上电复位电路 - 基于无源超高频UHF RFID应答器芯片的射频电路设计

2.4 上电复位电路

上电复位电路有两个主要作用，一是当应答器进入询问器或读卡器的有效区域，电源电压己经达到正常工作电位时，产生整个芯片的复位信号；其次是当电源电压突然降低时，该电路可以通过复位防止逻辑电路出现功能错误。图8是上电复位电路图，该电路的上电复位延迟时间为10μs。当际从零开始不断增大并超过起拉电压2.4V时，P管MP1和N管MN1率先导通，使得A、B点电位从0开始随着喻的增大而逐步上升，经过反相器，MP2和MN2管栅极电压都随着VDD的上升呈线性变化，所以在开始阶段MN2导通，MP2截止，致使C点电压一直为0（有效复位）。当VDD到达更高电位时，A点电位也同时上升到一定电平，使得MN2管截止，而此时MP2管导通，使C点电位迅速上升，经过几级缓冲器，就得到了一个从逻辑0到1的跳变信号输出，从而使电路开始正常工作。而后面的几级缓冲器加电容负载的级联是为了获得大约10μs，的时间延迟，即当VDD高于2.4V且保持10μs后复位信号完成跳变，从而实现电路稳定工作，其仿真结果如图9所示。

图8 上电复位电路原理图

图9 上电复位电路仿真结果

2.5 本地振荡器和时钟产生电路

与13.56MHz的HF应答器不同，915MHz的UHF应答器不能从载波中分频得到本地时钟，而只能通过内建一个低功耗的本地振荡器为数字逻辑电路部分提供时钟，由于协议中规定时钟频率可以接受±30%的误差，对于时钟频率的精度要求不高，因此可以采用比较简单的振荡器结构以降低芯片功耗。经过分析，我们决定采用奇数级全差分反相器组成的环形振荡器，这不但可以很好地抑制共模电压的变化，而且还可以获得很好的电源抑制特性。图10为本地振荡器与时钟产生电路原理图。经过仿真测试，在考虑温度、电源电压和工艺角变化的全条件情况下，该电路输出频率约为250kHz ，其变化误差保证了数据的位速率精度（bit rate accuracy）小于VDD15%，对逻辑电路性能没有任何影响，较好的满足了系统设计要求。图11为仿真获得的时钟信号。

图10 本地振荡器与时钟产生电路原理图

图11 仿真得到的时钟信号3 测试结果与分析

该射频电路芯片采用支持肖特基二极管和EEPROM的Chartered 0.35μm 2P4M CMOS工艺进行流片。其不含I/O焊盘（PAD）的核心电路芯片面积为300μm×720μm。除两个PAD用于连接外部天线以外，其余PAD均用于芯片功能测试。图12为射频电路芯片连接外部天线后与读卡器进行通信测试获得的波形图，测试采用北京清华同方微电子有限公司符合ISO/IEC 18000-6B标准的THM6BC1-915型UHF RFID读卡器进行。其中图12（a）是在接收到读卡器发射的射频信号后，经过整流器和稳压器电路得到的VDD波形，其平均值为3.3V，仅有小于20mV的纹波，很好地满足了设计指标要求。图12（b）为经射频电路芯片解调得到的由读卡器发送的数字信号。经测试，在EIRP为4W（36dBm）且天线增益为OdB的情况下，该射频电路芯片工作在915MHz，其读取距离大于3m，工作电流小于8μA。

图12 射频电路芯片的测试波形图

3 结 论

本论文提出了一种符合ISO/IEC 18000-6B标准的高性能低功耗无源UHF RFID应答器芯片射频电路，该射频电路工作于915MHz，除天线外无外接元器件，通过肖特基二极管整流器从射频电磁场接收能量。采用支持肖特基二极管和EEPROM的Chartered 0.35μm 2P4M CMQS工艺进行流片，其核心面积为300μm×720μm。该RFID射频电路包括本地振荡器、时钟产生电路、复位电路、匹配网络和反向散射电路、整流器、稳压器以及AM解调器等几个主要模块。本文通过对各模块电路的设计与优化，设计出符合标准要求的低功耗射频电路。采用符合ISO/IEC 18000-6B标准的THM6BC1-915Y2型UHF RFID读卡器进行了测试，测试结果表明读取距离大于3m，其结果很好的满足了无源UHF RFID应答器系统的指标要求。