本文針對超高頻無源RFID 標籤晶元的設計，給出了一些關鍵電路的設計考慮。文章從UHF RFID標籤的基本組成結構入手，先介紹了四種電源恢複電路結構，以及在標準CMOS 工藝下製作肖特基二極體來組成倍壓電路的解決方案。然後針對電源穩壓電路，提出了串聯型和並聯型兩種穩壓電路。文章針對ASK 包絡解調電路，提出了新的泄流源的設計。最後，文章介紹了啟動信號產生電路的設計考慮。
1 引言
超高頻無源RFID 標籤(UHF Passive RFIDTag)是指工作頻率在300M~3GHz 之間的超高頻頻段內，無外接電源供電的RFID 標籤。這種超高頻無源RFID 標籤由於其工作頻率高，可讀寫距離長，無需外部電源，製造成本低，目前成為了RFID 研究的重點方向之一，有可能成為在不
久的將來RFID 領域的主流產品。
對於UHF 頻段RFID 標籤的研究，國際上許多研究單位已經取得了一些出色的成果。例如，Atmel 公司在JSSC 上發表了最小RF 輸入功率可低至16.7μW的UHF 無源RFID 標籤[1]。這篇文章由於其超低的輸入功率，已經成為RFID 標籤設計的一篇經典文章，被多次引用。在2005 年，JSSC 發表了瑞士聯邦技術研究院設計的一款最小輸入功率僅為2.7μW，讀寫距離可達12m 的2.45G RFID 標籤晶元[2]。在超小、超薄的RFID 標籤設計上，日本日立公司在2006年ISSCC 會議上提出了面積僅為0.15mm×0.15mm，晶元厚度僅為7.5μm 的RFID 標籤晶元。國內在RFID 標籤領域的研究，目前與國外頂尖的科研成果還有不小的差距，需要國內科研工作者加倍的努力。
圖1 UHF 無源RFID 晶元的結構圖
如圖1 所示，一個完整超高頻無源RFID 標籤由天線和標籤晶元兩部分組成，其中，標籤晶元一般包括以下幾部分電路：
無源RFID 標籤晶元工作時所需要的能量完全來源於讀卡器產生的電磁波的能量，因此，電源恢複電路需要將標籤天線感應出的超高頻信
號轉換為晶元工作需要的直流電壓，為晶元提供能量。本文第2 部分將介紹電源恢複電路的設計。由於RFID 標籤所處的電磁環境是十分複雜
的，輸入信號的功率可以變化幾百甚至幾千倍，因此，為了晶元在大小不同的場強中均可以正常工作，必須設計可靠的電源穩壓電路。本文第3部分將對電源穩壓電路的設計進行說明。調製與解調電路是標籤與讀卡器進行通信的關鍵電路，目前絕大部分的UHF RFID 標籤採用的是ASK調製，本文在第4 部分對調製與解調進行介紹。RFID 標籤的控制單元是處理指令的數字電路。為使標籤在進入讀卡器場區后，數字電路可以正確複位，以響應讀卡器的指令，必須設計可靠的啟動信號產生電路，用來提供數字單元的複位信號。本文在第5 部分將討論啟動信號產生電路的設計。
2 電源恢複電路
電源恢複電路將RFID 標籤天線所接收到的超高頻信號通過整流、升壓等方式轉換為直流電壓，為晶元工作提供能量。電源恢複電路具有多種可行的電路結構。如圖2 所示是目前常用的幾種電源恢複電路[3][4]。
圖2 (a) 二極體倍壓電路(Dickson 電荷泵)
圖2 (b) 二極體接法pmos 管倍壓電路
圖2 (c) 二極體全波整流電路
圖2 (d) 柵交叉耦合的NMOS、PMOS 管橋式整流電路
在這些電源恢複電路中，並不存在最理想的電路結構，每種電路都有各自的優點及缺陷[3]。在不同的負載情況、不同的輸入電壓情況、不同的輸出電壓要求以及可用的工藝條件下，需要選擇不同的電路以使其達到最優的性能。圖2(a)所示的多級二極體倍壓電路，一般採用肖特基勢壘二極體。它具有倍壓效率高、輸入信號幅度小的優點，應用十分廣泛[5]。但是，一般代工廠的普通CMOS 工藝不提供肖特基勢壘二極體，在工藝的選擇上會給設計者帶來麻煩。圖2(b)是用接成二極體形式的PMOS 管來代替肖特基二極體，避免了工藝上的特殊要求。這種結構的倍壓電路需要有較高的輸入信號幅度，在輸出電壓較高時具有較好倍壓效率。圖2(c)是傳統的二極體全波整流電路。與Dickson 倍壓電路相比，倍壓效果更好，但引入了更多的二極體元件，功率轉換效率一般略低於Dickson 倍壓電路。另外，由於它的天線輸入端與晶元地分離，從天線輸入端向晶元看去，是一個電容隔直的全對稱結構，避免了晶元地與天線的相互影響，適合於與對稱天線（例如偶極子天線）相接。圖2(d)是許多文獻提出的全波整流電路的CMOS 管解決方案[4]。在工藝受限的情況下，可以獲得較好的功率轉換效率，並且對輸入信號幅度的要求也相對較低[3]。
在一般的無源UHF RFID 標籤的應用中，出於成本的考慮，希望晶元電路適合於普通CMOS工藝的製造。而遠距離讀寫的要求對電源恢複電路的功率轉換效率提出了較高的要求。為此，很多設計者採用標準CMOS 工藝來實現肖特基勢壘二極體[6]，從而可以方便地採用多級Dickson倍壓電路結構來提高電源轉換的性能[3]。圖3 所示是普通CMOS 工藝製造的肖特基二極體結構示意圖。在設計中，不需要更改工藝步驟和掩膜板生成規則，只需在版圖上作一些修改，就可以製作出肖特基二極體。
圖3 普通CMOS 工藝製造的肖特基二極體結構示意圖
圖4 所示是在UMC 0.18um CMOS 工藝下設計的幾種肖特基二極體的版圖。它們的直流特性測試曲線如圖5 所示。從直流特性的測試結果
上可以看到，標準CMOS 工藝製造的肖特基二極體具有典型的二極體特性，並且開啟電壓只有0.2V 左右，非常適合應用於RFID 標籤。
圖4 幾種肖特基二極體的版圖
圖5 幾種肖特基二極體的直流特性曲線
3 電源穩壓電路
在輸入信號幅度較高時，電源穩壓電路必須能保證輸出的直流電源電壓不超過晶元所能承受的最高電壓；同時，在輸入信號較小時，穩壓
電路所消耗的功率要盡量的小，以減小晶元的總功耗。
從穩壓原理上看，穩壓電路結構可以分為並聯式穩壓電路和串聯式穩壓電路兩種。並聯式穩壓電路的基本原理如圖6 所示。
圖6 並聯型穩壓電路結構
在RFID 標籤晶元中，需要有一個較大電容值的儲能電容存儲足夠的電荷以供標籤在接收調製信號時，仍可在輸入能量較小的時刻（例如OOK調製中無載波發出的時刻），維持晶元的電源電壓。如果輸入能量過高，電源電壓升高到一定程度，穩壓電路中電壓感應器將控制泄流源將儲能電容上的多餘電荷釋放掉，以此達到穩壓的目的。圖7 是其中一種並聯型穩壓電路。三個串聯的二極體D1、D2、D3 與電阻R1 組成電壓感應器，控制泄流管M1 的柵極電壓。當電源電壓超過三個二極體開啟電壓之和后，M1 柵極電壓升高，M1 導通，開始對儲能電容C1 放電。
圖7 一種並聯型穩壓電路
另外一類穩壓電路的原理則是採用串聯式的穩壓方案。它的原理圖如圖8 所示。參考電壓源是被設計成一個與電源電壓無關的參考源。輸
出電源電壓經電阻分壓后與參考電壓相比較，通過運算放大器放大其差值來控制M1 管的柵極電位，使得輸出電壓與參考源基本保持相同的穩定狀態。
圖8 串聯型穩壓電路
這種串聯型穩壓電路可以輸出較為準確的電源電壓，但是由於M1 管串聯在未穩壓電源與穩壓電源之間，在負載電流較大時，M1 管上的
壓降會造成較高的功耗損失。因此，這種電路結構一般應用於功耗較小的標籤電路中。
4 調製與解調電路
A． 解調電路
出於減小晶元面積和功耗的考慮，目前大部分無源RFID 標籤均採用了ASK 調製。對於標籤晶元的ASK 解調電路，常用的解調方式是包絡檢波的方式，如圖9 所示[1]。
圖9 ASK 包絡檢波解調電路
包絡檢波部分與電源恢復部分的倍壓電路基本相同，但是不必提供大的負載電流。在包絡檢波電路的末級並聯一個泄電流源。當輸入信號被調製時，輸入能量減小，泄流源將包絡輸出電壓降低，從而使得後面的比較器電路判斷出調製信號。由於輸入射頻信號的能量變化範圍較大，泄流源的電流大小必須能夠動態的進行調整，以適應近場、遠場不同場強的變化。例如，如果泄流電源的電流較小，在場強較弱時，可以滿足比較器的需要，但是當標籤處於場強很強的近場時，泄放的電流將不足以使得檢波后的信號產生較大的幅度變化，后級比較器無法正常工作。為解決這個問題，可以採用如圖10 所示的泄流源結構。
圖10 包絡檢波電路
在輸入載波未受調製時，泄流管M1 的柵極電位與漏極電位相同，形成一個二極體接法的NMOS管，將包絡輸出鉗位在M1 的閾值電壓附近，此時輸入功率與在M1 上消耗的功率相平衡；當輸入載波受調製后，晶元輸入能量減小，而此時由於延時電路R1、C1 的作用，M1 的柵極電位仍然保持在原有電平上，M1 上泄放的電流仍保持不變，這就使得包絡輸出信號幅度迅速減小；同樣，在載波恢復后，R1 和C1 的延時使得包絡輸出可以迅速回復到原有高電平。採用這種電路結構，並通過合理選擇R1、C1 的大小以及M1的尺寸，即可滿足在不同場強下解調的需要。包絡輸出後面所接的比較器電路也有多種可以選擇的方案，常用的有遲滯比較器、運算放大器等。也可以簡化為用反相器來實現。
B．調製電路
無源UHF RFID 標籤一般採用反向散射的調製方法，即通過改變晶元輸入阻抗來改變晶元與天線間的反射係數，從而達到調製的目的。一般設計天線阻抗與晶元輸入阻抗使其在未調製時接近功率匹配，而在調製時，使其反射係數增加。常用的反向散射方法是在天線的兩個輸入端間並聯一個接有開關的電容，如圖11 所示，調製信號通過控制開關的開啟，決定了電容是否接入晶元輸入端，從而改變了晶元的輸入阻抗。
圖11 反向散射調製電路
5 啟動信號產生電路
電源啟動複位信號產生電路在RFID 標籤中的作用是在電源恢復完成後，為數字電路的啟動工作提供複位信號。它的設計必須要考慮以下幾點問題[7]：
通常，無源RFID 標籤進入場區后，電源電壓上升的時間並不確定，有可能很長。這就要求設計的啟動信號產生電路產生啟動信號的時刻
與電源電壓相關。圖12 所示是一種常見的啟動信號產生電路[8]。
圖12 啟動信號產生電路
它的基本原理是利用電阻R0 和NMOS 管M1組成的支路產生一個相對固定的電壓Va，當電源電壓vdd 超過NMOS 管的閾值電壓后，Va 電壓
基本保持不變。隨著vdd 的繼續升高，當電源電壓達到Va＋|Vtp|時，PMOS 管M0 導通使得Vb升高，而此前由於M0 截止，Vb 一直處於低電平。這種電路的主要問題是存在著靜態功耗。並且由於CMOS 工藝下MOS 管的閾值電壓隨工藝的變化比較大，容易受工藝偏差的影響。因此，利用pn 結二極體作啟動電壓的產生會大大減小工藝的不確定性，如圖13 所示。
圖13 改進后的啟動信號產生電路
當VDD 上升到兩個pn 結二極體的開啟電壓之前，PMOS 管M0 柵極與電源電壓相等，PMOS 管關斷，此時電容C1 上的電壓為低電平。當VDD 上升到超過兩個二極體閾值電壓后，M0 開始導通，而M1 柵極電壓保持不變，流過M1 的電流保持不變，電容C1 上電壓逐漸升高，當其升高到反相器發生翻轉后，就產生了啟動信號。因此，這種電路產生啟動信號的時間取決於電源電壓是否達到兩個二極體的閾值電壓，具有較高的穩定性，避免了一般啟動電路在電源電壓上升過慢時，會導致開啟信號出現過早的問題。
如果電源電壓上升的時間過快，電阻R1 和M0 的柵電容構成了低通延時電路，會使得M0 的柵極電壓不能迅速跟上電源電壓的變化，仍然維持在低電平上，這時M0 就會對電容C1 充電，導致電路不能正確工作。為解決這一問題，引入電容C5。如果電源電壓上升速度很快，電容C5 的耦合作用能夠使得M0 的柵極電位保持與電源電壓一致，避免了上述問題的發生。
該電路仍然存在的靜態功耗的問題，可以通過增大電阻值，合理選擇MOS 管尺寸來降低靜態功耗的影響。要想完全解決靜態功耗的問題則需要設計額外的反饋控制電路，在啟動信號產生后關斷這部分電路。但是，需要特別注意引入反饋后產生的不穩定態的問題[7]。
6 結論
本文所介紹的一些RFID 標籤的主要電路，大部分已經經過了流片的驗證。圖14 是我們所設計的一款RFID 標籤晶元。晶元面積0.7mm×
1.0mm，在36dBm EIRP 下，可在6 米處讀出標籤卡號。圖15 是2.45GHz 帶有片上天線設計的RFID 標籤。在42dBm EIRP 下，該晶元可在40cm處產生響應。
無源UHF RFID 晶元的設計難點是圍繞著如何提高晶元的讀寫距離、降低標籤的製造成本展開的。因此，提高電源恢複電路的效率，降低整體晶元的功耗，並且工作可靠仍然是RFID 標籤晶元設計主要的挑戰。
圖14 RFID 標籤晶元照片
圖15 2.45GHz 帶片上天線的RFID 標籤照片
參考文獻
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[2] Jari-Pascal Curty. Remotely Powered Addressable UHF RFID Integrated System. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 40, NO. 11,NOVEMBER 2005
[3] Giuseppe De Vita and Giuseppe Iannaccone. Design Criteria for the RF Section of UHF and Microwave Passive RFID Transponders. Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on Volume 53, Issue 9, Sept. 2005 Page(s):2978 – 2990
[4] Facen, A.; Boni, A.. Power Supply Generation in CMOS Passive UHF RFID Tags. Research in Microelectronics and Electronics 2006, Ph. D. 12-15 June 2006 Page(s):33 – 36
[5] Auto-ID lib. RFID Analog Front End Design Tutorial.
[6] Sankaran, S.; O, K.K.. Schottky diode with cutoff frequency of 400 GHz fabricated in 0.18 um CMOS.Electronics Letters Volume 41, Issue 8, 14 April 2005 Page(s):506 - 508
[7] Yasuda, T.R. A power-on reset pulse generator for low voltage applications. Circuits and Systems, 2001. ISCAS 2001. The 2001 IEEE International Symposium on Volume 4, 6-9 May 2001 Page(s):599 - 601 vol. 4
[8] Choungki SONG. A Power-On-Reset Pulse Generator Referenced by Threshold Voltage without Standby Current.IEICE Trans. Electron., VOL.E87-C, NO.9 September 2004
[admin via 研發互助社區 ] 超高頻無源RFID標籤的一些關鍵電路的設計已經有5436次圍觀
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