐘穩(wěn)定性的影響，整體時(shí)鐘產(chǎn)生電路消耗功耗約為400 nW。

圖6 時(shí)鐘電路

解調(diào)電路的作用是把2.4GHz的高頻載波上所攜帶的包絡(luò)數(shù)據(jù)信號(hào)解調(diào)出來(lái)，再將其整形成為可供數(shù)字基帶部分使用的規(guī)則的方波信號(hào)，電路圖如圖7所示。

ASK(amplitude shift keying)射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷泵升壓，然后經(jīng)過(guò)C3和R1構(gòu)成的包絡(luò)檢測(cè)電路提取出信號(hào)包絡(luò)，隨后把提取出的包絡(luò)信號(hào)輸入低通濾波器和遲滯比較器中，經(jīng)遲滯比較器比較后輸出，再經(jīng)過(guò)M11、M10、M12、M13構(gòu)成的整形電路后輸出規(guī)則的方波包絡(luò)信號(hào)。

圖7 解調(diào)電路

2.5 復(fù)位電路

當(dāng)標(biāo)簽芯片進(jìn)入閱讀器的有效作用區(qū)域內(nèi)時(shí)，當(dāng)電源電壓上升到RFID射頻模擬前端電路要求的正常工作電壓時(shí)，通過(guò)上電復(fù)位電路(圖8)產(chǎn)生RFID標(biāo)簽芯片的復(fù)位信號(hào)，并且當(dāng)RFID標(biāo)簽的電磁場(chǎng)受到外界干擾時(shí)或者電壓下降到正常工作電壓之下時(shí)，通過(guò)上電復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)可以有效地保護(hù)數(shù)字基帶的邏輯時(shí)序正常。

復(fù)位電路的工作原理為：當(dāng)電源電壓從0 V上升到Vdd(1 V),需要耗時(shí)10～15 μs，A點(diǎn)的電壓上升的比B點(diǎn)的電壓快，因此當(dāng)A點(diǎn)電壓上升到VA≥Vth6時(shí)，晶體管M6導(dǎo)通。由于M6和M5組成了一組反相器，因此其輸出為低電平，而其輸出的電壓又為M10的柵極電壓，此時(shí)M10晶體管不導(dǎo)通。但是，B點(diǎn)的電壓經(jīng)過(guò)由M7、M8構(gòu)成的反相器后輸出低電平作為M9的柵極電壓，此時(shí)M9導(dǎo)通，輸出高電平。當(dāng)電源電壓保持為高電平時(shí)，輸出點(diǎn)保持高電平并且與電源電壓同步變化，在輸出節(jié)點(diǎn)后，C1開(kāi)始充電，延遲5～10 μs后，上電復(fù)位信號(hào)就產(chǎn)生了。而為了防止脈沖信號(hào)的干擾，所以加入延時(shí)電路去除脈沖干擾的影響。

延時(shí)電路包含一個(gè)Pmos管和一個(gè)由基準(zhǔn)電流源鏡像得到的恒流放電回路和一個(gè)施密特觸發(fā)器與一個(gè)與門(mén)構(gòu)成。初始狀態(tài)時(shí)，電容兩極板因無(wú)電勢(shì)差，所以其電壓保持為0V，同時(shí)，與門(mén)與輸入電壓都為低電平，這時(shí)，Pmos管導(dǎo)通，電容上電壓將由0V上升到電源電壓。隨著上電過(guò)程進(jìn)行，上電檢測(cè)電路經(jīng)施密特觸發(fā)器后，將原本的低電平上升至高電平，因此，在延時(shí)單元的輸入端電壓也同樣上升為高電平，通過(guò)與電容并聯(lián)的電流源，電容開(kāi)始快速放電，隨放電過(guò)程進(jìn)行時(shí)，電容上的電壓會(huì)一直下降，直到電容上的電壓下降到施密特觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)電壓時(shí)，電壓變?yōu)楦唠娖?，最后?jīng)過(guò)與門(mén)輸出的信號(hào)即是輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲后的結(jié)果。

圖8 復(fù)位電路原理圖

3 結(jié)果分析

RFID射頻前端電路利用Cadence Spectre仿真軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，基于臺(tái)積電0.18 μm工藝對(duì)RFID射頻前端進(jìn)行仿真，并且采用Cadence Virtuso版圖工具對(duì)RFID射頻前端芯片版圖進(jìn)行繪制，如圖9所示，整個(gè)RFID射頻前端面積大小為780 μm×550 μm。

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，在信號(hào)速率為40 kbit/s的情況下，ASK解調(diào)電路仍然能夠正常工作，解調(diào)出包絡(luò)信號(hào)并整形成可供數(shù)字基帶處理的方波信號(hào)，如圖10所示。

圖9 RFID射頻模擬前端版圖

時(shí)鐘電路的仿真結(jié)果如圖11所示。仿真結(jié)果表明，產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率為1.28MHz，在-40～85°C溫度范圍內(nèi)，時(shí)鐘頻率偏差小于11%，可以滿足協(xié)議要求。

整流電路、穩(wěn)壓電路以及復(fù)位電路產(chǎn)生的電壓信號(hào)和復(fù)位信號(hào)如圖12所示。仿真結(jié)果表明，電荷泵整流升壓得到的最高電壓約為2V，在協(xié)議規(guī)定的編碼范圍內(nèi)，電荷泵最大掉電時(shí)電壓依舊能夠保持在1.5 V以上。穩(wěn)壓電路產(chǎn)生電壓為1V，在上電時(shí)復(fù)位信號(hào)延遲時(shí)間約為13 ns。

圖10 載波信號(hào)和解調(diào)信號(hào)

圖11 1.28MHz時(shí)鐘信號(hào)

圖12 整流、穩(wěn)壓和復(fù)位信號(hào)

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種滿足ISO 18000-4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的2.45 GHz RFID射頻模擬前端芯片。對(duì)RFID射頻模擬前端芯片進(jìn)行了分析并改進(jìn)(整流電路、穩(wěn)壓電路、帶隙基準(zhǔn)、時(shí)鐘、復(fù)位以及反向散射電路)。采用臺(tái)積電0.18 μm工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)、流片。射頻前端芯片的面積為780 μm×550 μm，整體功耗小于1.5 μW，仿真結(jié)果表明，在ISO 18000-4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下，該芯片能夠正常工作，滿足協(xié)議系統(tǒng)指標(biāo)要求。

[1] Hind D J. Radio frequency identification and tracking systems in hazardous areas[C/OL].(1994-04-20)[2014-02-20].http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=324137.

[2] 劉婧,楊曉冬.政府在實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)過(guò)程中的對(duì)策問(wèn)題研究[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào), 2010,15(4): 45-49.

[3] Siror J K. RFID在智能海關(guān)中的潛在應(yīng)用與挑戰(zhàn)[D].上海:上海交通大學(xué),2011:23-32.

[4] 王康.基于RFID技術(shù)提升服裝企業(yè)快速反應(yīng)能力的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012：32-35.

[5] 倪霖.基于 RFID 的汽車(chē)生產(chǎn)線信息集成模式及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué), 2010：42-48.

[6] Sato Y, Mitsugi J, Nakamura O, et al. Theory and performance evaluation of group coding of RFID tags[J]. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering,2012, 9(3): 458-466.

[7] Yang Po, Wu Wenyan, Moniri M, et al. Efficient Object Localisation Using Sparsely Distributed Passive RFID Tags[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(12)：5914-5924.

[8] Potdar V, Chang E. Tamper detection in RFID tags using fragile watermarking[C/OL]. (2006-05-06)[2014-02-20].http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4238044.

[9] Zhang Wenqiang, Wang Ziqiang, Zhang Chun. A 6.93 μW wake-up circuit for active RFID Tags[C/OL].(2009-08-09)[2014-02-20].http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5397347.

[10] Yao Yuan, Wu Jie, Shi Yin, et al. A fully integrated 900-MHz passive RFID transponder front end with novel zero-threshold RF-DC rectifier[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(7): 2317-2325.

[11] Umeda T, Yoshida H, Sekine S, et al. A 950 MHz rectifier circuit for sensor networks with 10 m-distance[C/OL].(2005-02-05)[2014-02-28].http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1493966.

[12] Nguyen N M, Meyer R G. Start-up and frequency stability in high-frequency oscillators[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1992, 27(5): 810-820.

[責(zé)任編輯:王輝]

Ultra low power 2.45 GHz RFID RF analog front-end

ZHANG Baojun, GAO Yuan, ZHANG Bo, HE Gang

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A 2.45 GHz RFID RF Front-End Chip with the TSMC 0.18 μm CMOS Mix-Signal process is proposed in this paper. The key module of the RFID RF Front-End Chip is analyzed. A negative temperature coefficient resistance of band-gap reference circuit and a method of time delay circuit to eliminate the pulse interference reset circuit are also presented. Simulation results show the 2.45 GHz RFID RF Front-End Chip can meet the requirement of the ISO 18000-4 standard well and the overall circuit power consumption is less than 1.5 μW.

radio frequency identification (RFID), low power, 2.45 GHz, RF front-end

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.03.016

2014-02-24

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(61201044)；陜西省自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(2012JQ8020)；西安郵電大學(xué)青年教師科研基金資助項(xiàng)目(1010436)

張寶軍(1972-)男，碩士，副教授，從事通信與信號(hào)處理研究。E-mail：908623513@qq.com 高原(1988-)男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l電路。E-mail：734616358@qq.com

TN492

A

2095-6533(2014)03-0077-07