一種用于無(wú)源RFID的新型低壓低功耗振蕩器

陳迪平　楊翠靈　董剛　秦鵬舉　曾健平

摘? ?要：采用中芯國(guó)際180 nm混合信號(hào)工藝，設(shè)計(jì)了一種新型低壓低功耗環(huán)形振蕩器.基于反饋理論，采用放大器完成從電源電壓到環(huán)振工作電壓的降壓穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)環(huán)振工作電壓穩(wěn)定性優(yōu)化，同時(shí)降低其功耗;環(huán)振輸出經(jīng)幅度變換電路，實(shí)現(xiàn)高擺幅振蕩信號(hào)輸出;振蕩器工作頻率電流受控，抑制了電源噪聲，降低了電源電壓波動(dòng)對(duì)輸出頻率的影響.結(jié)果表明，1 V電源電壓下，輸出頻率2.737 MHz，功耗約0.8 μW，1 MHz頻點(diǎn)處相位噪聲-108.7 dB;0.9～2.1 V電壓范圍內(nèi)，輸出頻率波動(dòng)小于0.23%，適于無(wú)源芯片設(shè)計(jì).

關(guān)鍵詞：振蕩器;射頻識(shí)別;低電壓;低功耗

中圖分類號(hào)：TN495 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

A Novel Low-voltage Low-power Oscillator Used for Passive RFID

CHEN Diping1，YANG Cuiling1，DONG Gang1，QIN Pengju2，ZENG Jianping1

（1. College of Physics and Microelectronics Science，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. Hunan Runtronic Microelectronics Co Ltd，Changsha 410000，China ）

Abstract：A novel low-voltage low-power ring oscillator was designed，which was implemented by an SMIC's 180 nm mixed signal processing technology. Based on the feedback theory，the regulation and conversion from supply voltage to operating voltage of ring oscillators was completed by employing an amplifier，generating superior operating voltage stability as well as lower consumption. Furthermore，a high output swing was obtained with an amplitude conversion circuit. The operating frequency of the oscillator was controlled by current，resulting in the reduced effect of oscillating signal on the supply voltage VDD and the depressed supply noise. The results demonstrate that the output frequency is 2.737 MHz，the consumption is 0.8 μW with a 1 V supply，and the phase noise at the phase point is -108.7 dB at 1 MHz offset. Meanwhile，the output frequency fluctuations are kept within 0.23% when the supply voltage varies between 0.9 V and 2.1 V，which is reasonable in passive chip design.

Key words：oscillator;radio frequency identification（RFID）;low-voltage;low-power

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）是近年來備受關(guān)注的一種新興技術(shù)，其利用無(wú)線電波快速精準(zhǔn)地識(shí)別相關(guān)信息，廣泛用于支付系統(tǒng)、物流、人員跟蹤等領(lǐng)域[1-3].受限于應(yīng)用場(chǎng)合，低電壓、低功耗、寬電源電壓范圍、低成本等要求對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)顯得尤為重要，特別在無(wú)源RFID電子標(biāo)簽領(lǐng)域.

無(wú)源RFID電子標(biāo)簽是一種微型裝置，工作于無(wú)任何能量?jī)?chǔ)存的情況下，通過對(duì)閱讀器信號(hào)轉(zhuǎn)換獲取工作電壓，整個(gè)芯片的功率只有幾微瓦或者更低，因此，高效的功耗分配對(duì)于電子標(biāo)簽的性能評(píng)估至關(guān)重要[4-5].RFID電子標(biāo)簽主要分為3部分：天

線部分、模擬前端和基帶處理單元[6].天線部分完成射頻信號(hào)的接收與發(fā)送;模擬前端由整流電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、反射調(diào)制電路以及解調(diào)電路等組成;基帶處理單元控制數(shù)據(jù)編碼/解碼和內(nèi)存/傳感器等的訪問.振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)用于精確控制副載波頻率，同時(shí)給數(shù)字電路提供工作時(shí)鐘，故振蕩器性能優(yōu)劣直接影響整個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)的性能.

折衷功耗、面積以及成本，本文采用基于反饋理論的電源電壓變換的新型環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，完成了一種適用于無(wú)源RFID電子標(biāo)簽的高穩(wěn)定低壓低功耗振蕩器的設(shè)計(jì)，其正常工作電源電壓范圍為0.9～2.1 V，輸出頻率波動(dòng)小于0.23%;1 V電源電壓下，輸出頻率2.737 MHz，功耗約0.8 μW.

1? ?無(wú)源RFID標(biāo)簽振蕩器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1? ?普通振蕩器分析

常見的振蕩器主要有晶體振蕩器、RC振蕩器和環(huán)形振蕩器.相較而言，晶體振蕩器精度高、工作穩(wěn)定、振蕩頻率單一、體積大、功耗高，難以集成于單芯片內(nèi);RC振蕩器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)時(shí)間短、頻率易調(diào)、振蕩頻率穩(wěn)定性差，受電源電壓、工藝偏差以及環(huán)境溫度的影響較大;環(huán)形振蕩器具有振蕩頻率范圍大，與純數(shù)字CMOS工藝兼容性好、穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)電源噪聲較敏感[7].

無(wú)源RFID標(biāo)簽工作距離范圍大，整個(gè)芯片的工作電壓均源于對(duì)射頻信號(hào)的整流和放大，波動(dòng)較大，因此，低電壓、低功耗和寬電源范圍是無(wú)源RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)的主要考慮點(diǎn).環(huán)振因兼容純數(shù)字CMOS工藝，成本低，最適于此類應(yīng)用，其延遲單元一般由單端或差分反相器構(gòu)成[8-9]，功耗（Ptot）主要分為反相器的靜態(tài)功耗（PS）和動(dòng)態(tài)功耗（PD）：

Ptot = PS + PD = IleakVDD + NCLVDD2 f（1）

式中：Ileak為反相器漏電流;VDD為電源電壓;N為反相器級(jí)數(shù);f為振蕩頻率;CL為反相器輸出端電容.環(huán)振的功耗主要由動(dòng)態(tài)功耗（PD）組成：

式中：k為PMOS管與NMOS管溝道寬度之比;KPP =μpCox;KPN = μnCox為工藝參數(shù).據(jù)式（2）在保證振蕩器正常工作的前提下，減小環(huán)振工作電壓對(duì)于降低功耗而言至關(guān)重要.對(duì)于靜態(tài)功耗（PS），可通過適當(dāng)偏置，降低整體電流;增大管子長(zhǎng)度L有助于降低漏電流，此舉亦有益于降低動(dòng)態(tài)功耗.

1.2? ?弱反型工作區(qū)分析

工作于弱反型區(qū)的MOS管工作電流遠(yuǎn)小于強(qiáng)反型區(qū)電流，電路性能有所限制，然而，此舉能很好地節(jié)省功耗開支，緩解電源電壓不足的壓力.工作于弱反型區(qū)的RFID標(biāo)簽?zāi)軌蚝芎玫丶骖櫺阅?、電源電壓及功耗等要求[10].弱反型區(qū)晶體管漏極電流與柵源電壓的近似關(guān)系為[6]：

式中：VT = KT/q為溫度電壓;n = （1 + Cdep /Cox）;Cox為柵氧化層單位面積電容;Cdep為單位面積溝道耗盡層電容;μ為載流子表面遷移率;VTH為閾值電壓.同時(shí)文獻(xiàn)[6]給出了弱反型系數(shù)IC，以判別晶體管的工作區(qū)域：

式中：I0 = 2nμCoxV2T是一個(gè)由工藝所決定的電流值.當(dāng) IC > 10時(shí)，晶體管工作于強(qiáng)反型區(qū);IC = 1時(shí)介于弱反型區(qū)和強(qiáng)反型區(qū)的過渡區(qū);IC < 0.1時(shí)工作于弱反型區(qū).通過適當(dāng)偏置，可確定晶體管工作

區(qū)域.

2? ?所提環(huán)形振蕩器設(shè)計(jì)

EPC—C1G2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了RFID芯片的最低時(shí)鐘頻率為1.92 MHz.振蕩器頻率過高，會(huì)導(dǎo)致芯片的功耗增加，降低電子標(biāo)簽的讀寫距離;頻率過低會(huì)影響RFID標(biāo)簽對(duì)閱讀器指令的讀取及譯碼，另一方面，時(shí)鐘頻率太低會(huì)影響信息的識(shí)別速度.根據(jù)EPC標(biāo)準(zhǔn)，RFID芯片數(shù)據(jù)是采用Miller調(diào)制副載波或FM0基帶編碼的編碼方案，數(shù)據(jù)傳輸速率為40～640 kbit/s，芯片工作頻率偏移小于10%[6，11].折衷功耗、速度、性能等的影響，本文振蕩器工作頻率選為2.56 MHz（即數(shù)據(jù)最高傳輸速率的4倍）.

2.1? ?整體設(shè)計(jì)

據(jù)式（2），本文采用反饋結(jié)構(gòu)的放大器實(shí)現(xiàn)寬工作電壓范圍的降壓穩(wěn)壓器功能，為環(huán)形振蕩器提供穩(wěn)定的工作電壓，同時(shí)降低環(huán)振功耗.根據(jù)放大器的“虛短”特性，以及MOS管工作于恒流偏置下，其漏源電壓VDS和過驅(qū)動(dòng)電壓VOV相對(duì)恒定的特點(diǎn)，本文完成了一種寬工作電壓范圍、高穩(wěn)定的新型低電壓、低功耗振蕩器設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

放大器A和調(diào)整管M1、電阻R構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路;放大器A和調(diào)整管M2、環(huán)振單元構(gòu)成正反饋環(huán)路.通過調(diào)整調(diào)整管尺寸，可控制反饋強(qiáng)度.對(duì)于環(huán)路響應(yīng)：負(fù)反饋強(qiáng)于正反饋。整體表現(xiàn)為負(fù)反饋，以將放大器兩輸入端電壓鉗位于一個(gè)穩(wěn)定值.系統(tǒng)穩(wěn)定后，放大器A的輸入端電壓趨于一致，濾波電容C用以穩(wěn)定環(huán)振工作電壓Vosc，以提高環(huán)振輸出頻率穩(wěn)定度.振蕩器模塊采用由三級(jí)反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器，其振蕩頻率為1/（6 TD ），TD為單級(jí)反相器的延遲時(shí)間：

環(huán)振輸出幅度為Vosc的振蕩信號(hào)，經(jīng)振幅變換電路，可輸出頻率穩(wěn)定的高擺幅振蕩信號(hào)Vout.本文在采用新型低功耗結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，各模塊電路均采用低功耗優(yōu)化，以達(dá)到低功耗的設(shè)計(jì)目的.

2.2? ?模塊設(shè)計(jì)

為滿足低壓低功耗的設(shè)計(jì)要求，放大器設(shè)計(jì)采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，如圖2所示.M4、M5柵極掛接到M6、M7的柵極，以增大輸出擺幅.為減小偏置電路引入的功耗，M6、M7采用自偏置設(shè)計(jì)，放大器電壓增益：

AV = gm1，2·（（rds5+rds7+gm7rds5rds7（1+η7））‖rbias2，o）

≈gm1，2·rbias2，o （6）

式中： rds為晶體管小信號(hào)輸出電阻;rbias2，o為恒流源輸出電阻;η7 = gmb7/gm7;gmb7為襯底跨導(dǎo).在適當(dāng)?shù)钠孟?，電路工作穩(wěn)定后，放大器兩差分輸入端電壓趨于一致，約為：

rOSC = VN = Vp = VDS + VOV + VTHN? ? ?（7）

典型值：VDS約為200 mV，弱反型下過驅(qū)動(dòng)電壓VOV約-100 mV，VTHN約500 mV，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)從電源電壓VDD到環(huán)振工作電壓VOSC（約600 mV）的降壓穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換功能.據(jù)式（4），偏置電流：

振蕩器模塊采用由三級(jí)單端反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器，其環(huán)路增益為：

式中：A0為單級(jí)反相器的低頻增益;ω0為單級(jí)反相器的-3 dB帶寬.為了確保環(huán)振振蕩，在滿足Barkhausen準(zhǔn)則的前提下，考慮到溫度以及工藝偏差等的影響，反相器的低頻電壓增益取理論值的2～3倍.

振幅幅度變換電路偏置電路采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)，工作于放大區(qū)的MOS管：

偏置電流ID恒定的情況下，通過調(diào)整管子的寬長(zhǎng)比可調(diào)整其過驅(qū)動(dòng)電壓，設(shè)置合適的偏置點(diǎn).為達(dá)到低功耗設(shè)計(jì)目的，電路工作于弱反型區(qū)，采用大比例的倒比管予以實(shí)現(xiàn).

圖4所示為本文所提振蕩器整體電路圖.啟動(dòng)電路完成啟動(dòng)后自動(dòng)脫離，以使啟動(dòng)電路引入的功耗最小化;放大器正相輸入端電壓配合電阻R1，產(chǎn)生整體電路的參考偏置電流：

VDD所引起的Vosc波動(dòng)，一部分由電容C1濾除，另一部分經(jīng)放大，通過調(diào)整管M16后，形成強(qiáng)烈的負(fù)反饋，以維持Vosc穩(wěn)定不變;緩沖器M30和M31增強(qiáng)振蕩器輸出，確保振蕩信號(hào)無(wú)失真地耦合到振幅變換電路，M29采用本征晶體管予以實(shí)現(xiàn)，為晶體管M30源極節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)快速充電電流，同時(shí)限制晶體管M30和M31輸出端的信號(hào)幅度，使功耗最小化.

2.3? ?芯片實(shí)現(xiàn)

圖5所示為本文振蕩器版圖.整體版圖采用軸對(duì)稱布局，器件之間采用局部插指匹配及四方交叉匹配，以保證較好的噪聲及干擾屏蔽，減小振蕩信號(hào)對(duì)靜態(tài)電路的影響，避免系統(tǒng)不穩(wěn)定.采用緊湊布局實(shí)現(xiàn)環(huán)形振蕩模塊，以減小寄生電容及工藝偏差所引起的頻率偏移.在各模塊電路周圍加入襯底接觸環(huán)，實(shí)現(xiàn)模塊與模塊間的隔離，以提高頻譜純度、降低寄生功耗.

3? ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文利用Cadence Spectre工具，基于SMIC 180 nm 混合信號(hào)工藝，對(duì)所提結(jié)構(gòu)進(jìn)行了后仿真驗(yàn)證及功能測(cè)試.圖6所示為相位噪聲后仿真曲線，文中所提振蕩器1 MHz頻點(diǎn)處的相位噪聲為-108.7 dBc.圖7所示為利用Tektronix 5 Series Mixed Signal示波器所測(cè)得的該振蕩器在1 V典型工作電壓下的輸出波形，其振蕩頻率為2.737 MHz，考慮到寄生效應(yīng)影響，與預(yù)期設(shè)計(jì)值差別不大，符合設(shè)計(jì)要求.

如圖8所示，以1 V典型工作電壓點(diǎn)為參考，本文振蕩器在0.9～2.1 V工作電壓下，輸出頻率波動(dòng)低于0.23%;該結(jié)構(gòu)在1 V電源電壓情況下，功耗約0.8 μW.本文所提結(jié)構(gòu)同文獻(xiàn)所提振蕩器性能對(duì)比如表1所示.相較而言，本文所提新型振蕩器具備工作電壓低、輸出頻率隨電源電壓波動(dòng)小、功耗較低等優(yōu)點(diǎn)，符合應(yīng)用需求.

4? ?結(jié)? ?論

本文在對(duì)現(xiàn)有低壓低功耗環(huán)形振蕩器分析與總結(jié)的基礎(chǔ)上，針對(duì)工作電壓與功耗指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析，提出了一種寬電源電壓范圍的新型高穩(wěn)定低壓低功耗環(huán)形振蕩器.結(jié)果表明，所提振蕩器在電源電壓低至1 V時(shí)，輸出頻率2.737 MHz，功耗約0.8 μW;以1 V電源電壓下的輸出頻率為參考，電源電壓在0.9 ～ 2.1 V變化范圍內(nèi)，輸出頻率波動(dòng)不超過0.23%.綜上，該振蕩器在低電壓、低功耗等指標(biāo)方面表現(xiàn)良好，在寬電源范圍內(nèi)輸出頻率穩(wěn)定性高，符合無(wú)源RFID電子標(biāo)簽振蕩器設(shè)計(jì)要求.

參考文獻(xiàn)

[1]? ?ZHOU Z，CHEN B，YU H. Understanding RFID counting protocols [J]. IEEE/ACM Transactions on Networking，2016，24（1）：312—327.

[2]? ?SOLIC P，BLAZEVIC Z，SKILJO M，et al. Gen2 RFID as IoT enabler：characterization and performance improvement [J]. IEEE Wireless Communications，2017，24（3）：33—39.

[3]? ?劉偉峰，莊奕琪，周俊潮，等. 一種用于UHF RFID標(biāo)簽的高穩(wěn)定度時(shí)鐘電路[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，38（4）：71—76.

LIU W F，ZHUANG Y Q，ZHOU J C，et al. Clock generator with high stability for the UHF RFID chip [J]. Journal of Xidian University，2011，38（4）：71—76. （In Chinese）

[4]? ?LIN Y S，GUO Z Y，HUANG Y S，et al. A low-power UHF passive RFID transponder chip in 0.18μm CMOS[C]// Wireless Power Transfer Conference. Taipei：IEEE，2017：1—5.

[5]? ?GEORG S，MANUEL F，THOMAS U. Ultra low power ring oscillator based true random number generator for passive UHF RFID tags[C]// Wireless Sensors and Sensor Networks. Anaheim：IEEE，2018：99—102.

[6]? ?FARZEEN S，REN G，CHEN C. An ultra-low power ring oscillator for passive UHF RFID transponders [J]. Midwest Symposium on Circuits & Systems，2010，12（8）：558—561.

[7]? ?曾健平，章兢，謝海情，等. 1.8GHz寬帶低相位噪聲CMOS壓控振蕩器設(shè)計(jì)[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，34（6）：37—40.

ZENG J P，ZHANG J，XIE H Q，et al. Design of a 1.8 GHz wide-band，low-phase-noise CMOS VCO [J]. Journal of Hunan University （ Natural Sciences），2007，34（6）：37—40. （In Chinese）

[8]? ?KAMALINEJAD P，KEIKHOSRAVY K，MOLAVI R，et al. An ultra-low-power CMOS voltage-controlled ring oscillator for passive RFID tags [C]// New Circuits and Systems Conference. Trois-Rivieres：IEEE，2014：456—459.

[9]? ?MICHAL V. On the low-power design，stability improvement and frequency estimation of the CMOS ring oscillator [C]// Radioelektronika. Brno：IEEE，2012：1—4.

[10] MOHAMMADI A，MOHAMMADI M，ZAHIRI S H. Design of optimal CMOS ring oscillator using an intelligent optimization tool [J]. Soft Computing，2019，22（24）：8151—8166.

[11] CHOI E Y，LEE D H，LIM J I. Anti-cloning protocol suitable to EPCglobal Class-1 Generation-2 RFID systems[J]. Computer Standards & Interfaces，2009，31（6）：1124-1130

[12] SADEGHI N，SHARIF-BAKHTIAR A，MIRABBASI S. A 0.007 mm2，108 ppm/°C，1 MHz relaxation oscillator for high-temperature applications up to 180°C，in 0.13-μm CMOS [J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems I Regular Papers，2013，60（7）：1692—1701.

[13] CILEK F，SEEMANN K，BRENK D，et al. Ultra low power oscillator for UHF RFID transponder[C]// Frequency Control Symposium，2008 IEEE International. Honolulu：IEEE，2008：418—421.