低功耗高动态范围的915mhz无源射频标签

　　一种低功耗高动态范围的915MHz无源射频标签

　　摘要 ：设计了一种适用于NCITS一256—1999协议的915MHz无源射频只读，标签芯片具有低功耗、高动态范围的特点，1．6V 电源电压下模拟前端的静态工作电流为1．6 A，芯片正常工作所需要的最小射频信

　　1 、引言无线射频识别（RFID技术，是利用无线射 频方式 在读卡 器和 射频标 签之 间进 行非接 触双 向数 据传 输 ，以达到目标识别和数据交换 的 目的．工作于125kHz和 13．56MHz等 低频 频段 的标 签设 计 技 术已趋 于成熟 ，目前 国 内 外 的研 究 热 点 主要 集 中在 超高频 （UHF）频 段 和微 波频 段 的无 源 标 签 设 计 以 及微 波频 段 的片上 天线 设 计 等 方 面 ，国 内 尚未 见 到 有关 UHF及 微 波频 段 完 整 标 签 设 计 和测 试 的报 道 ．对 于无 源 RFID 标签 来 说 ，其 最 重 要 的参 数 就 是 工作距 离 ，而提高工作距 离的主要途径 在于 降低芯 片功耗 和 电源 电压 ．当标 签 位 于读 卡 器 场 区 的不 同位 置时 ，输 入功率 的变化 范围可达 几十 dB，因此 芯片还 必须 能够处理动态范 围很 大 的信号 ．这些都是 无源标 签设 计中的关键 问题 ，也是 当前研究 的热 点问题 ．本 文提 出了 一种 与 NCITS一256—1999协 议 兼 容的 915MHz无源 射频 只读标 签 ，通 过对 射 频前 端 电源电路 和解 调 电路 在器 件 、电路结 构等 方面 的优化 ，降低芯 片功耗 并扩 大 芯 片 工 作 动态 范 围．文 中给 出了完整 芯片 的仿真 和测 试结果 ．

　　2 系统结构标签 主要 由 电源 恢 复 电路 、解 调 电路 、调 制 电路 、时钟 电路 、复位 电路 、偏置 电路 、数字 电路 等部分组 成 ．电源恢 复 电路 从 电磁场 中恢 复 出直流 电压 ，为芯 片供 电 ；解 调 电路 将 读 卡 器 发 送 给标 签 的射 频信号 转化 为数字 基带 信 号 ；调 制 电路 通过 改 变 从 标签天 线端看 进 去的 芯片 输 入 阻 抗 ，达 到 反 向散 射 调 制的 目的 ；时钟 电路 为数 字 电路 提供 时钟 信号 ；复位 电路 在 电源 电压 上升 到可 以工 作 的幅度 时产生 复位 信号 ，强制 数字 电路 进入 一个 已知状 态 ；偏置 电路 为模拟前 端各 模块 提供 偏 置 电流 ；数 字 电路 负责 处 理 基带信 号 ，进 行 指令译 码 ，并 向读卡 器返 回标签 所存储的信 息等 ．

　　3 各 电路模块的设计 3．1 电源恢 复 电路及调 制 电路电源 恢复 电路 的结 构如 图 1（a）所示 ．当标 签 离读 卡器较 远 时 ，标签 接 收到 的射频 信号很 微弱 ，只有几 百毫伏 ．为了在 远距 离下 获得合 理 的工作 电压 ，电源恢 复 电路 采 用 了 9级 Dickson倍 压 电路 的形式 ．在不 考虑 寄生 效应 的情 况 下 ，Ⅳ 级 Dickson倍 压 电路所 能获 得 的 电源 电压 为_1］： VDD = 2N （VD，RF— Vf，D） （1） 式 中 Ⅳ 是 倍压 电路 的级 数 ；V仉R是 输入 射频 信 号的幅度 ；V 是 构 成 倍 压 电路 的二 极 管 上 的正 向压降 ．为提 高倍 压效率 ，即在相 同 的射频 输入信 号 幅度下 获得 更 高 的 电源 电压 ，需 要 减 小 r．D．肖特 基 二极管 由于 具有较 低 的 阈值 电 压 ，一 般 被使 用 在 标签的电源电路中_1］．但标准 CMOS工艺下不提供 肖特基二 极 管 ．为 了与 标 准 CMOS工 艺 兼 容 ，在 该 电源恢复 电路 中采用 了零 阈值 管 和低 阈值 管 ．前 6级使用栅 漏短 接 的零 阈值 nMOS管 ，因 为它 的 阈值 电压在衬偏 为零 的情 况 下 只有 0．05V 左 右 ．考 虑到 随 着电路 级数 的增 加 ，零 阈值 nMoS管 源极 的直流 电压越来 越高 ，衬偏 效应 越来 越显 著 ，使 得 其 阈值 显著 增加 ，因 此 后 3级 改 用 低 阈 值 pMOS管 ．这 里 对 pMOS管 的衬底 接 法作 了 改进 ，普 通 二 极 管 接 法 的 pMOS管其 衬底 是 与 源极 相 连 的 ，而 这 里 将 衬 底 与栅 （漏 ）极 接在 一起 ，这对 于 提 高倍 压 电路 的效 率 有如 下 好 处 ：当 射 频 信 号 通 过 pMOS管 向 电 容 充 电时 ，管子 的漏极 电压 低于 源极 电压 ，衬底 与漏 极相连使得衬偏 电压为负，从而等效阈值电压降低 ，