（微电子学与固体电子学专业论文）高性能uhf+rfid标签芯片模拟前端设计与实现.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。近些年来，射频识别技术以其独特的优势和巨大的发展潜力，已 广泛应用于工业生产和日常生活的各个方面，研究和开发射频识别芯片具有重大 意义。本论文针对高性能u h fr f i d 标签芯片的应用要求，从系统架构、能量链 路、性能优化和低功耗模拟前端电路设计等方面对r f i d 标签芯片整体及子模块电 路设计进行了研究。 本文首先阐述了u h fr f i d 系统的工作原理和i s o f l e c1 8 0 0 0 6 c 国际标准协 议中的物理层协议部分，对标签芯片系统组成和各部分的功能进行了介绍，分析 了标签芯片的能量链路，并针对其性能指标提出了相应的解决方案和低功耗设计 方法。 其次，针对标签芯片的低功耗和高可靠度要求，提出了满足高性能、高稳定 度的系统解决方案。针对调制解调电路，采取了能够获得更多能量的p s k 调制方 式和低功耗高灵敏度的解调电路，测试结果显示，标签芯片能够成功解码射频载 波中的信息供数字基带使用，且解调电路功耗为l u w ，最低工作电压为4 2 0 m v 。 针对电源管理单元，提出了更合理的整体方案，研究了低功耗基准源、基带稳压 电路和高可靠上电复位电路设计方法，给出了仿真结果并设计了版图。在t s m c o 1 8 1 x m1 p 4 mr fm i x s i g n a l 工艺下实现了标签芯片整体电路，设计了整体版图， 并流片实现。 再次，针对标签芯片样品，进行了测试条件、测试方法及测试结果的分析， 给出了标签芯片整体电路及标签芯片的一致性测试结果；并对调制解调及电源管 理单元的测试结果进行了分析。测试结果显示，标签芯片可以与阅读器正常通讯， 完成读写任务，且标签芯片最远读距离可达7 m ，最远写距离可达l m ，达到了预 期效果。 最后，针对标签芯片测试中出现的问题及标签芯片的工程化应用，进行了分 析并提出改进意见。 关键词：u h fr f i d 高性能低功耗模拟前端 a b s t r a c t 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 ) i sat e c h n o l o g yt h a ti n c o r p o r a t e st h e u s eo f e l e c t r o m a g n e t i eo re l e c t r o s t a t i cc o u p l i n gi nt h er a d i of r e q u e n c y ( r f ) p o r t i o no ft h e e l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u mt ou n i q u e l yi d e n t i f ya l lo b j e c t i n r e c e n ty e s a r , i th a sb e e n w i d e l yu s e di nv a r i o u so fi n d u s t r i a l m a n u f a c t u r ea n dd a i l yl i f e ，w i t hi t sp a r t i c u l a r a d v a n t a g ea n dh u g ep o t e n t i a l a c c o r d i n g t ot h ea p p l i c a t i o nd e m a n d s ，t h i sd i s s e r t a t i o n f 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 r o n t - e n do fh i n g p e r f o r m a n c 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 u r e ，p o w e rl i n k p o w e ra n a l o gf r o n t - e n dc i r c u i td e s i g n 1 a y e r s ，p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o na n dl o w f i r s t l y , t h ef u n d a m e n t a lt h e o r y a n dp h y s i c a l p r o t o c o l o fu h f ( u l t r ah i g h f r e q u e n c y ) r f i dt e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y z i n gt h ef u n c t i o n o fe a c hm o d u l ea n dt h ep o w e rl i n kl a y e r s o ft h e s y s t e m ，t h e s o l u t i o n sf o r h i g h p e r f o r m a n c ea n d l o wp o w e ri sd e s i g n e d s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h el o wp o w e ra n dh ig hr e l i a b i l i t ya p p l i c a t i o nd e m a n d s ， o p t i m i z e ds t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sd e s i g n e d f o rm o da n dd 6 m o d 6m o d u l e s ，p s k m o d u l a t i o nw h i c hc a ng e tm o r ee n e r g yf r o mt h et r a n s p o n d e ra n dl o w - p o w e rh i g h s e n s i t i v ed 6 m o d 6c i r c u i ti sd e s i g n e d m e a s u r e m e n tr e s u l t st h ep o w e rc o n s u m p t i o no f t h ed 6 m o d 6i s1p w ，a n di tc a nw o r ka t4 2 0 m va tl e a s t f o rp m u ( p o w e rm a n a g e m e n t u n i o ，m o r er e a s o n a b l es t r u c t u r ei sp r o p o s e d c u r r e n tr e f e r e n c e ，p o w e rm a n a g e m e n t ， p o 、耽ro nr e s e tc i r c u i t sa r ed e s i g n e d ，s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dl a y o u ta r ep r o v i d e d t h e w h 0 1 ec i r c u i ta n dl a y o u tb a s e do nt s m co 18 1 x m 1p 4 mr fm i x s i g n a lp r o c e s si s p r o p o s e da n dt a p e d o u t t h i r d l y , w i t ht h es a m p l e ，m e a s u r e m e n t c o n d i t i o n ，m e t h o da n dr e s u l t s a r e i n t r o d u c e d t h ec o h e r e n c eo ft h ec h i pa n dt h er e s u l t so fm o d ，d 6 m o d 6a n dp m u m o d u l e i sp r o v i d e da n da n a l y z i e d m e a s u r e m e n tr e s u l t s t h a tt h ec h i pc a nc o r r e s p o n dw i t h t r a n s p o n d e rc o r r e c t l y , a n dt h ed i s t a n c ec a l lr e a c h7 m a tr e a dm o d elma tw r i t em o d e r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h ep r o b l e ma tt e s t i n gi sa n a l y z e da n dt h es u g g e s t i o nt oi m p r o v i n g t h e p e r f o r m a n c eo ft h ec h i pi sp r o p o s e d k e y w o r d ：u h f r f i d h i g h p e r f o r m a n c e l o w - p o w e r a n a l o gf r o n t - e n d 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：丝壶垄日期趁：圣：2 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： 日期坐：主：2 日期吐：主：璺 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 ) 技术是2 0 世纪9 0 年代开始 兴起的一种自动识别( a u t oi d e n t i f i c a t i o n ，a u t o i d ) 技术，作为一种新兴的识别 技术，其发展正如火如荼，并日益深入到我们生活的方方面面，不断影响和改变 着我们的日常生活。近年来，r f i d 在许多服务领域，诸如在货物销售与后勤分配、 商业物流贸易、生产制造加工和安全控制等领域获得了快速普及和推广。 与条形码、磁卡、接触式i c 卡等技术相比，r f i d 具有无与伦比的优势【lj ：可 以定向或不定向的远距离读取或写入数据，无需保持识别的目标可见；可以透过 外部材料读取数据；可以在恶劣环境下工作；可以同时处理多个电子标签；可以 储存的信息量很大；可以通过r f i d 标签对物体进行物理定位等等。 射频识别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。典型r f i d 系统包括读写器 ( r e a d e r ，也称为询问机) 、电子标签( t a g ，又称应答器：t r a n s p o n d e r ) 和数据管 理、处理系统组成。 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 h z - 1 3 4 2 k h z ) ，高频系统( 1 3 5 6 m h 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 h z - 5 8 g h z ) 等。 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 et a g ) ，半 有源标签( s e m i p a s s i v et a g ) 和有源标签( a c t i v et a g ) - - - 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。 本文中研究的标签即为无源、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 国内外研究现状 近年来，无线射频识别技术在国内外发展很快，r f i d 产品种类很多，像t i 、 m o t o r o l a 、p h i l i p s 、m i c r o c h i p 等世界著名厂商都生产r f i d 产品，并且各有特点， 自成系列。进入2 l 世纪后，沃尔玛、家乐福、麦德龙等零售业巨头，开始在自己 的卖场中推广r f i d 技术，从而使r f i d 技术的应用得到了新的飞跃。 目前国内的芯片公司已经完全掌握了1 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 这两个频段的 2 高性能u h fr f i d 标签芯片模拟前端设计与实现 r f i d 芯片设计技术【2 1 ，在u h f 和更高频段的r f i d 芯片设计上，国内公司也已经 开始了研发工作，但真正从事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l o ，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 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 i 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 一 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 h 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。 然而，要使r f i d 技术如预期中迅速发展，除了市场的巨大需求外，r f i d 标 签的应用和发展仍需要解决几个关键问题，它们分别是标准、成本、阅读距离和 安全【3 1 。 标准：迄今为止，全球也还没有形成一个针对“电子标签”的统一的( 包括 各个频段) 国际标准。目前主要存在四大r f i d 技术标准阵营，分别是e p cg l o b a l ( 全球产品电子管理中心) 、i s o i e c1 8 0 0 0 、a i mg l o b a l ( 全球自动识别组织) 和 u b i q u i t o u si d ( 日本泛在中心) 。其中，e p cg l o b a l 是目前全球实力最强的r f i d 标准组织。标准的不统一使当前各个厂商推出的r f i d 产品互不兼容，这势必阻碍 了未来r f i d 产品的互通和发展。因此，如何使这些标准相互兼容，让r f i d 产品 能够顺利流通是当前重要而紧迫的任务。 成本：电子标签的价格越低，它的使用范围越广，使用规模越大。限制r f i d 标签成本的因素主要包括i c 芯片的制造工艺、芯片面积、天线和封装等几个部分。 因此降低电子标签成本是推广r f i d 技术的关键。 距离：目前，射频识别技术的应用范围逐渐增大，这就要求电子标签的阅读 距离越来越远。在标签芯片设计方面，标签芯片的功耗是影响电子标签阅读距离 的最主要因素。现有r f i d 标签芯片研究中通过许多电路设计技术来降低标签芯片 各模块电路功耗，如如亚阈值电路、异步电路、绝热电路、高效率倍压整流电路、 低功耗非易失存储器设计等【4 j 。 安全：当前广泛使用的无源r f i d 系统还没有可靠的安全机制，从而无法对数 据进行高可靠性的保密。此外，识别率是r f i d 系统面临的又一问题。因此，对 r f i d 芯片加密算法和技术的研究也越来越广泛。 1 3 论文主要工作和贡献 本文在原有技术积累基础上从系统架构、能量链路和性能优化上对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，并在t s m co 1 8 1 a m 工艺线下经过流片、测试验证，研究的主要 内容和贡献主要有以下方面： 第一章绪论 1 从能量链路、阻抗匹配和工作稳定度考虑，对系统整体架构提出了相应的解 决方案。并根据能量链路估算和标签芯片重要性能指标距离，研究射频模拟前端 低功耗设计方法。 2 提出了一种高稳定度的模拟前端电路，并从系统架构、原理、仿真结果和实 际测试结果几个方面对电路进行了分析与验证。 3 根据原有芯片测试结果，提出了一种经过改进的调制解调方案和电源管理 单元电路，并从原理和实际测试结果方面对电路进行了分析与验证。 4 设计了新架构下双天线的标签芯片射频模拟前端版图，并通过t s m c o 1 8 p m 工艺线流片验证。提出了相应的测试方案，并完成了测试和测试结果的分 析。 本论文在原有技术积累基础上，从能量链路和系统架构；从低功耗和高可靠 度具体电路设计；从可测性设计和实际测试结果三方面探讨了高性能无源u h f r 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性能标签芯片 系统架构及低功耗设计、低功耗高灵敏度解调技术、低功耗高可靠度电源管理单 元设计，对芯片性能指标所涉及的关键技术提出了相应的解决方案，并结合测试 结果对系统架构进行进一步的论证。 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u h fr f i 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“高性能u h fr f i d 系统工作原理和物理层协议分析”对u h fr f i d 系统的工作原理和标签设计所遵从的物理层协议进行了介绍，重点介绍了与射频 模拟前端电路设计相关的下行链路。 第三章“高性能u h fr f i d 芯片系统架构、能量链路和性能优化分析”提出 了完整的低功耗高性能u h fr f i d 标签芯片射频模拟前端的内部结构框架，并根 据能量链路分析了芯片设计的关键技术，提出了低功耗、高稳定度设计解决方案。 第四章“高性能u h fr f i d 芯片射频模拟前端电路设计实现”研究了高性能 u h fr f i d 标签芯片调制解调电路及电源管理单元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“高性能u h fr f i d 芯片射频模拟前端测试介绍了芯片的测试流程 和测试方法，并对测试结果作出了分析。 第六章“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。 第二章高性能u h f r f i d 系统1 。怍原理和物理层协议分析 第二章高性能u h fr f i d 芯片系统工作原理和物理层协议 分析 本章对无源u h fr f i d 系统的工作原理及其与射频，模拟前端设计相关的物理 层通讯协议进行了简单介绍，为实际标签芯片的系统框架和具体电路实现提供了 参考。 21u h f r f i d 系统 _ 作原理 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。 阅读器 r f i d 标签 图2 1r y i d 系统硬什构成 ( 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 ) 读写器：读写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箍信号的编解码 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 - 2 3 2 接 口、r s - 4 8 5 接口或者e t h e m e t 接口。 ( 3 ) 读写器天线：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 和调制信号，并利用反向调制原理向读写器返回数据：标签芯片是射频识别系统 的真正数据载体，它实现读写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”j 。 6 高性能u h fr f i d 标签芯片模拟前端设计与实现 无源u h fr f i d 标签与读写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：读写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，读写器将一系列 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 回读写器的能量大小随调制信号而改变，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。读写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。 读写器和标签之间的通讯是半双工的，在整个通讯过程中，读写器是会话的 发起者。为了实现远距离范围多标签的可靠读写，标签的与读写器之间还需进行 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1 6 j 。 2 2i s o i e c18 0 0 0 6 c 标准 i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准规定了工作频率为8 6 0 m h z 到9 6 0 m h z 之间的无源u h f r f i d 的物理层、信号调制方式、数据编码方式、数据格式、数据校验，通讯过程， 防冲撞算法等方面的参数细节。本文中研究的标签均符合i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准。 根据i s o i e c l8 0 0 0 6 c 标准，在通信交互过程中读写器主动发起通话，标签 根据命令要求做出应答。采用基于随机槽值的防碰撞算法，读写器对标签链路采 用脉冲间隔编码( p i e ) ，标签对读写器链路采用f m 0 编码或m i l l e r 调制副载波编 码。读写器及标签的体系结构分别如图2 2 和图2 3 所示。 图2 2 读写器体系结构 图2 3 标签体系结构 第二章高性能u h fr f i d 系统工作原理和物理层协议分析 7 2 3 读写器到标签的通信规范 本节重点讨论与芯片射频模拟前端设计相关的下行链路物理层协议部分。 2 3 1 读写器到标签的调制方式 读写器利用p i e 编码以d s b a s k 、s s b a s k 或p r a s k 的方式调制射频载 波，与一个或一个以上的标签通信。读写器在一个盘存周期期间只能采用一种固 定的调制方式和数据速率。读写器在启动一轮盘存周期时，通过其配置的前同步 码设置数据速率。 读写器应采用图2 4 规定的d s b a s k 、s s b a s k 或p r - a s k 调制方式进行通 信。标签应能够解调上述三种类型的调制。 d 蟠袁s - 铽基带数据- 0 1 0 0123 数据符号 d s b - a 疆未s g b - a 靠调嗣波形 ：j ff ：蜊： 数据符号 d 岛 疆袁s 疆_ 皿调翻包络 数据符号 p r - j 燃调麓最形 |，、 i f 、jl 一， | 藏誊符号 i 嚏- a s i 调嗣包络 f ，1 1 h i 6 ij 布 棚 一j 、_ h， t ， 徽 毕 t ， 劂 f 脚 槊 ii 砌j 。 、l 咧 n 。 毡 u i盖 i， 射频包络丰调嗣区调翻区 d 岛- a s i 袁s 珏 疆检获诙形 母相位区 一曲相位区 调钥豫度= u - b ) a 相位翻转 p r - t a l 【捡获被形 图2 4d s b a s k ，s s b - a s k 和p r - a s k 方式的调制解调过程波形 张 糯 8 高性能u h fr f i d 标签芯片模拟前端设计与实现 2 3 2 读写器到标签的数据编码方式 如图2 5 所示，r - - t 链路应采用p i e 编码方式。t a r i 为读写器对标签发信的 基准时间间隔，其值即为数据0 的持续时间。高位值代表读写器所发送的c w ，低 位值代表减弱的c w 。所有参数的容差应为+ 1 。脉冲调制深度、上升时间、下 降时间及p w 应按表2 1 规定，这些参数对数据0 和数据1 均相同。读写器在一个 盘存周期期间，其调制深度、上升时间、下降时间、p w 、t a r i 、数据0 的长度及 数据1 的长度须保持不变。射频包络如图2 6 所示。 数据0 数据1 1 5t a r igd a t a - 1 2 0t a r i t a r io 5t a r isx t a r - a s k 调制 电场强度 图2 5p i e 编码方式 时间0 p r - a s k 调铝 电场强度 m h 上王! 钐钐形么钐形钐形钐乡多形钐 逃时闯 图2 6 读写器到标签的射频包络 读写器应以前同步码或帧同步开始所有r - - t 通信，前同步码和帧同步参见图 2 7 所示。前同步码应先于q u e r y 命令，表明盘存周期的开始。其它命令则以帧同 步开始。所有以t a d 为单位的参数的容差均应为+ _ 1 。p w 应按表2 1 中规定。 射频包络应按图2 6 所示。 前同步码应由固定长度的起始分界符、数据0 、i t 校准( r t c a l ) 符和t = r 校准( t r c a l ) 符组成。 r t c a l ：读写器应设置r t c a l ，r t c a l 等于数据o 的长度加数据1 的长度 ( r t c a l = 0 1 e n g t h + 1 l e n g t h ) 。标签应计算r t c a l 长度，并计算p i v o t = r t c a l 2 。标签在其 后的解码过程中，对于读写器发送过来的长度小于p i v o t 的符号解码为数据0 ，比 立节鸭 a 一-，。，。，。，。l 第二章高性能u h fr f i d 系统工作原理和物理层协议分析 9 p i v o t 长的解码为数据1 。标签应将长度超过4 r t c a l 的符号解析为坏数据。在更改 r t c a l 之前，读写器应最少发射长度为8 个r t c a l 的c w 。 t r c a l ：读写器应利用启动盘存周期的q u e r y 命令的前同步码中的t r c a l 和有 效载荷中的分频率( d r ) 来规定标签的反向散射链路频率( f m 0 数据速率或其m i l l e r 副载波的频率) 。式( 2 1 ) 规定了反向射散射链路频率( b l f ) 、t r c a l 和d r 之间的关 系。标签应测定t r c a l 的长度，计算b l f ，并将其t _ r 链路速率调节至等于b l f 。 读写器在任一盘存周期中采用的t r c a l 和r t c a l 应满足等式( 2 2 ) 的限制条件： b l f ：生 t r c a l ( 2 1 ) 1 1 x r t c a l t r c a l 3 x r t c a l ( 2 2 ) 帧同步等同于前同步码减t r c a l 符。在盘存周期期间，读写器在帧同步中使 用的r t c a l 长度应与其在启动该盘存周期的前同步码中使用的长度相同。 ( a ) 前同步码 ( b ) 帧同步 图2 7r - t 的( a ) 前同步码和( b ) 帧同步 读写器应采用6 2 5 1 x s 至2 5 i r t s 之间的一个t a d 值进行通信。应至少采用6 2 5 至2 5 9 s 之间的一个t a d 值，和至少一个参数值x 对读写器的符合性进行评估。以 t a d 为单位进行表述的各参数，其容差应在+ - 1 之内。读写器应在一个盘存周期 期间采用固定时间长度的数据0 和数据l 。t a d 值的选择应同时符合地方无线电管 理规范。 l o 高性能u h fr f i d 标签芯片模拟前端设计与实现 表2 1 射频包络参数 t a r i 参数符号最小值正常值最大值 单位 调制 ( a b ) a8 09 01 0 0 深度 射频包络纹波 m h = m l 0 0 0 5 ( a b ) v m 6 2 5 9 s 射频包络上升 时间 参1 0 - 9 0 0o 3 3 t a r i 肛 2 5 1 x s 射频包络下降 k 1 0 - 9 0 o 0 3 3 t 撕 岫 时间 m a x 射频脉冲宽度p w0 5 2 5 t a r i 邺 ( 0 2 6 5 t a r i ，2 ) 2 4 小结 本章对u h fr f i d 系统的组成、工作原理和通信方式做了简单介绍与分析， 并从u h fr f i d 系统模拟前端的设计角度分析了读写器与标签之间的通信规范， 为芯片模拟前端具体电路设计实现提供了参考依据。 第三章高性能l r h fr f i d 芯片系统架构、能量链路和性能优化分析 l l 第三章高性能u h fr f i d 芯片系统架构、能量链路和性能优 化分析 根据i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准，本章给出了一种高性能、高可靠度u h fr f i d 芯片射频模拟前端的整体架构设计方案，并从能量链路和性能指标出发，分析了 实际芯片设计中的关键技术和低功耗设计方法。 3 1 高性能u h fr f i d 芯片系统架构分析 根据上述对u h fr f i d 系统和工作原理的分析，提出了如图3 1 所示的高性能 u h fr f i d 标签芯片的结构框架。其中，标签天线是唯一不被集成到芯片中的元件。 l 强f r o n t e n d a n a l o gf r o n te n d _ m o d 偷，rl r e c t_ 1 一- 一d i s c h 孵i i i r e f e r e n c e ho s c 一 l 一 p a d 厂 t 2 t u w 毛；：【面 i b a s e b a n dm r p 矗 芝z 八 r f 2 r e c l r1r 1| 1 气 卜 乜1b m o d e i _ r e g u l a t o r p 0 剐 m o d 卜 r e g u l a t o rr t - - 7 图3 1 商性能u h f r f i d 芯片架构 芯片架构大体上可以分为四个部分：射频前端、模拟前端、数字基带和m t p 存储器。数字基带是整个芯片的控制单元，m t p 存储器是信息存储单元。 在标签系统中，信号通路可以分为下行链路和上行链路两部分。从读写器发 射出的射频能量被天线接收后，经过射频前端的倍压整流部分转化成标签其它部 分可用的直流能量，同时检波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；返回信号经射频前端进行负载调制并经过标签天线发送回读写器。模拟 前端产生芯片工作所需的上电复位、时钟、参考电压电流等信号，这些信号与被 恢复出的数据信号一同送入数字基带进行协议处理；并根据指令，从m t p 读出 擦写相应的数据，下面将简要介绍各模块所需实现的功能。 3 1 1 标签天线 标签天线主要用于接收读写器发射来的射频能量及信息，并负责发射标签需 要返回的相关信息。接收时，标签天线把电磁波转换为射频识别系统微带天线的 1 2 高性能u h fr f i d 标签芯片模拟前端设计与实现 高频电流；发射时，标签天线再把高频电流转换成电磁波；标签和读写器都是通 过天线进行数据发射和接收的。 u h fr f i d 系统多采用远场辐射天线，主要由电场偶极子天线、对称振子天线 以及微带天线所组成。远场辐射天线通常是谐振式的，一般取为半波长，该天线 最终与标签芯片封装在一起，因此，系统工作频率的大小决定这标签天线的尺寸， 而标签天线的大小又决定着射频识别标签的大小。 天线作为通信系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响通信系统的指标。 因此设计天线时必须综合考虑天线的性能、类型和尺寸：如天线的方向图是否符 合系统设计中电波覆盖的要求，天线的频率带宽、增益、阻抗以及天线的鲁棒性 和制造成本等等。 在设计者可控的情况下，提高天线增益和降低标签功耗成为提高射频识别系 统通信距离的重要手段。由于方向性的天线增益可达6 d b i ，因此标签天线中多使 用方向性天线，其优点在于具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰 7 1 。 3 1 2 阻抗匹配网络 阻抗匹配网络介于天线与标签之间，其主要功能是使天线与标签的阻抗达到 共轭匹配，从而使天线传输到标签的能量最大化。 r f i d 标签和天线的等效阻抗图如图3 2 所示。其中电压源表示标签天线接收 到的开路电压。标签芯片等效阻抗可表示为： z i c = r i c + j x i c 0 一n 天线等效阻抗可表示为： 乙= 如，+ 弘乙 ( 3 2 ) 其中，标签芯片阻抗互。随着工作频率和传输到芯片内部能量的变化而变化， 天线阻抗乙随工作频率的变化而变化。当阻抗达到共轭匹配时，传输到芯片的能 量最大。设计过程中，阻抗匹配一般在芯片接收到能量阈值( 即芯片工作所需要 的最小能量) 时被满足。 心= ，托= 一k ( 3 - 3 ) 一 f 州 图3 2r f i d 标签和天线的等效阻抗图 第三章高性能u h fr f i d 芯片系统架构、能量链路和性能优化分析 1 3 根据功率传输理论，定义标签芯片从天线接收到的能量最如下： 最= e m g k = 巴g ( 1 一 g 1 2 ) ( 3 - 4 ) 其中，只为达到共轭匹配时，芯片从标签天线接收到的最大能量；k 为标签 功率传输系数，1 1 为电压反射系数。 r ：墨：型二鱼 ( 3 5 ) z 删+ z 碡 i r | 2 为功率反射系数，是指未被标签接收到的归一化能量因子。 i r l 2 = i 蟹1 2 ，o 1 时，迟滞便会出现。 v d d 图4 1 l 迟滞比较器 以下分析将推导有迟滞时的转折点方程。假设使用正、负电源，且m 1 的删接 地。当m 2 的输入远低于零时，m 1 导通，m 2 截止，于是，m 3 和m 6 将导通，m 4 和m 7 将截止。毛全部流经m 1 和m 3 ，因此2 是高电平。这种状态下的电路如图 4 1 2 ( a ) 所示。尽管m 2 时截止的，它在电路中仍然被画出。此时，m 6 试图提供 如下电流： f 6 = 丽( w l ) 6 i ( 4 - 4 ) 随着不断地向阈值点( 未知) 增加，毛的一些电流开始流过m 2 ，此现象将 一直持续到这样一点，即流过m 2 的电流等于流过m 6 中的电流。当超过这一点时 比较器才改变状态。为了估算其中的一个转折点，必须在之= 毛时对电路进行分析。 计算如下： 名= 两( w 瓦l ) 6 ( 4 - 5 ) 因此， 乞2 毛= 之+ ( = 毛) 扣可两责万碉乇 2 2 1 5 一z l ( 4 6 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) ( 4 9 ) 高性能u h fr f i d 标签芯片模拟前端设计与实现 图4 1 2 不同状态下比较器工作图 知道了m 1 和m 2 的电流就很容易计算出它们各自的v 矗。因为m 1 的栅接地， 用m 1 和m 2 栅一源电压差值可以计算出正的转折点，计算如下： 一“2 喁 、- 。s ：= = ( 卺 1 7 2 r ，；： c 4 一t ， + = v 矗2 一v 矗l ( 4 1 2 ) 一旦达到阈值，比较器就会改变状态，于是大部分的尾电流流过m 2 和m 4 。于 是，m 7 导通，m 3 、m 6 和m 1 截止。与先前的情况一样，随着输入减小，电路达 到某一点使m 1 中的电流值增加到与m 7 中的电流值相等，在这一点的输入电压正 是负转折点一。这种状态下的等效电路如图4 1 2 ( b ) 所示。为了计算转折点， 可使用下列方程： 岛= 丽( w l ) _ 7 ( 4 - 1 3 )；一 ；， 12 、 b 一丽- h 吖川 = 弓 ( 4 1 4 ) 毛= 之+ ( 4 1 5 ) 因此， 2 了；t 币歹了z 翩2 f 2 4 1 6 转折点为： 一= 2 一v 矗l ( 4 - 1 7 ) 有源r c 电路中，由于读写器到标签的通信数据频率在4 0 k 1 6 0 k h z 之间，载 波频率为9 0 0 m h z ，为了能够正确检波出信号包络，r c 回路的时常数应满足式 ( 4 - 1 8 ) ： 第四章高性能u h fr f i d 芯片模拟前端电路设计实现 高f ( r c l 6 0 k h z ，同时= i ，2 e 通过计算厦仿真确定在本设计中， 旦= 1 0 k ，c = 5 0 0 f ，b = 4 m ，g = 2 p 。 在t s m c l 8 r f 的p d k 下，解- i g l 电路不同情况下的仿真结果如图41 3 所示 揣船嚣：”一i 燕藤矛丽磊 f a m 二艺角仿真结果( b ) 口工艺角仿真结果 高性能u h fr f i d 标笛芯片模拟前端设计与实现 - ；巾0 n 嘲嘞、n v m0 4 h 口”唧q t v 埘“n 咖”- 澌n b h c ) s s 工艺角f 的仿真结果 ( d ) 电阻失配2 0 时的仿真结果 图413不q j ：角下解调电路的仿真结粜 图41 4 的仿真结果是在输入载波频率为9 0 0 m h z ，输入的被调制信号的算一个 低电平长度是1 25 u s ，第二个低电平长度是9 6 t s 的情况下得到的。仿真结果分别 给出了不| 叫工艺角下的小同输入电压幅度f 的仿真结果，还有考虑到工艺造成的电 阻失配时的情况。从圈中可以看出，解调出来的波形k 度是可以满足数字部分的1 0 的容限的。 解调电路版图如图41 4 所示 蓦勰 一 凹4 1 4 解调电路版图 第四章高性能u h fr f i d 芯片模拟前端电路设计实现 3 3 4 2 电源管理单元设计与实现 4 2 1 低功耗亚阈值基准源电路 目前针对低压低功耗微电流源的研究很多，出现了许多非常规设计的电流源电 路，如文献【1 7 b 8 j 中都对不需要采用电阻的超低功耗电流源进行了研究，这种电路利 用了m o s 管在弱反型【1 9 j 状态下的特性，采用了一种基于电流的模型【2 0 】对电流源进 行设计，经过实际仿真发现，这种电流源在电源电压变化范围很大的情况下没有很 好的抑制作用，本文提出了一种工作于亚阈值的基准源电路，可以在很低的工作电 压下启动，并产生稳定的电流。基准源的电路图如图4 1 5 所示。 丸 r l l广。l 1 广85 厂w “一 p圭 fb 上 时占 jit 柏卜 输出单元 喜q 善喜 。呷f 丫匕卜乓 iil l l i 启动电路。 + 基准核心 七 图4 1 5 基准源电路电路图 可以看到，基准源电路由四部分组成，分别是泄流稳压电路和二级滤波电路、 启动电路、基准核心和输出镜像单元。其中，泄流稳压电路用于在标签与芯片之间 距离变化的时候，提供给芯片一个稳定的电压，并具有一定的低频滤波作用。二级 滤波电路用于滤除倍压整流输出中包含的高频纹波。启动电路是为了防止电路中可 能出现的简并偏置剧2 1 j 。输出单元用于给时钟等其它模块提供电流偏置。 其原理框图如图4 1 6 所示： 图4 1 6 基准源电路原理图 高性能u h fr f i d 标签芯片模拟前端设计与实现 本节中我们重点研究基准源电路的基准核心部分，其工作原理为： 由于运放的负反馈作用，运放输入端的电压相等，即有： g x = k g x = 3 k = + 吆 由式( 4 2 2 ) 、( 4 2 3 ) 、( 4 2 4 ) 可得： ( 4 2 2 ) ( 4 2 3 ) ( 4 2 4 ) y r2y g s 3 一g s 4 2 1 4x r( 4 - 2 5 ) 下面将推导电流基准核心的工作电流大小表达式： 对于工作在亚阈值区的m o s 管，其漏电流的表达式为： 护一( 等) x ( 1 - e 冲- - u v t d s ) s xaxe x p ( 簪) ( 4 粕， 因此，