（通信与信息系统专业论文）uhf+rfid标签芯片关键电路设计.pdf

摘要 摘要 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术利用无线电波传输信号， 是一项能够自动、便捷、准确地识别相关信息的技术。该技术是近年来i t 行业和 物流行业研究的热点，它的应用覆盖了政府、物流( 含邮政) 、制造业、交通运输业、 通信业等多个行业，被业界认为是本世纪最有前途的应用技术之一。紧跟世界经 济步伐，我国政府和企业开始重视物联网的建立，这和r f l d 技术紧紧相连，而 u h f 频段的r f i d 技术具有传输距离远、传输速度快、识别标签数目多等明显的 优势，是e p c ( 产品电子代码，e l e c t r o n i c p r o d u c t c o d e ) 的核心技术。因此，研究 u h f 频段的r f i d 关键技术具有非常重要的意义。 本论文基于最新的i s o i e c18 0 0 0 6 b c 标准，先介绍了r f i d 的应用现状、 发展方向和频段分配原理，给出了r f i d 的系统原理和标签芯片的电路架构，其次 对u h f 频段无源电子标签的射频模拟前端各模块电路进行划分，基于t s m c 0 1 8 u mc m o s 混合信号工艺对高效率肖特基二极管整流电路、低功耗基准稳压电 路以及上电复位电路进行了详细的指标分析并给出了设计方案，然后对所设计的 电路进行前端仿真、制作相关电路版图并给出版图仿真结果。最后，本论文设计 的电路已提交m p w 流片，文中给出了相关测试结果并对测试结果进行了分析。 关键词：u h fr f i d ，i s o1 8 0 0 0 6 b c ，标签芯片，肖特基二极管，整流电路， 基准稳压源，上电复位电路 a b s t r a c t a b s t r a c t r f i di sat e c h n o l o g yw h i c hc a nt r a n s m i ts i g n a l sv i ae l e c t r o m a g n e t i cw a v ea n d i d e n t i f yr e l e v a n ti n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l y , c o n v e n i e n t l y , a n da c c u r a t e l y e x t r e m e l y l a r g em o u n to fr e s e a r c hh a sb e e nc o n d u c t e do nt h i st e c h n o l o g yi ni ti n d u s t r ya n d l o g i s t i c s ，i n c l u d i n gg o v e r n m e n t ，l o g i s t i c s( d e l i v e r yi n c l u d e d ) ，m a n u f a c t u r e ， t r a n s p o r t a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n ，e t c i t sw i d e l ya c c e p t e dt h a tr f i di so n eo ft h em o s t p r o m i s i n gt e c h n o l o g yi nt h i sc e n t u r y w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m y , c h i n ai s b e c o m i n go n eo ft h eb i g g e s te p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) c u s t o m e r s s i n c ep r e m i e r 殍勃p r o p o s e dt h a tc h i n as h o u l dh a v ei t so w ni n t e r n e to ft h i n g s 。g o v e r n m e n ta n d b u s i n e s sb e g i nt os u p p o r ti t f r o mt h e no n ，i n t e r n e to ft h i n g sa n dr f i dt e c h n o l o g ya r e c l o s e l yc o n n e c t e d m o r e o v e r , f a r t h e ra n df a s t e rt r a n s m i s s i o na n dc a p a b i l i t yo f i d e n t i f y i n gm o r et a g sm a k eu h f r f i dt h ec o r et e c h n o l o g yo fe p c s ot h a tr e s e a r c ho n t h ek e yt e c h n o l o g yo fu h fr f i di sm e a n i n g f u l b a s e do nt h er e c e n ti s o i e c18 0 0 0 - 6 b cs t a n d a r d t h i sp a p e rf i r s tb r i e f l y i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fr f i ds y s t e ma n dt h ee l e c t r o n i cc i r c u i to ft h et a g t h e ni t f o c u s e so nt h ed e s i g n a t i o no ff r o n tr fa n a l o g yc i r c u i to fp a s s i v er f i dc h i p so nu h f b a n d m e a n w h i l e ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep a r a m e t e r so fh i g he f f i c i e n ts c h o t t k yd i o d e r e c t i f i e r , l o wp o w e rv o l t a g er e g u l a t o ra n dp o w e r - o n - r e s e tc i r c u i ti nd e t a i la n dp r e s e n t s t h ed e s i g ns o l u t i o nb a s e do nt h et s m co 18 u mc m o sm i x e ds i g n a lt e c h n o l o g y t h e n i ts i m u l a t e st h ed e s i g n e dc i r c u i tb e f o r el a y o u t ，m a k e st h ec o h e r e n tl a y o u ta n dp r o v i d e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h el a y o u t t h ec i r c u i ti nt h ep a p e rb a s e do nt s m c0 18 u r nh a sb e e nt a p p e do u tw i t h c o h e r e n ts i m u l a t i o nr e s u l t k e y w o r d s ：u h fr f i d ，i s o18 0 0 0 6 ，t a gc h i p s ，s c h o t t k y , r e g u l a t o r , p o r ，c h i p t e s t i n g i l 图目录 图目录 图2 2r f i d 系统的原理框图6 图2 3u h f 频段标签芯片结构框图一9 图3 1 几种常见的整流电路1 3 图3 2 无源r f i d 标签芯片的等效电路1 7 图3 3 基于肖特基二极管的整流电路原理图2 1 图3 4m o s 管的i v 特性曲线2 2 图3 5 整流电路仿真环境2 2 图3 - 6 整流电路输出曲线2 3 图3 7 肖特基二极管整流电路版图2 5 图3 8 传统的基准电路2 9 图3 - 9p t a t 电流结构3 0 图3 1 0 基准稳压源电路原理图3 2 图3 1 1 稳压电路仿真环境。3 4 图3 1 2 低电压输出仿真图3 4 图3 1 3 高电压输出仿真图。3 5 图3 1 4 低电压驱动能力仿真图3 6 图3 1 5 高电压负载驱动能力仿真图一3 6 图3 1 6 低电压波动仿真图3 7 图3 1 7 输出高电压波动仿真图。3 8 图3 1 8 低电压电源噪声抑制比3 8 图3 1 9 高电压电源噪声抑制比。3 9 图3 2 0 稳压基准源的版图4 0 图3 2 1 低电压输出仿真图4 0 图3 2 2 高电压输出仿真图4 1 图3 2 3 低电压负载驱动能力仿真图4 2 图3 2 4 高电压负载驱动能力4 3 图3 2 5 低电压输出波动范围4 3 图3 2 6 高电压输出波动仿真图4 4 v 图目录 图3 2 7 低电压的电源噪声抑制比4 5 图3 2 8 高电压的电源噪声抑制比4 5 图3 2 9 上电复位电路结构图4 8 图3 3 0 取样电压随电源电压的变化图。4 9 图3 3l 反相器工作原理4 9 图3 3 2 充放电电路曲线5 0 图3 3 3p o r 电路的输入源5 0 图3 3 4p o r 电路的输出波形5 1 图3 3 5p o r 电路的版图5 2 图3 3 6p o r 电路的后端仿真输出波形5 2 图3 3 7 标签芯片射频模拟前端系统仿真框图5 3 图3 3 8 基准稳压源电路输出。5 4 图3 3 9p o r 电路的输出5 4 图4 1 标签芯片射频模拟前端测试版图5 6 图4 2 标签芯片测试板5 6 图4 3 标签系统芯片的版图5 7 图4 5 整流电路测试系统5 8 图4 6 稳压基准源测试系统6 l 图4 7p o r 测试方案6 4 v i 表目录 表目录 表1 1 8 4 0 - 9 6 0 m h z 频段划定情况3 表3 1 整流电路的技术指标1 4 表3 2 输入信号幅度随频率变化16 表3 3 输入阻抗q 值下的芯片输入电压18 表3 4l 对q 值的影响1 9 表3 5w 对q 值的影响1 9 表3 - 6n f 对q 值的影响1 9 表3 7 不同w l 尉f 值的单个s b d 的i v 特性2 0 表3 8 低电压驱动能力测试结果表2 3 表3 - 9 高电压驱动能力和整流电路效率测试结果表2 4 表3 1 0 频率为9 1 5 m h z 的输入阻抗2 4 表3 1 l 低电压驱动能力后仿真测试结果表2 5 表3 1 2 高电压驱动能力以及整流电路效率后仿真测试结果表2 6 表3 1 3 频率为9 1 5 m h z 输入阻抗2 6 表3 1 4 稳压电路的技术指标2 7 表3 1 5p o r 电路的平均功耗和脉冲宽度5 1 表3 1 6p o r 电路的平均功耗和脉冲宽度5 3 表4 2 低电压驱动能力测试5 9 表4 3 高电压驱动能力测试6 0 表今4 基于肖特基二极管的整流电路阻抗6 0 表4 5 低电压负载驱动能力6 1 表4 6 高电压负载驱动能力6 2 表4 7 高电压电源噪声抑制比6 2 表4 8 低电压电源噪声抑制比6 3 表4 9 上电复位电路待测信号6 4 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：台即日期：洲口年多月彳日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 台m ， 导师签名：盏型堑量7 日期：刎p 年移月午日 第章前言 1 1 研究背景 第一章前言 无线射频技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 已经有数十年的历史了， 它是近年来i t 行业和物流行业非常热门的一项应用技术，物联网的建立和发展是 离不开r f i d 技术的。 r f i d 技术是自动识别技术的一种，从广义上讲，它具有两大特点：1 、传输 方式是无线电波传输，2 、带有特定的识别信息。其简单的工作流程是：射频信号 在空间耦合并且传输，然后来自动识别静止或移动的待识别物品。r f i d 技术在完 成信息输入和处理方面，比起传统的识别方式操作更方便快捷，不需要人工参与， 不用人或机器直接接触，也不需要光学可视。因此，r f i d 技术在物流、管理、交 通、运输、生产、医疗、防伪、跟踪等一些需要收集和处理数据的应用领域应用 优势明显，r f i d 技术被认为是未来条形码标签替代品 5 7 】。 由于前期大型零售商的推动，目前，众多厂商已投资参与阅读器和标签芯片 等r f i d 相关技术的研究和开发并产业化。r f i d 技术已在全球掀起阵阵热潮，正 处于迅速上升的时期，该技术被业界公认为是本世纪最有前途应用技术之一，许 多国家都开始重视这项产业，并投入大量资金和人才，欲将r f i d 技术培育成其国 家的一项重要产业。 我国已经在r f i d 相关技术的研发及产业化工作投入了大量的资金和人力，而 且部分领域已经开始应用，尤其0 9 年，温总理在无锡视察期间说中国要建立自己 的物联网后，r f i d 技术更加受到大型企业和事业单位的重视，越来越多的企业正 着重培养大量的r f i d 技术人才。但是由于我国的r f i d 技术起步相对较晚，基础 也相对比较薄弱，掌握核心技术的人才不是很多，很多条件不具备。比较乐观的 是，我国的经济正经历着日星月异的变化，经济形势越来越好，这为r f i d 技术的 应用开放了无穷的空间。我们应抓住当前r f i d 技术与应用尚未发展成熟这一关键 时机，投入适量人和财来开展r f i d 共性技术、研究与开发出符合实际应用的产业 共性技术、制定符合国情的技术标准、申请专利、建设应用示范工程，争取早日 形成具有竞争力的核心产品，使我国在r f i d 应用领域占有举足重轻的位置。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 应用现状和发展方向 关于r f i d 技术的应用，高频和低频的被动式技术在数年前占据了研究领域和 主要市场，已逐渐走向成熟。但高频和低频系统的优先的数据传输速度使得其不 可伸缩，而且，高频和低频r f i d 系统的有效距离已经远远不能满足市场的需求。 随着物流行业的大力发展，在9 0 年代后期，超高频( u h f ) r f i d 的主动式标签 技术横空出世，吸引了世界大型厂商的眼球，国家政府和大型企业开始意识到u h f 频段r f i d 的优越性，并开始投入人力和财力研究。u h fr f i d 俨然已成为当今物 流行业的热点。 u h f 频段的r f i d 具有高频和低频标签系统不可比拟的优点：1 有更远的传输 距离，最远可达到1 0 m ；2 传输速度快；3 存储容量大；4 一次性可扫描多个标签 而且带有防碰撞系统；4 体积小，使用起来很方便；5 可重复利用寿命较长；6 、 抗恶劣环境能力强等等。超高频标签芯片的应用将加快物流行业的发展，具有更 高的商业价值，但其受到了标准的限制、技术的阻碍，而且在价格方面也没有竞 争力，这些限制了其应用领域，从目前的形式来看，超高频标签芯片系统的应用 几乎全部为小规模试点。超高频电子标签的价格正逐年下降，相关标准也受到了 美国和欧洲等国的重视，已渐渐明确了应用频段和标准协议并得到逐步完善，这 些都大大降低了r f i d 技术的应用门槛。相信在不久的将来，u h f 频段的r f i d 标 签优点完全可以盖过缺点。 观察国内r f i d 应用的行业领域，r f i d 技术已经覆盖了政府、物流行业( 含邮 政1 、交通运输业、通信业、制造业等多个行业。其中超高频r f i d 应用主要应用 领域包括集装箱、人员票据管理、资产管理、车辆管理等。我国国内行业企业正 面临着巨大的挑战，由于标准开放，国外企业能够直接合法的进军我国市场，也 带来了激烈的技术、产品、人才与资本实力等多方面的竞争，这种竞争是残酷的。 随着r 1 0 0 0 、s f 7 0 0 1 、r 2 0 0 0 等的接连面市，全球超高频市场发展被注入了新的 活力。我国超高频企业如何积极应对【2 】【3 】? 目前，我国在超高频芯片的技术研发上还相对薄弱，我们应当积极关注国际 市场在超高频r f i d 应用方面的的变化，加强投资，抓紧研发，努力提高自己的设 计水平，争取准时搭上超高频标签芯片时代的班车。 可以看出，政府非常重视超高频芯片的研发，积极参与标准的制定，并取得 了积极性的车该国。随着政府和一些企业的推动，超高频的应用已渐渐形成了很 2 第一章前言 好的闭环应用效应。0 5 年5 月，信息产业部关于8 4 0 9 6 0 m h z 频段射频识 i j ( r f i d ) 技术应用规定正式公布【l 】，具体划分如表1 1 。这一规定公布后，企业看到了机遇， 这标准的统一和频率表的开放吸引了更多其它的行业加入，批量生产超高频 r f i d 产品已逐渐由梦想成为现实，这无疑受到了国内外r f i d 业界的重视。总之， 这项规定对促进中国r f i d 产业的发展非常有利，给中国和世界超高频技术注入了 新鲜的血液。 表1 - 18 4 0 - 9 6 0 m h z 频段划定情况 国家划定情况u h f 频段 美国已划定 9 0 2 - 9 2 8 m h z 欧盟( 英德法荷等国) 已划定8 6 5 8 6 8 m h z 日本已划定 9 5 2 9 5 4 m h z 中国已划定8 4 0 8 4 5 m h z 、9 2 0 9 2 5 m h z 韩国未划定暂无 澳大利亚已划定 9 2 0 - 9 2 6 m h z 新西兰未划定暂无 加拿大 未划定暂无 印度已划定 8 6 5 8 6 7 m h z 业界人士认为：伴随着中国u h f 频段的正式批准，中国r f i d 行业将被激活， 并将逐步走向成熟，供应商和制造商将找到更大的商机，让物流供应链的产品标 识应用并与生产端整合得以实现，这将大大的推动全球零售行业、供应链行业、 产品应用领域的扩展等的发展。因为中国占有世界市场的贸易份额一直处于上升 状态，随着消费品行业的发展，服装定制、化妆品跟踪服务、管理供应链等行业 为了追求更准确、安全、高效率的服务方式，r f i d 技术的应用产品无疑是他们最 好的选择。 1 3 本文的研究内容和意义 u h fr f i d 无源电子标签芯片需从电磁场传播中获得电源以进行工作，电磁波 途径衰减后传到标签的能量是非常有限的，因而标签芯片的功耗大小直接影响到 标签的识别距离。现有的r f i d 标签芯片研究中，设计人员大多通过更可靠的电路 设计技术来降低标签芯片各模块电路功耗，如基于c m o s 的亚阈值电路、高效率 肖特基整流电路、数字部分采用异步电路、m t p 存储器等。如何设计出功耗低、 适用于r f i d 标签芯片应用的单元电路已经成为一种趋势，低功耗无疑是决定标签 电子科技大学硕士学位论文 芯片设计成功与否的关键。 本论文针对射频识别标签芯片的设计难点，在标签芯片的低功耗、低成本方 面开展了大量的研究。本论文研究的主要内容与贡献包括： ( 1 ) 分析了r f i d 系统的原理、结构和标准； ( 2 ) 针对标签芯片设计，分析了标签的结构以及各个模块的功能。 ( 3 ) 重点对肖特基二极管的整流电路效率进行研究，并设计出基于肖特基 二极管的整流电路，并进行后端仿真，流片验证； ( 4 ) 着重探讨了m o s 管的亚阈值特性，基于此项探讨设计了稳压基准源电 路，； ( 5 ) 分析了上电复位电路的功能和指标，设计出符合要求的p o r 电路，并 进行版图制作，后端仿真，流片验证； ( 6 ) 对流片结果进行测试，并对测试结果做了对比分析。 4 第二章r f i d 标签芯片的技术概念 第二章r f i d 标签芯片的技术概念 2 1r f i d 系统组成 最基本的r f i d 系统如图2 1 所示包含三个部分【5 0 】： 1 电子标签( t a g ) ：由芯片和一些耦合元器件组成。 电子标签分为有源标签和无源标签两大类，它是r f i d 系统的重要组成部分。 标签内含有天线和存储器，标签天线和射频天线间进行通信，存储器用于储存数 据信息。 2 阅读器：读取和写入标签信息的设备。 阅读器用于产生、发射射频信号并接收由标签反射回的射频信号，阅读器也 可以将数据信息写入标签。 阅读器有很多种，手持式和壁挂式的阅读器比较常见。阅读器也是r f i d 系统 的重要组成部分：首先阅读器的工作频段决定了r f i d 系统的工作频段；其次，阅 读器的发射功率和接收灵敏度直接影响射频识别系统的工作距离。 3 天线：射频信号依靠天线在标签和读取器之间传递。 与阅读器相连的天线一般均为定向天线，只有在定向波束范围内的射频标签 才能够被读和写。 除了以上三部分以外，有些系统为了进行数据交换，还会外加一个专门的服 务器系统来连接阅读器的r s 2 3 2 或r j 4 5 等接口，如所示。 r f i d 系统的三部分之间的基本工作流程 2 】：阅读器按照协议规定的频率通过 发射天线将射频信号发送出去，等待；当标签进入发射天线工作区域时，会产生 感应电流，标签便通过自身的内置天线获得能量，标签被激活；标签通过自身的 内置天线将编码信息发送出去，发送出去的信号为载波信号，标签等待；标签发 送的载波信号被系统的接收天线所接收，经天线调节器传回阅读器；阅读器对接 收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运 算判断该标签是否合法，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号 电子科技大学硕士学位论文 控制执行机构动作。 读写器 电子标签 恒到 - 能量 几磊翮一 射 射 时钟。 控 hj p i 存 频 天频制 读写 数据输入 模 线 模 数据输入 模 储 模块瓤菩丽矿 块 块块 器 一 数据输出 赫1 1 、- 一 图2 - 1r f i d 系统的原理框图 标签芯片在工作过程中可以简单地分为两个基本功能模块：射频模块( 包含 接收器和发送器) 、数字基带控制系统。 射频模块的主要功能：产生能够激活标签的高频发射能量；对发射信号进行 调制并送至天线；接收并解调来自标签的载波信号。 数字基带控制系统主要功能：控制与标签的通信过程；负责信号的编码与解 码、数据进行加密和解密；进行读写器和标签之间的身份验证；执行防碰撞算法； 与应用系统软件进行通信并执行从应用系统软件发来的动作指令。以上过程是采 用a s i c 组件和微处理器来实现的【8 】【9 10 1 。 2 2r f i d 系统工作方式 根据麦克斯韦方程和描述电磁能的波印廷矢量原理可知：电和磁在空中相互 转化，随着距离的不同，耦合的机制也就不同。初始磁场从天线上开始，在空间 感应电力线，这个范围被称作天线的近场，在天线近场电磁波传输方式为电感耦 合；随着距离的增加，电磁场脱离天线，作为电磁波进入空间，这个范围为天线 的远距离场，在远距离场，电磁波产生电磁辐射，特别在高频时，波长短，辐射 更强一些，射频识别系统的能量传输方式便从电感耦合转变为电磁反向散射藕合。 所以，射频识别系统的工作机制有两种，一种是电感耦合，另外一种是电磁反向 6 第二章r f i d 标签芯片的技术概念 散射耦合【1 2 】。 从应用方面来讲，射频标签和阅读器的工作频率范围就是整个射频识别系统 的工作频率范围，频率范围的不同决定了标签芯片的工作距离远近不同，导致r f i d 系统工作的耦合方式也就不同。r f i d 系统的频段划分的依据是读写器可以通过天 线发送、接收并能够正确识别的标签信号的频率范围，不同频段的r f i d 系统具有 不同的应用范围。与调频广播相类似，r f i d 系统的射频标签和读写器必须遵守协 议，调制到协议指定的频率才能正常的工作。国际上对r f i d 占据的频段已有公认 的划分，不同国家的频段具体划分不同，目前国际上采用的典型工作频率有： 5 8 g h z 、2 4 5 g h z 的微波、8 4 0 9 6 0 m h z 的超高频( u h f ) 、1 3 5 6 m h z 的高频( h f ) 、 1 2 5 1 3 5 k h z 的低频( l f ) 等。每一种频率都有它的特点，应用的领域也不同，因 此，应根据国际规定的协议合理的应用【8 】【9 】【1 0 1 。 l f 低频标签系统的工作频率范围为3 0 k h z 3 0 0 k h z ，l f 标签一般为无源标 签，它与阅读器之间传送数据时，位于阅读器天线辐射的近场内，因此l f 标签系 统的工作方式为电感耦合，l f 标签的传送距离一般低于i m 。l f 标签一般采用普 通的c m o s 工艺制造，它的优势主要体现在：省电、廉价、可以穿透水和木材以 及有机物质等；它的缺点主要是：距离近、速度低、数据量少。目前，l f 标签在 动物识别方面应用特别广泛，一般还应用在：工具识别、容器识别、电子防盗锁 等方面。 高频段标签的工作频率范围是3 3 0 m h z ，h f 标签也为无源标签，它与阅读器 之间传送数据时，位于阅读器天线辐射的近场内，所以其工作系统也是采用电感 耦合的方式工作。h f 标签的阅读距离一般情况下也小于1 米，最大不超过1 5 米。 相对于低频标签，h f 标签的优点是可以很方便地将h f 标签做成卡的形状，其应 用领域为：门禁系统、电子身份证、校园一卡通、小区物业管理、电子闭锁防盗 ( 电子遥控门锁控制器) 等。 超高频和微波频段的标签又称为微波射频标签，其工作范围比较广，目前比 较典型的有：4 3 3 m h z 、8 4 0 9 6 0 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。微波射频标签系统工作 时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远场区内，标签与阅读器之间的耦合方式 为电磁耦合方式，阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将标签唤醒有源 标签与无源标签都存在。对于微波射频标签，在8 4 0 - 9 6 0 m h z 频段多为无源标签， 目前，国际上也成功出现了这个频段的无源标签产品，如p h i l i p s 公司的u c o d e 电子科技大学硕士学位论文 h s l ( s l 3 i c s 3 0 0 1 ) ；而在2 4 5 g h z 和5 8 g h z 频段，多以采用钮扣电池供电的半无 源微波射频标签产品面世。无源标签比有源标签具有体积小、重量轻、价格低廉、 使用寿命长等优点。微波射频标签系统的工作距离一般大于1 米，一般为4 米6 米，最大可达1 0 米以上，半无源标签产品的r f i d 系统工作距离相对比较远。相 比较于低频和高频r f i d 系统，u h f 及微波段的r f i d 系统具有更加明显的优势： 读写距离远、体积小、传输速度快、伪造可能性小、可重复读写等，其最显著的 特征是可一次性扫描多个标签。但其制造成本也相对较高，若能将其制造成本降 下来，超高频系统的应用领域将会越来越广泛。目前其主要应用领域为：自动收 费系统、集装箱识别、铁路车辆自动识别、高速公路车辆自动识别、医疗科研等。 对于射频标签系统而言，通常情况下写入距离要小于识读距离，因为写入需要更 大的能量，微波射频标签的数据存储容量一般限定在2 k b i t s 以内，典型的数据容 量有：1 2 8 b i t s 、2 5 6 b i t s 、1 k b i t s 等。 从目前的技术水平来看，射频标签系统的区别主要集中在标签是否为无源、 射频标签的价格是否合理、读写器的发射功率容限、读写距离是否够远、读写器 的价格是否合理、系统是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用等方面。 2 3u h f 频段标签芯片的结构和功能 u h f 频段的标签芯片具有明显的优势，应用也日益广泛起来，在u h f 标签系 统中，标签芯片整体结构如下图2 2 所示。标签芯片由内置天线、射频模拟前端、 数字部分、存储器四个部分组成【删】。 射频信号的收发通路表示成正向链路和反向链路。正向链路的工作：天线接 收到从读写器发射出的射频信号后，射频前端的电源恢复电路将射频能量转化成 标签其它各模块电路可用的直流能量，同时解调电路从接收到的射频信号中恢复 出读写器发射的数据信号；被恢复出的数据信号送入数字基带进行协议处理；数 字基带处理器给出指令，从存储器读出或写入相应的数据。反向链路负责将数字 部分返回的信号经射频前端进行负载调制并通过标签天线发送回读写器。 第二章r f i d 标签芯片的技术概念 天线 一一一一一一一一一一一i r f l i 调制 堰 叫! 望h i 图2 2u h f 频段标签芯片结构框图 射频模拟前端模块介于天线和数字电路之间，是标签芯片的关键部分。射频 模拟前端主要模块共分为：整流电路、基准稳压电路、解调电路、反向调制电路、 时钟产生电路、上电复位电路( 该电路在本文中以p o r 为简称) 【6 卅。 ( 1 ) 整流电路功能：在整个射频模拟前端电路中，最重要的模块就是整流电 路，它是标签芯片能量的获得者。整流电路通常又被称为电荷泵电路，它将标签 天线所接收到的信号通过整流、电荷泵升压等方式转换为直流电压，为芯片工作 提供能量【1 1 1 。 ( 2 ) 解调电路功能：解调电路是标签前向链路的主要部分，它负责将来自读 写器的载波中的有用信号提出来并数字化处理送给数字电路判别。 ( 3 ) 反向调制电路功能：调制模块负责将数字部分送达的一定格式的高低电 平编码信息解调成“0 l ”数据信息，按照协议规定的调制方式进行调制经射频前端 和天线发送给阅读器。u h f 频段一般采用反向散射的调制方法，反向散射调制的 基本工作原理为在r f i d 系统进行信息交互时，电子标签芯片根据需要发射的基带 信号改变模拟射频前端的输入阻抗，通过与标签天线之间的匹配和失配两种状态 来实现调制。对于超高频和微波频段的r f i d 系统，其工作范围通常在天线的远场 辐射区域，读写设备与电子标签间的距离长达几米，甚至几十米，信号载波波长 小于3 0c m ，电子标签之间返回读写设备的信息传递方式采用反向散射调制。 ( 4 ) 基准稳压电路功能：在超高频射频识别标签中，基准源电路是至关重要 的一个模块，它产生的性能稳定参考电流或参考电压直接作为芯片的工作电压。 考虑到标签芯片自身供电，该模块需要具备良好的温度补偿能力、较高的电源抑 9 到d 电子科技大学硕士学位论文 制比和对工艺偏差敏感性不高等特点。标签芯片可利用的功率有限，基准稳压电 路所消耗的功率要尽量小，以减小芯片的总功耗【1 1 1 3 1 。 ( 5 ) 时钟产生电路功能：时钟发生电路的主要作用给数字基带处理器模块提 供稳定的时钟信号，保证标签和阅读器之间能够正确的通信【 13 1 。 ( 6 ) 上电复位电路功能：标签芯片的数字电路中存在着大量的内部触发器， 以及由其构成的寄存器和计数器电路，数字部分若缺少一个复位信号就无法进入 一个设定的状态，也就无法进行正常的状态转换，电子标签要正确可靠的工作， 离不开复位信号的控制。在电子标签芯片上电的时候，这些触发器需进行初始化 复位，并且在电源电压达到稳定后再开始工作。 2 4u h f 标签芯片射频模拟前端的主要设计参数和设计难点 标签芯片的系统指标主要集中在射频前端，所需要考虑的主要设计参数包括： ( 1 ) 射频前端工作频率宽度。 ( 2 ) 在满足协议要求的条件下，射频前端所能获得的最高射频信号能量。 ( 3 ) 射频前端的输入阻抗，这一值是设计天线阻抗的参考值，标签芯片应与 天线匹配，若标签与芯片不匹配，将会影响到整个标签所吸收到的能量。 ( 4 ) 射频前端的整流效率，即整流电路将射频前端接收到的能量转换为供后 级电路工作的直流能量的能力。 ( 5 ) 射频前端整流器级数，射频前端倍压整流级数。 ( 6 ) 射频前端的驱动能力，即满足后级负载( 包括模拟前端、数字基带及存储 模块) 7 - 作所需基本电压情况下所能提供的最大电流。 ( 7 ) 射频前端的包络检波的最低灵敏度。 ( 8 ) 射频前端调制反射类型，即对数字基带送来的返回0 、1 信号采用何种 调制方式进行反射，包括a m 、p m 等，这取决于射频前端对不同数字阻抗变换的 类型，是改变实部、虚部还是两者都改变。 ( 9 ) 满足协议要求的时钟精度，超高频射频识别标签芯片无法从载波中恢复 出时钟频率。 l o 第二章r f i d 标签芯片的技术概念 u h f 标签芯片的设计难点： ( 1 ) 超低功耗电路设计 由于标签芯片不带外部电源，射频前端获得的能量是有限的，整流电路获得 的直流能量是芯片中所有模块工作的能量，因此，标签内部电路各模块功耗直接 关系到标签识别距离的大小，低功耗射频模拟电路的研究将是一项突破。 低功耗设计主要包括两个方面：一是如何降低标签芯片内部电路的功耗，另 外就是如何提高射频前端电路的整流效率、匹配度及其工作频率宽度。 ( 2 ) 标签低成本要求 超高频标签芯片主要应用在物流行业，如何降低成本也是一项重大的突破， 美国麻省理工学院的a u t o i d 实验室曾经预测只有将标签成本设计在5 美分以 下，超高频射频识别标签才能得到大规模的应用。但超高频频段对芯片实现的工 艺要求很高，为达到高的整流效率，工作在这个频段的芯片通常多采用高速器件 肖特基二极管的特殊工艺，制造成本远高于普通工艺。 电子科技大学硕士学位论文 第三章标签芯片关键电路设计 3 _ 1 整流电路的关键性及发展现状 无源r f i d 电子标签本身是没有电池的，它的能量是来自远处阅读器辐射的电 磁波，电磁波总是以正弦波的形式存在，但标签芯片内部模拟电路和数字电路的 工作电压都是直流电压。因此，需要一个模块电路将这两种形式进行转换，这就 是整流电路的主要职能。 整流电路作为能量的获得者，它是无源r f i d 电子标签芯片的关键电路，其性 能的好坏直接影响到整个标签芯片能否正常工作，其整流效率直接决定了r f i d 系 统工作距离的远近。整流电路的几个参数对标签芯片的重要性： ( 1 ) 整流效率，即整流电路将射频前端接收到的能量转换为供后级电路工作 的直流能量的能力。整流效率越高，获得的能量越多，后续电路消耗的能量是一 定的，所以多的能量意味着工作距离会更远，也避免了低功耗这一项挑战。 ( 2 ) 整流电路的输入阻抗，这一值是设计天线阻抗的参考值，标签芯片应与 天线匹配，若标签与芯片不匹配，将会影响到整个标签所吸收到的能量。 ( 3 ) 整流电路的驱动能力，即满足后级负载( 包括模拟前端、数字基带及存储 模块) - 7 作所需基本电压情况下所能提供的最大电流。 目前，国内外在整流电路方面的研究已经有了很大的进展，2 0 0 5 年，东芝公 司的t 0 蛳y u l ( iu m e d a 等人研制了频率为9 5 0 m h z ，输入功率为1 4 d b m 时，输出 电压1 5 v ，输出电流0 4 雌的整流电路；2 0 0 6 年，h i r o y u k in a k a m o t o 等人发表了 3 6 6 的高效率的u h fr f i d 整流电路；2 0 0 7 年，西安电子科技大学的庞则桂等人 采用0 1 8 9 m 工艺研制了一种高效率的u h f 整流电路，该电路为1 0 0 k q 负载提供 1 5 v 电源电压，所需最小输入电压为3 5 0 m v ，转换效率为2 2 ，在负载为6 0 k q 时，最高可以获得2 9 8 ；2 0 0 7 年，a m i ns h a m e l i 等人设计了最小输入功率 1 4 1 d b m ，输出电压1 v ，输出电流2 雌的超高频整流电路；2 0 0 7 年，香港科技 大学的易俊发表了流片测试结果显示输出电压1 0 4 9 v 2 0 0 k q ，效率为2 6 5 的高 效率整流电路【1 3 】【1 8 】【2 1 【2 4 】。 第三章标签芯片关键电路设计 3 2 传统的整流电路 在无源u h fr f i d 电子标签芯片中，由于要求的工作距离远，输入能量也较 小，整流器大多采用d i c k s o n 电荷泵电路或者类似的结构。在整流器件的选取上， 一般采用肖特基二极管或m o s 管两种方法。肖特基二极管具有整流效率高，性能 稳定的优点，但用其设计的标签芯片制造成本高，因为肖特基二极管需要在标准 c m o s 工艺上增加额外的掩膜和工序才能实现；而使用普通n m o s 管的电荷泵电 路的性能远低于使用肖特基二极管的电路，虽然零开启电压的n m o s 管可以改善 使用n m o s 管电荷泵电路的性能，但是零开启电压的n m o s 管也需要在标准 c m o s 工艺上增加额外的掩膜和工序才能实现。虽然使用外置电源的偏置电路来 消除普通n m o s 开启电压的方法可以有效地提高n m o s 管在整流方面的性能，但 是该电路需要使用外置电源。带有偏置并同时使用n m o s 和p m o s 管作整流器件 的整流器明显提高m o s 管的整流性能。但该电路使用电阻作偏置，只能实现两级 的串连。由于该电路不能实现多级倍压，也就不能在输入能量较小的情况下提供 足够的工作电源电压，从而限制了它的应用范围。 ( a ) - 极管倍压电路( b ) - - 极管接法m o s 管倍压电路 # ( c ) - 极管全波整流电路 图3 1 几种常