（微电子学与固体电子学专业论文）无源uhf+rfid标签芯片射频模拟前端设计实现.pdf

摘要 摘要 无源超高频射频识别唧r f d ) 技术具有准确性高、存储量大、抗恶劣环境、 安全性高的特点，已广泛应用于生产、物流、交通、防伪等领域中，并将成为未 来信息社会建设的一项基础技术。本文对无源u h fr f i d 标签芯片射频模拟前端 从芯片的系统结构、高效率的倍压整流电路、低功耗模拟前端电路设计和芯片设 计流程等方面对r f i d 芯片的整体设计进行了研究，并针对测试结果对电路进行了 改进设计。 本文针对芯片设计难点给出相应的解决方案。对低功耗设计思路，从电路系统 结构和具体电路设计两方面给出了解决方案，模拟前端功耗仿真结果和测试结果 分别为1 0 8 7 3 1 t w 和1 6 斗w ，达到了低功耗要求；针对高效率倍压整流电路的研究， 本文提出了三种设计方案。一种方案是基于c h a r t e r e d0 3 5 阻工艺，将肖特基二极 管整流器与低阈值偏置电路相结合，提高了电路的灵敏度和能量转换效率。在负 载为2 0 0 k q ，输入功率为1 5 d b m 时，输出电压达1 4 7 v ，其最低输入电压为2 7 5 m v ， 最高能量转换效率为2 6 2 。同时结合测试结果，在t s m c0 1 8l a i n1 p 4 mr f m i x s i g n a lt 艺对此电路进行了改进设计，改进后的肖特基倍压整理电路的最高整 流效率达到了2 9 。同时提出了另外两种基于本征管的倍压整流电路和自偏置倍 压整流电路。对基于本征m o s 的倍压整流电路，在输入1 2 8 d b ，负载为1 0 0 k n 时，输出电压达1 6 4 2 v ，此时倍压整流效率为5 1 2 ；对自偏置倍压整流电路， 在输入1 5 d b ，负载为1 0 0 k q 时，输出电压达1 4 2 3 v ，此时倍压整流效率为6 0 3 5 ； 对于模拟前端其它低压低功耗电路的设计，包括参考电流源、稳压器、大动态范 围的解调器电路和调制反射电路等，本文对电路的原理进行了分析并给出了相应 的仿真结果和版图，并流片验证。 在芯片测试方面，本文详细介了绍芯片的测试数据，并对测试结果进行了分析。 在测试结果分析的基础上，在t s m co 1 8 岬1 p 4 mr fm i x s i g n a l 工艺下对电路进 行了改进设计，给出了改进电路原理图和仿真结果，并设计了版图。 同时本文提出了一种采用标准c m o s 工艺的模拟随机数发生器，分析了其原 理，并给出了仿真数据。新设计的模拟随机数发生器的动态功耗为8 0 0 n w ，静态 功耗为6 0 n w 。 改进设计的射频模拟前端版图在c a d e n c ev i r t u o s o 中进行整合得到多个测试芯 片，并计划于2 0 0 9 年1 月在t s m c 进行m p w 投片。 关键词： u t t f r f i d无源低功耗 随机数 a b s t r a c t a b s t r a c t p a s s i v eu h fr a d i o 丘e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( i 强i d ) t e c h n o l o g yi sc h a r a c t e r i s e db y l l i g ha c c u r a c y , h u g em e m e r ys i z e ，a n t i u g l ys f t r r o u n d i n g s ，h i g hs a r y , a n dn o wi ti s w i d e l yu s e di np r o d u c t i o n ，l o g i s t i c s ，t r a f f i c ，a n t i f a k ea n ds oo n i t i se x p e c t e dt o b e c o m et h eb a s i ct e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o ns o c i e t y t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ec o r et e c h n o l o g yo ft h er f a n a l o gf i o n t e n do f p a s s i v eu h f r f i d ，i n c l u d i n gc h i pa r c h i t e c t p x ed e s i g n , h i 曲e f f i c i e n tr e c t i f i e r , l o wp o w e ra n a l o g f r o n te n dc i r c u i td e s i g n ，d e s i g nf l o w , a n dt h ei m p r o v e dc i r c u i td e s i g nb a s e do nt e s t r e s u l t s t h es o l u t i o n sf o rt h ep r o b l e m sa b o v ea r ed i c u s s e di n t h i st h e s i s f o rl o wp o w e r d e s i g nm e t h o d ，s o l u t i o n sa r ed i s c u s s e df r o mb o t ht h ea r c h i t e c t u r eo ft h ec h i pa n dt h e c i r c u i td e s i g n s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h e a n a l o gf r o me n di s10 8 7 3 p wa n d16 州r e s p e c t i v e l y f o rh i g he f f i c i e n tr e c t i f i e r , t h r e e c i r c u i t sa r ep r o p o s e di nt h i sh e s i s o n ei sb a s e do nc h a r t e r e d0 3 5 1 m ae e p r o m p r o c e s s w i t ht h eh e l po fs h o t t k yd i o d ea n dw e l ld e s i g n e dl o wt h r e s h o l dn m o sb i a sc i r c u i t ，t h e s e n s i t i v i t yi si m p r o v e d w i t h2 0 0 k q1 0 a da n di n p mp o w e ro f 一15 d b m ，t h eo r t t p u t v o l t a g ei s1 4 7 vw h i l et h em i n i m g mi n p u tv o l t a g ei s2 7 5 m v t h em a x i m u mp c e ( p o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ) i s2 6 2 b a s e do nt e s tr e s u l t s ，t h ei m p r o v e dc i r c u i ti s d e s i g n e d ，埘t l li t sp c eb e2 9 a n da n o t h e rt w oc b c u h sb a s e do nt s m c0 18l x m 1 p 4 mr fm i x s i g n a lp r o c e s si sp r o p o s e d , o n ec i r c u i ti sb a s e do nn a t i v em o s ，w i 血 io o k ql o a da n di n p u tp o w e ro f 一1 2 8 d b m ，t h eo u t p u tv o l t a g ei s1 6 4 2 v , a n dt h ep c ei s 5 1 2 t h eo t h e ri ss e l f - b i a sr e c t i f i e r , 、7 i r i t l l1 0 0 i c ql o a da n di n p u tp o w e ro f - 1 2 8 d b m ， t h eo u t p u tv o l t a g ei s1 4 2 3 v , a n dt h ep c ei s6 0 3 5 o t h e rl o wp o w e ra n a l o gf r o n te n d c i r c u i t sd e s i g n , i n c l u d i n gc u r r e n tr e f e r e n c e , r e g u l a t o r , a s kd e m o d u l a t o ra n db a c k s c a t t e r m o d u l a t o r , e t c i sp r o v i d e d 、i lc i r c u i td e s i g n , s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dl a y o u t t h et e s tr e s u l t so ft h ec h i pa r ep r o v i d e dw i t ha n a l y s i s b a s e do nt h et e s tr e s u l t s ，t h e i m p r o v e dr f a n a l o gf r o n te n di sd e s i g n e d , a n dg i v e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dl a y o u t a n dan o v e la n a l o gr a n d o mn u m b e rg e n e r a t o ri sp r o p o s e dw i mt h ea n a l y s i so fi t s w o r k i n gm e c h a n i s ma n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，w i t hi t sd y n a m i cp o w e rc o n s u m p t i o nb e 8 0 0 n w , a n dt h es t a t i cp o w e rc o n s u m p t i o nb e6 0 n w t h ei m p r o v e dr f a n a l o gf r o n t e n da n dt h ed i g i t a lb l o c k sa r ei n t e g r a t e di nl a y o u tl e v e l m u l t i p l et e s tc h i p sw i l lb et a p e do u ti nt s m cs e m i c o n d u c t o ri nj a n u a r y 2 0 0 9 k e y w o r d ：u h fr f i dp a s s i v el o w - p o w e r r a n d o mn u m b e r 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内 容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技 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 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：扭盎葺丛 日期! 叁：! ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名 单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 日期塑受：宝! ：竺 e t 期婴：! ! ：竺 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 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 ) 技术起源于2 0 世纪4 0 年代 雷达技术的发展。近年来，随着自动收费、门禁、动物识别和物流管理等应用的 开展，r f i d 技术正以极快的速度走进人们的日常生活，特别是我国1 3 5 6 m h z 第 二代r f i d 身份证的发行，更是将r f i d 真正送到每个人的身边。r f i d 准确性高、 存储量大、耐用性强非接触识读、可识别高速运动物体、抗恶劣环境、保密性强、 高准确性和安全性、识别码唯一无法伪造、可同时识别多个识别对象的特点，已 广泛应用与生产、物流、交通、防伪等领域中，在很多领域将取代条形码作为无 线远距离识别的应用。 射频识别( r f i d ：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 ) 是一项利用射频信号通过空间 藕合( 交变磁场或电磁场) 实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的 的技术。 r f i d 技术根据电子标签工作频率的不同通常可分为低频系统 ( 1 2 5 k i - i z - 1 3 4 2 k h z ) ，高频系统( i3 5 6 m l - i z ) ，超高频( 8 6 0 m h z 9 6 0 m h z ) 和微波系 统( 2 4 5 g i - i z - 5 8 g i - i z ) 等。 根据片内存储器的不同，电子标签可分为可读写标签、一次写入多次读出 标签( w o f o v o 和只读标签f r o ) 。可读写标签一般比一次写入标签和只读标签贵得 多：对于一次写入多次读出标签，用户可以一次性写入，写入后数据不能改变，比 只读标签要便宜，只读标签存有一个唯一的号码，不能修改。 根据电子标签供电方式的不同，电子标签又可分为无源标签( p a s s i v er a g ) ，半有 源标签( s e m i - p a s s i v er a g ) 和有源标签( a c t i v et a 曲三种。其中，无源电子标签不含电 池，它接收到读写器发出的微波信号后，利用读写器发射的电磁波提供能量。无 源标签一般免维护、重量轻、体积小、寿命长、较便宜，但它的阅读距离受到读 写器发射能量和标签芯片功能等因素的限制。1 1 1 2 本文中研究的标签既为无源、处于8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 频段范围内的超高频射 频识别标签。 1 2 研究现状 r f i d 已经有5 0 余年的发展历史，但受制于技术原因，直到2 0 世纪7 0 年代， r f i d 技术才最终走出实验室进入应用阶段，而无源u h fr f i d 的技术则是近十年 来才真正揭开它神秘的面纱。相对于目前成熟的h f 系统，u h fr f i d 要复杂很多， 2无源u h fr f i d 标签芯片射频模拟前端设计 国内各公司在u i - i fr f i d 技术的研究和应用方面尚不及发达国家，存在技术基础 薄弱、量产能力不够、生产成本高的问题。在全国众多的r f i d 企业中，各种代理 或者外企分支机构和系统集成与应用系统开发企业占到近9 0 ，真正从事r f i d 核 心技术开发，具有自主知识产权产品的企业不到1 0 ，而具有无源u h fr f i d 产 品的国内企业更是没有。但是我国政府和各大相关企业非常重视推动r f i d 在我国 的发展，科技部把“射频识别( r f d ) 技术与应用”列为国家高技术研究发展计 划( 8 6 3 计划) 的重大项目，划分了8 4 0 m h z 8 4 5 m h z 和9 2 0 m h z 一9 2 5 m h z 两 个频段作为u i - i fr f i d 的工作频段，基于i s o i e c l 8 0 0 0 6 的国家标准也在逐步建 立中。 国外u h fr f i d 技术的起步较早，已经形成了标签芯片设计、天线设计、标签 封装、测试、阅读器设计和软件平台等u h fr f i d 系统的研究和生产一整套生产 流程。 作为u i - i fr f i d 系统最为关键的组件之一，无源u h fr f i d 标签芯片设计的研 究热点主要集中在以下几个方面：与标准c m o s 工艺兼容的低成本u i - i fr f i d 标 签芯片的设计，其中的关键技术难点是设计与c m o s 工艺兼容的射频电路，包括 高效率倍压整流电路和大动态范围解调电路设计；超低功耗技术【3 】【4 】。 1 3 论文研究内容与贡献 本文在原有技术积累基础上从宏观上对u h fr f i d 芯片的整体系统设计提出 了新的观点，并对芯片设计中的关键技术问题提出了一些新的解决方案，并实际 流片、测试验证，研究的主要内容和贡献主要有以下方面： 1 从低功耗角度考虑，对系统整体结构提出了相应的解决方案。 2 提出了无源u h fr f i d 标签芯片模拟前端低功耗设计技术的新思路，从芯片系 统结构和具体电路设计两个方面研究了超低功耗设计方法。 3 提出了一种基于肖特基的新的倍压整流电路结构，并从原理和仿真结果两个方 面对电路进行了分析。 4 设计了标签芯片射频模拟前端版图，流片验证。提出了测试方案，并完成了测 试和测试结果的分析。 5 为了进一步降低功耗，针对测试结果，完成了o 1 8 9 m 工艺下射频模拟前端的 改进设计，并重新提出了一种高效率倍压整流电路结构，同时设计版图流片验证。 6 提出了一种极低功耗、高随机性的模拟随机数发生器，并从原理上结合仿真结 果进行了分析，完成了数字模拟混合仿真验证。 本论文在原有技术积累基础上，从系统结构、具体电路设计和测试三方面探讨 了无源u h fr f i d 标签芯片射频模拟前端的设计要点，研究工作的重点集中在高 第一章绪论 效率倍压整流电路，大动态范围检波技术、低功耗设计方法和低功耗、高随机性 的随机数发生器的设计，对芯片的设计关键技术提出了相应的解决方案，并结合 测试结果进行了电路的改进设计。 1 4 论文组织结构 本论文的章节内容安排如下： 第一章“绪论”概括了唧r f d 技术的背景，国内外目前的研究现状以及 本文所做的工作。 第二章“无源唧p , f i i ) 系统的工作原理和通讯过程分析 对u 珂r f i d 系 统的工作原理和通讯过程进行了研究。 第三章“无源唧r f i d 芯片射频模拟前端整体结构、关键技术和设计流程 提出了完整的低功耗无源切r f d 标签芯片射频模拟前端的内部结构框架，分 析了芯片设计的关键技术，提出了低功耗设计解决方案，并简要介绍了芯片的设 计流程。 第四章“无源u 既r f i d 芯片射频模拟前端电路设计实现 研究了无源u 脏 r f k ) 标签芯片射频模拟前端具体电路的设计实现，并给出相应的电路原理图、仿 真结果和版图实现。 第五章“无源切旺i 疆d 芯片模拟前端芯片测试”介绍了芯片的测试，并对 测试结果作出了分析。 第六章“无源唧k f d 芯片射频模拟前端改进设计研究了0 1 8 m 工艺 下电路设计需要考虑的问题，并针对测试结果研究了射频模拟前端改进设计，提 出了低功耗、高随机性的模拟随机数发生器，并给出了仿真数据、芯片版图设计 和最终流片方案。 第七章“总结与展望 总结了本论文的工作，指出了其中的不足之处，并给 出了未来研究工作的重心和发展方向。 第二章无源u h f r f i d 系统的工作原理和通讯过程分析 第二章无源u h fr f i d 系统的工作原理和通讯过程分析 本章对无源u m r f l d 系统的工作原理和通讯过程进行了简单的介绍，为实际 标签芯片的系统框架和具体电路实现提供了参考。同时根据无源l r h fr f i d 系统 的特点指出标签芯片设计的难点所在和关键技术，并对芯片设计流程做了简单的 介绍。 2 1 u h f r f l d 系统组成 无线射频识别( r f i d ：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 ) 技术是一种非接触式的 自动识g 技术，它利用射频信号及其空间耦合和传输特性，对静止或移动物体进 行自动识别。一个完整的r f i d 系统的硬件通常由射频标签、读写器、读写器天线 和计算机所组成。如图2 1 所示， 懒_ 、 一期读罂 r f m 标签 幽21r f i d 系统硬件构成 ( 1 ) 计算机：主要用于系统数据管理，并实现用户和数据信息的交互。 ( 2 ) 阅读器：阅读器主要由基带电路部分和射频电路部分组成，而射频电 路部分由发射电路和接收电路组成：发射电路产生需要载频的载波， 经过调制、放大后通过天线发射出去：接收电路接收标签的返回信号 经过天线接收后，通过混频、放大、比较处理后送到基带电路解码。 基带电路除了完成标签信号的编解码外，还完成标签协议的处理、与 上位机的数据通讯，通讯的接口一般有r s 一2 3 2 接口、r s 一4 8 5 接口或 者e t h e r n e t 接口。 ( 3 ) 阅读器天线：发送射频能量供标签使用，同时发送命令与数据。 ( 4 ) r f i d 标签：由标签天线和标签芯片组成。其中天线用于接收射频能量 匝 、h 溅觥 舯 渐磁性黼舂* 6 无源巧r f d 标签芯片射频模拟前端设计 和调制信号，并利用反向调制原理向阅读器返回数据；标签芯片是射 频识别系统的真正数据载体，它实现阅读器的命令的执行和数据交 互，由射频模拟前端和数字基带两部分组成。 2 2 系统工作原理和通讯过程分析 无源u h fr f d 系统的通讯过程可以分为两个层次：一是底层的阅读器与标签 之间的通讯过程，二是阅读器与后台数据库、网络和应用体系之间的通讯。阅读 器在一定的标准规定下，通过空气接口读取标签唯一的电子编码，然后通过网络 将标签数据发送到上位机的数据库中进行查询，获得该标签相关的详细信息。通 过互联网，可以在全球范围内对电子标签进行跟踪查询和管理。 无源切盱r f i d 标签与阅读器之间的通讯原理与雷达的工作原理类似。其通讯 数据传输包括两个链路：上行链路和下行链路。对下行链路，包括数据传输和能 量传输两个过程：阅读器向标签发射的高频电磁波通过芯片内部射频电路转换为 直流电压，为芯片提供工作电源电压，完成上电过程。同时，阅读器将一系列的 命令和数据调制到高频电磁波中，此调制电磁波被芯片内部解调电路解调为基带 信号，并输入到数字基带，进行解码等相应的数据处理；对上行链路，数字基带 将命令解调后，通过改变芯片自身的阻抗来改变天线的反射系数，使天线反馈回 阅读器的能量大小随调制信号的改变，从而将标签的信息调制到反射波上来实现 上行链路的数据传输。阅读器通过接收和解调标签反射回来的电磁波可以获得标 签的数据。 阅读器和标签之间的通讯是半双工的，在整个通讯过程中，阅读器是会话的发 起者。为了实现远距离范围多标签的可靠读写，标签的与阅读器之间还需进行数 据编码，差错校验，并采取防冲撞机制实现对多个标签进行识别。同时为了数据 的安全性需要进行一定的加密、解密处理，这些功能由标签的数字基带实现【4 j 。 2 4 小结 本章对唧r f d 系统的构成做了简单介绍，然后对无源u 】i 江d 系统的工 作原理和通讯过程做了简单的分析，并从u h fi 疆d 系统的角度分析了芯片的通 信机制和应该完成的功能，为标签芯片的设计制定了大体的框架。 苎三兰垂塑! h fr f i d 芯片射频模拟前端整体结构、关键技术和设计流程 7 二二二：= ： 第三章无源u h f r f i d 芯片射频模拟前端整体结构、关键 技术和设计流程 根据i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准，本章给出了一种u h fr f i d 芯片射频模拟前端 的整体设计方案，并分析了实际芯片设计中的关键技术。 3 1 芯片射频模拟前端结构 根据上述对无源 r f i d 系统和工作原理的分析，提出了如图3 1 所示的无 图3 1 切盯i 强d 芯片结构 芯片的结构大体上可以分为射频模拟前端、数字基带和e e p r o m 三部分。数 字逻基带是整个芯片的控制单元，e e p r o m 是信息存储单元。射频模拟前端的作 用是为芯片提供能量，完成信号调制解调，提供复位和时钟信号，其中包括倍压 整流电路、解调器电路、调制反射电路、参考电流源源、e e p r o m 稳压、倍压电 路、基带稳压电路，上电复位电路和时钟电路。每个电路的功能分析如下： 倍压整流电路：将天线耦合得到的射频能量经过整流和电压倍增后得到芯片所 需的直流能量，是整个芯片的能量来源。由于芯片在通讯过程中，在传送低电平 时，芯片存在掉电的现象，因此需要在倍压整流输出端加储能电容，在标签芯 片掉电时提供一个恒定能量源。同时芯片处于个大范围工作状态，因此天线接 收到的能量存在大幅度波动，储能电容可以防止倍压整流输出存在较大纹波。此 8 无源u h fr f i d 标签芯片射频模拟前端设计 电容的计算公式如式( 3 - 1 ) 所示： 一 i 毒t 乙- - 一 矿 ( 3 1 ) 式中，为后级负载平均工作电流，t 为芯片掉电最长时间，y 为芯片典型 工作电压与最低工作电压之差。 解调电路：将阅读器发送的a s k 调制信号进行解调为标准的数字基带信号， 基带处理器对解调输出的数基带信号进行解码和命令解析，并根据命令的要求向 阅读器返回信号；调制反射电路：基带处理器返回的信号经过调制电路，通过改 变芯片自身阻抗，调制芯片与天线的匹配和反射系数，对芯片反向散射的射频连 续波进行调制，阅读器通过检测反射波的变化可以获得芯片反射的数据；参考电 流源源：提供与电源电压无关的参考电流，该电流通过电流镜精确复制后为模拟 前端的各个单元提供稳定的偏置电流，保证电路工作状态的稳定，同时用电流镜 限制电路功耗：上电复位电路：当电压上升到一定程度时，上电复位电路输出复 位信号，启动时钟电路产生时钟信号，并将基带处理器复位，进入就绪状态，准 备接收阅读器发送的命令；e e p r o m 倍压电路、稳压电路：为e e p r o m 电路提供 恒定电源电压( 此电路结构的设计原因将在3 2 节中详细论述) ；时钟电路：为数 字基带提供精准时钟，并为e e p r o m 倍压电路提供时钟驱动；基带稳压电路：由 于芯片的倍压整流电路随着芯片距离阅读器的距离不同输出电压变化较大，为了 保证基带处理器的稳定工作，在基带处理器的供电电路上设计了一个稳压电路， 为基带处理器提供恒定电源电压。 3 2 射频模拟前端电路设计的关键技术 从上述无源u h fr f i d 的工作原理以及工作过程分析可以看出，无源u h f r f i d 标签芯片射频模拟前端电路设计的关键技术主要包括高效率倍压整流技术、 大动态范围内解调技术以及低功耗设计技术，其中高效率倍压整流技术和大动态 范围内解调技术，将在4 1 节和4 2 节中详细介绍。在本节中详细介绍射频模拟前 端电路的低功耗设计技术。 随着集成电路的发展，电路的功耗问题也越来越突出和棘手。对于无源u h f r f i d 标签芯片而言，芯片不带外部电源，所有工作的能量只能由整流电路将标签 天线获得的射频能量转换为直流能量，并存储在储能电容中。假设在芯片与天线 匹配的情况下，若按照美国的标准，阅读器的发射功率为4 w e i r p ，天线增益都为 0 d b ，载波频率为9 0 0 m h z 时，芯片能接收到的能量与距离的关系可以由图3 2 的 曲线表示 4 】。 第三章无源u h f r f i d 芯片射频，模拟前端整体结构、关键技术和设计流程 9 倒3 2 苍片获得的能量与距离的关系 如果设计芯片的工作距离为3 m ，芯片的输八功率约为3 0 w ，假设倍压整流电路 的效率为2 0 ，则芯片除去倍压整流电路以外的电路可用的功率为6 0 u w ，其中数 字逻辑部分的电路要占绝大部分功耗通常要占到7 0 以上，即4 2 i l w ，剩下1 8 肼7 为模拟前端电路的功耗，可见整体电路功耗是极低的。在这么低的功耗情况下， 为使芯片稳定可靠的工作，在射频，模拟前端电路的设计中采用了如下的低功耗技 术： ( 1 ) 降低电源电压： 电路的功耗由两部分组成；正比于电源电压的静态功耗和正比于电源电压平 方的动态功耗。如式( 3 - 2 ) 所示”3 ： ，= + 乇 ( 3 2 ) 式中，d 为电源电压，地为工作电流，c 盯为等效电容。 由此可见，降低功耗的最有效的办法是降低电路的电源电压和工作电流。 ( 2 ) 分级供电：由于在芯片中包含e e p r o m 电路，其工作电压相对较高，在 c h a r t e r e d03 5 9 i n 工艺下，采取的e e p r o mi p 的工作电压为26 - 36 v ，如果整体 芯片采用这么高的工作电压，从式( 3 - 2 ) 可以看出，其功耗很难降低。因此，对 整体芯片结构设计为；芯片其它电路采用一个较低的电平，其功耗可以控制在很 低的水平，而对e e p r o m ，则采用片上电荷泵将低电平泵浦到一个高电平作为 e e p r o m 的工作电压，而片上电荷泵的功耗可以采用相应低功耗电荷泵结构，其 功耗也可以控制在很低的水平，因此整个芯片的功耗得到了极大的降低。 ( 3 ) 分区分时供电：同时由于并不是所有射频，模拟前端的模块需要同时工作，因 此可以通过数字基带电路控制和其它使能开关，使得在各个模块的空闲阶段，将 其关断，同时合理安排模拟前端电路的工作时序，使得芯片的平均功耗处于一个 较低的水平，具体设计可见上电复位电路和e e p r o m 稳压、倍压电路。 以上三点从电路体系结构上极大的降低了电路整体功耗，同时在对具体电路 设计时，采用了如下几种低功耗策略： ( 4 ) 降低工作电流：对工作电流的降低可以通过将参考电流源的产生的基准电流 l o无源u h fr f i d 标签芯片射频模拟前端设计 复制给各个子单元，用电流镜来钳制各单元工作电流，在保证了工作状态稳定的 同时，又将功耗限制在一个极低的数量级。同时在从电源到地存在导电通路的结 构中，用电流源限制泄放电流大小，这样即使存在一个放电通路，也会由于电流 源的存在将此电流限制在一个极小的范围内。 ( 5 ) 降低阈值损失：在e e p r o m 倍压电路中，由于普通电荷泵存在闽值损失， 使得倍压通路上存在一个m o s 阈值大小的电压损失，在负载功耗较大的情况下， 此电压降导致的功耗将是十分恐怖的。以负载2 0 州( 电压1 8 v ) 计，m o s 阈值 2 5 0 m v 计，此阈值损失将导致2 8 1 t w 的功耗损失，对无源u h fr f i d 标签芯片而 言，这么大的功耗损耗将是无法接受的，因此针对这一问题，设计了消除阈值损 失的电荷泵，祥细设计见e e p r o m 倍压电路设计。 同时，m o s 管的阈值表达式见式( 3 3 ) ： v ：i = v k = o + r ( 4 2 a ，+ 一4 2 * f ) f 气气、 由式( 3 3 ) 可见，为了降低阈值电压，可以采用增大v s s 的办法实现，在对e e p r o m 倍压电路以及其他电路设计均可采用这种办法解决低电源电压工作情况下的阈 值。 ( 6 ) 防止电源到地的交叉通路：以反相器为例，如果输入阶跃存在较大的上升( 下 降) 沿，则p m o s 和n m o s 存在同时导通的现象，此时电源到地形成放电通路， 即使管子尺寸很小，此电流也是很大的。如果电路中存在这样一个交叉放电通路， 由此产生的功耗损失将是不可接受的。为了避免这种功耗损失，在本设计中采用 两种结构防止交叉导通通路，分别如图所示，图3 3 ( a ) 为施密特触发器，通过其翻 转电平的滞回特性对阶跃信号整形，降低交叉导通时间，从而降低了功耗损失； 图3 3 ( b ) 通过引入正反馈加速m o s f e t 的开启和关断，避免了交叉导通。 ( a ) ( b ) 图3 3 消除电源到地交叉通路具体电路 第三章无源u h fr f i d 芯片射频模拟前端整体结构、关键技术和设计流程 i i 在采用可上述低功耗设计思路后，芯片射频模拟前端电路整体功耗得到很好 的控制，并使整体功耗大大降低。仿真结果显示，在采用了上述低功耗设计思路 后，射频模拟前端电路整体功耗为1 0 8 7 3 p w ，达到了低功耗设计要求。 3 3 设计流程 该芯片采用新加坡c h a r t e r e d0 3 5 “r ne e p r o m2 p 4 mc m o s 工艺，m o s 采用 低阈值m o s ，讧o s 阈值电压为o 2 5 8 v ，p m o s 阈值电压为0 4 5 6 v 。芯片最低 设计指标为：射频模拟前端最低工作电压为1 6 v ，功耗低于1 8 州。具体设计指 标详见第五章各个子模块设计指标。 整个u h fr f i d 芯片的设计流程可以划分为数字的基带处理器和射频模拟前 端两个流程同时进行。对射频模拟前端电路设计，包括电路设计和版图设计两部 分。对电路设计，在射频模拟前端电路设计之前，设计整体系统框架，包括整体 指标的制定和信号接口的定义。根据芯片整体指标确定工艺要求，然后根据这些 要求选择具体工艺。在拿到工艺文件后，再确定芯片详细设计参数，并设计相应 的子模块电路结构，然后根据模型库仿真验证，确定详细的器件尺寸，在子模块 确定后进行整体验证。在整体仿真通过后，和数字基带进行数字、模拟混合仿真 验证。仿真通过后就可以进行版图设计，这包括版图设计和设计规则检查( d r c ) 、 电学规则检查( l v s ) 、寄生参数提取( p e x ) 以及电路后仿真( p o s tl a y o u t s i m u l a t i o n ) 。只有在后仿真通过之后，才能交付代工厂进行m p w ( m u l t ip r o j e e t w a f e r ，多项目晶圆) 投片验证。 在芯片射频模拟前端设计过程中采用的设计工具如表3 1 所列。 表3 1 芯片射频膜拟前端设计工具 设计工具用途工具厂商 a d s 射频电路设计a g i l e n t s p e c t r e射频模拟电路设计、仿真 c a d e n c e v i r t l t o s o模拟版图设计 c a d e n c e a s s u r a 、d i v a 、d r a c u l a物理验证( d r c l v s p e x ) c a d e n c e s p e c t r e v e r i l o g 数模混合验证 c a d e n c e 3 4 小结 本章从整体上给出了无源u h fr f i d 芯片射频模拟前端的实现框架，介绍了 各个模块的功能，分析了芯片设计的关键技术，并提出了相应解决方案，最后介 绍了芯片的总体设计流程，为芯片的设计实现制定了实施方案。 第四章无源u h fr f i d 芯片射频模拟前端电路设计实现 1 3 第四章无源u h fr f i d 芯片射频模拟前端电路设计实现 本章深入探讨了唧r f i d 芯片低功耗射频模拟前端部分电路的设计，并给 出了相应电路的仿真结果。针对射频模拟前端，本文的研究重点在于对芯片的电 源产生电路倍压整流电路的设计，大动态范围解调电路设计，以及低功耗时 钟电路的设计。 4 1c m o s 工艺兼容的倍压整流电路 作为芯片获取工作能量的唯一来源，倍压整流电路的效率影响到后级电路所能 获得的能量大小，它直接决定了芯片的工作距离。因此如何提高倍压整流电路的 效率成了i j l 盱i 强d 芯片研究的热点【6 】。目前主流的实现方式有两种，一种是采用 高频特性较好的肖特基二极管实现的倍压整流电路【_ 7 】【羽，另一种是与标准c m o s 工艺兼容的本征m o s 实现的倍压整流电路【9 】，【l o 】，【1 1 1 ，除此以外，还有基于s o s ( s i l i c o n - o n - s a p p h i r e ) z 2 】、f e 删工艺【1 3 】等特殊工艺的倍压整流电路的研究， 而这些由于成本较高一般很少采用。本文首先对针对c h a r t e r e d0 3 5i im 工艺流片 采用的基于肖特基二极管实现的倍压整流电路进行了研究，同时结合测试结果在 6 2 节中提出了另外两种电路结构，并进行了仔细分析。 u h f r f i d 芯片接收到的是天线输入的交流信号，对于远距离无源u h fr f d ， 天线接收的信号功率随距离的平方关系减小，在谐振频率下，芯片可以获得到电 压幅度可以通过式( 4 1 ) 【9 】【2 2 】计算 i 珞i - - ) 2 r ，c 易 降1 ) 式中，r c 为芯片的输入阻抗，假设为3 0 0 q ，尸一为输入功率，假设按照第三章 的计算在3 m 距离时为3 0 0 i _ t w ，得到的的交流电幅度只有4 2 4 m v ，无法直接驱动 芯片后级电路工作。因此倍压整流电路首先需要具有足够的电压增益，将输入电 压转换为具有一定幅度的直流电压才能驱动后级电路工作，另外倍压整流电路还 需要具有尽可能高的能量转换效率，并且启动电压也应尽可能的低，以保证电路 正常启动， d ld 2 d - ld h r 、。ir 、jr 、jr l 广， 虹二、 、一鼍 k f l l 一7 盥d r 一l 一 c i 邑乙瓦 7 f l 1v 、 l s t a g c l 1 4 无源u h fr f i d 标签芯片射频模拟前端设计 图4 1 倍压整流电路 影响倍压整流效率的因素主要包括以下几个方面：二极管的正向导通电压损 失、反向漏电、对地的寄生电容、整流器件的导通电阻等等。倍压整流电路的设 计需要综合考虑各方面的因素。传统d i c k s o n 电荷泵的优点是可以实现与数字工艺 的兼容，降低芯片的制造成本，特别是当芯片的尺寸往0 1 8 p m 甚至0 1 3 呻以下 发展的时候，芯片面积减小，产能的增加进一步促进了芯片成本的下降。但是采 用n m o s 管作为整流器件存在阈值损失( 相当于二极管的正向导通电压损失场) ， 寄生电容大的缺点。另外，随着电荷泵中的电压逐级升高，后级n m o s 管的源和 衬底电压压差逐渐升高，体效应会导致n m o s 管阈值增大，整流效率降低。肖特 基二极管结电容较小、正向导通电压低、转换时间快，可以减轻上述压力。因此 在此次流片中，针对m p w 采用的c h a r t e r e de e p r o m2 p 4 mc m o s 工艺，采用了 肖特基做整流器件，其正向导通电压是2 0 0 m v ，并提出了一种新的结构，使倍压 整流电路能够抑制上述缺点，具有较高的整流效率和较强的带载能力。为了能够 使电路在接近二极管导通电压时也能够正常工作，电路使用该工艺提供的低阈值 n m o s 管加偏置电路后与肖特基二极管并联共同完成倍压整流的作用【4 】。此电路结 构框图如图4 2 所示，它由主电荷泵和从电荷泵构成，主电荷泵完成倍压整流功能， 从电荷泵结合偏置二极管为主电荷泵提供偏置。整个倍压过程分为两个阶段：第 一阶段是启动阶段，肖特基二极管完成倍压整流作用，在从电荷泵的偏置电压建 立以后，主电荷泵为后级负载提供能量，过压保护防止输出电压过高，为后级电 路提供保护作用。 一 甜 1 1 1 毒 11i l ll ll ： 1 1 l t1二t1 1 |l 一l 蕾_ 蕾- 蜘一 - ) 蕾l j 一 主电倚泵 过压儡护 厂 从电荷累 4 2 提出的倍压整流电路原理图 主电荷泵的原理图如图4 3 所示，采用了与c t s 电荷泵结构，在偏置电压建 立前，肖特基二极管为电流主通路，在偏置电压建立后，主要由c t sm o s 管完成 电流传递作用。 第四章无源u h fr f i d 芯片射频模拟前端电路设计实现 1 5 图4 3 主电荷泵原理图 为了消除正向导通电压的损失，并防止反向漏电，必须建立一个有效的偏置 电压，在传统的偏置电路结构中，此问题没有得到较好的解决，因此，在本文中 新提出了一种有效的偏置电路。同时为了分析方便，在本文中，引入了导通角这 个概念。导通角可以定义为电荷泵整流器件在射频信号一个周期中的导通角度。 导通角越大，在射频信号一个周期中整流器件导通时间越长，负载在一个周期内 能得到的平均能量就越大，因此可以通过提高整流器件导通角的方法提高整流效 率。 在传统的c t s 电荷泵中(