（信号与信息处理专业论文）passive+uhf+rfid+tag中解调器及一些低功耗模拟模块的设计.pdf

i l l l l t l l l l l ll l l l l lt l l l l l l l l li i i i l l th i y 17 9 8 15 7 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：事产甏象 幻d ? 年 月) 弓日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在f 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 髟类丕 学位论文作者签名： 雩f 慧象 解密时间： 弘| 3 年 s 只汕日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：毒f 慧衾 功0 3 年 月 ；日 摘要 摘要 超高频射频识别系统( u h fi 玎i d ) 在最近几年得到了迅速的发展。在商业 应用中要求电子标签( t a g ) 能够准确的从阅读器发送的射频信号中将数据解调 出来，这样就对标签解调器的设计提出了要求。本文提出了两种低功耗的解调 器电路，它们的功耗主要来自电压倍乘电路从天线上获得的能量。仿真结果表 明两种解调器耗费的电流分别为6 0 0 h a 和4 5 0 h a 。 通过降低标签芯片的功耗可以有效的增加超高频射频识别系统的工作距 离。为了增加系统的工作距离，本文还对一些低功耗模拟模块的设计提出了讨 论。芯片采用了c h a r t e r e d 公司的0 3 5 u me e p r o mc m o s 工艺，仿真则使用了 c a d e n c e 公司的s p e c t r e 工具来实现。 关键词：超高频射频识别电子标签解调器低功耗模拟模块设计 l a b s t r a c t a b s t r a c t t h eu l t r ah i g hf r e q u e n c y ( u h f ) p a s s i v er 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 ) t e c h n o l o g yh a sg a i n e dp o p u l a r i t y c o m m e r c i a la p p l i c a t i o nr e q u i r e st h a tt a gc o u l d a c c u r a t e l yd e m o d u l a t et h ed a t ae m i t t i n gb yr e a d e r t h i sp a p e rp r e s e n t st w ok i n d so f d i f f e r e n td e s i g n so fl o w p o w e rd e m o d u l a t o r b o t hd e m o d u l a t o sp o w e rw o u l db e t a k e nf r o mt h er fe n e r g yw i t hh e l po fav o l t a g em u t i p l i e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ec u r r e n tc o n s u m p t i o n so fd e m o d u l a t o sa r e6 0 0 h aa n d4 5 0 n a r e s p e c t i v e l y t h ea c t i v er a n g eo fu h fr f i dc o u l di se x t e n d e db yr e d u c i n gt a gp o w e r c o n s u m p t i o n f o rg e t t i n gm a x i m u ma c t i v ed i s t a n c e ，t h i sp a p e rp r e s e n t ss o m el o w p o w e ra n a l o gm o d u l e sd e s i g n s t h ec i r c u i td e s i g ni sr e a l i z e di n0 35 u r ne e p r o m c m o st e c h n o l o g y , a n dt h ec i r c u i ts i m u l a t i o ni st a k e nb ys p e c t r e k e yw o r d s ：u h fr f i dt a g d e m o d u l a t o rl o wp o w e r a n a l o g m o d u l e sd e s i g n i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 第一节引言。1 第二节选题背景4 第三节u h fr f i dt a g 的电路结构5 第四节本文结构6 第二章p a s s i v eu h fr f i d 系统通信的物理基础8 第三章解调器电路的设计1 1 第一节解调器电路性能指标的讨论1 2 第二节电压倍乘电路的设计。1 3 3 2 1 电压倍乘电路的原理分析1 3 3 2 2 电压倍乘电路的设计1 6 第三节限压电路的设计1 6 3 3 1 v o l t a g el i m i t e r 电路的工作原理。1 6 3 3 2 v o l t a g el i m i t e r 电路的设计1 7 第四节解调器电路结构的讨论1 8 第五节解调器电路的设计2 0 第四章一些低功耗模拟模块的设计2 5 第一节p a s s i v eu h fi 讧i dt a g 电路实现低功耗方法的讨论2 5 第二节基准产生电路的设计2 5 i i i 目录 4 2 1 应用于u h fi 江dt a g 基准产生电路结构的选择2 5 4 2 2 基准产生电路的设计3 0 第三节稳压电路3 2 4 3 1l d o 电路的基本原理。3 3 4 3 2l d o 电路的特性3 3 4 3 3l d o 电路的设计。3 6 第四节调制器电路3 8 4 4 1u fi 强d 天线模型3 9 4 4 2 a s k 调制中的阻抗匹配。4 0 4 4 3a s k 调制电路的设计原理4 1 第五节o s c i l l a t o r 电路4 2 4 5 1r e l a x a t i o no s c i l l a t o r 的设计4 2 4 5 2r i n go s c i l l a t o r 的设计4 5 4 5 3t r i m m i n g 电路的设计4 7 第五章电路仿真与测试4 9 第一节解调器电路的仿真4 9 第二节基准产生电路的仿真5 1 第三节稳压电路的仿真5 5 第四节o s c 电路的仿真5 8 第五节整体模拟电路的仿真6 1 第六节芯片初步测试结果6 1 第六章结论6 4 致 射6 5 参考文献6 6 个人简历、学术论文与研究成果6 8 i v 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 近年来，在货物采购与分配、商业贸易、生产制造和物流等领域中，自动 识别方法得到了快速的普及和推广。自动识别的任务和目的是提供关于个人、 动物、货物和商品的信息。 几年前，条形码在识别系统领域中引起了一场革命并得到了广泛应用。今 天，这种条形码在越来越多的情况下已经不能满足人们的需求了。条形码虽然 很便宜，但是它的不足之处在于存储量小且不能进行改写。 为解决条形码的不足，可以将数据储存在一块芯片里。早期的日常生活中， 具有触点排的i c 卡( 如电话i c 卡、银行卡等) 是电子数据载体的最普遍的结 构。然而，在许多情况下机械式接触的i c 卡不够可靠。相比之下，在数据载体 与一个所属的阅读器之间进行非接触式数据传输的方法则灵活得多。最理想的 方法是，电子数据载体工作时所需要的能量可以通过阅读器来进行非接触式的 获取。根据使用的能量和数据传输方法，我们把非接触式识别系统称作射频识 别系统( 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 ) 。 通过从事射频识别系统开发和营销的公司数量足以证明，这是一种具有很 大市场潜力的产品。截止到2 0 0 7 年初，在过去的6 0 年里累计售出的r f i d 标签 有3 7 5 2 亿个。其中，2 0 0 6 年标签销售额占到了2 7 ，2 0 0 5 年占1 9 ，这表明 r f i d 标签的销售正在稳步增长。射频识别系统的市场同无线电工业、手机和无 线电话一样，都属于最迅猛增长的领域。 近年来，非接触式识别技术已经逐步发展成为一门独立的跨学科专业，与 任何传统学科不同的是，它将大量来自不同专业领域的技术综合到一起：高频 技术、电磁兼容技术、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许 多应用技术。 射频识别( i 心i d ) 系统的组成 通常射频识别系统由应答器( t a g ) 和阅读器两部分构成。应答器放置在被 识别物体处，用于储存和收集数据；阅读器来接收应答器储存的数据( 或向t a g 写入数据) ，如图1 1 所示。 第一章绪论 图1 1r f i d 系统的组成和工作原理 一台典型的阅读器包含有高频模块( 发送器和接收器) 、控制单元、及与 应答器相连接的耦合元件。此外还可能包括与其他系统( 个人计算机、机器人 控制装置等) 相连的接口。 应答器是射频识别系统真正的数据载体。通常，应答器由耦合元件及微电 子芯片组成。在阅读器的响应范围之外，应答器处于无源状态；只有在应答器 的响应范围之内，应答器才是有源的。应答器工作所需的能量，如同时钟脉冲 和数据一样，是通过耦合单元传输给应答器的。 射频识别( r f i d ) 系统的区别特征 射频识别系统包含有许多不同的类型，它们之间可以通过基本工作方式、 工作频率、数据传输方法、应答器的供电方式和系统的作用距离等特征区别开 来。 就射频识别系统基本工作方式来说，可分为全双工( f d x ) 和半双工( h d x ) 系统，以及时序系统【l 】。在全双工和半双工系统中，应答器的应答响应是在阅读 器接通高频电磁场的情况下送出去的。实践中通常采用负载调制、带有负载波 的负载调制，以及阅读器发送频率谐波等方法，实现从应答器到阅读器的数据 传输。时序方法则与之相反，阅读器的电磁场短时间周期的断开。这些间隔被 应答器识别出来，并用于从应答器到阅读器的数据传输。时序方法的缺点是： 在阅读器发送间歇时，会造成应答器的能量供应中断，因此必须装入大的辅助 电容器或辅助电池进行补偿( 见图1 2 ) 。 2 第一章绪论 图1 2 全双工、半双工和时序系统的时间过程说明 射频识别系统的一个重要特征是系统的工作频率和作用距离。通常把阅读 器的发送频率称为射频识别系统的工作频率，不考虑应答器的发送频率。在任 何情况下，应答器的“发射功率 要比阅读器的发射功率低几十个百分点。 通常把发射频率分为三个范围：低频( 3 0 k h z 一3 0 0 l m z ) 、高频或射频( 3 m h z - - 3 0 m h z ) 和超高频( 3 0 0 m h z - - 3 g h z ) 或微波( 3 g h z ) 。按照作用距离， 射频识别系统可分为：紧密耦合( o l e m ) 、遥控耦合( o l m ) 和远距离( l m ) 系统。 射频识别系统的另一个重要特征是应答器的供电方式。无源应答器的工作 距离较短，其自身没有电源，工作所需的能量全部从电场中获得；与此相反， 有源应答器工作距离较长，其包含一个电源，为微芯片的工作及保存数据提供 能量。 表1 1 从发射频率的角度上对p a s s i v er f i d 进行了分类并列出一些不同频率 r f i d 的特性。 表1 1p a s s i v er f i d 根据发射频率的分类及特性 f r e q u e n c yc a m c o m s u n i c a t i o n r e a d e r b a n d f r e q u e n c y c o u p l i n gp 也l n g e d a t ah t e l h t u r i t y c o g q ： t y p i c a lm a x i m u m 强1 2 5 1 3 g 髓 z2 0 e l ml o o t sl o w v e r yn a t u r e l o w i 删l u c t i v e 鄂 1 3 5 8 瓣1 0l o c m7 0 e m h i g h e s t a b li s h m e n tm e d i u m i n d u c t i v e 班枣8 6 8 9 2 8 蟠 z3 ml o sm e d i u mn e w v e r yh i g h b a c k s c a t t e r 2 4 5 g h zb a c k s c a t t e r3 m o m e d i u m i 秘 b e v e 】o p m e n t v e r yh i g h m i c r o w a v e 5 8 g 舷b a c k s e a z t e r3 2m e d i u m f u t t i r e d e v e l o l m e n t v e r yn i g h 3 第一章绪论 第二节选题背景 超高频( u h f ) r f i d 技术是目前射频识别技术中最活跃的领域。u h fr f i d 的频率范围通常为4 3 3 m h z 、8 6 0 - - 9 6 0 m h z 。与低频的应答器相比，u h f 的应 答器( 即电子标签) 具有读写距离远、能一次性读取多个标签、穿透性强、可 多次读写、数据的记忆容量大，无源电子标签成本低，体积小，使用方便，可 靠性和寿命高，可以在车辆或其它被标识的物体高速运动的情况下工作、耐受 户外恶劣环境等特点。因此在物流、供应链管理、高速公路收费、设备管理、 工作环境安全、文献管理、动物管理等领域获得了广泛的应用。 u h fr f i d 系统的组成一般来说至少包括两个部分：电子标签和阅读器。阅 读器在系统中产生、发射电磁波信号并接受由电子标签反射回的电磁波信号， 并经过解调得到标签内的数据信息，从而达到射频识别的目的。电子标签作为 数据载体，内部的储存单元保存有一定的电子数据。 u h fr f i d 系统工作时，阅读器通过发射天线以电磁波形式将信号向外发 射，当标签进入发射天线的有效工作区域时，电子标签的控制系统被激活，标 签内部的调制模块将存储器中的信息调制到载波上并通过标签天线发送出去， 阅读器收到电子标签的反射信号后，由天线连接器传送到数据处理模块，数据 处理模块将信号解调后送到微控制器，微控制器根据得到的标签的数据判断标 签的合法性，并做出相应的处理和控制。这种通信方式使用了电磁波耦合原理 ( 图1 3 ) 。 一 _ - _ d i r a 图1 3 u h f 砌：d 系统的电磁波耦合原理 4 第一章绪论 当前，u h fr f i d 标签也存在一些应用限制。首先，存在不同的技术标准： 总部设在美国麻省理工学院的a u t o i dc e n t e r ( e p c 标准) ，另一个是日本的 u b i q u i t o u si dc e n t e r ( u i d 标准) 。日本u i d 标准和欧美的e p c 标准在使用无 线频段、信息位数和应用领域等存在诸多差异。例如日本的r f i d 采用的频段为 2 4 5 g h z 和1 3 5 6 m h z ，欧美的e p c 标准采用u h f 频段，如9 0 2 姗z 一9 2 8 m h z ； 日本的电子标签的信息位数为1 2 8 位，e p c 标准的位数为9 6 位；日本的电子标 签标准可用于库存管理、信息发送与接收以及产品和零部件的跟踪管理等，e p c 标准侧重于物流管理、库存管理等。 其次，u h fr f i dt a g 的生产规模较小，且不同的生产厂家采用不同的标 准，造成了标签的成本较高且不同的系统间互不兼容的问题，限制了u h fr f i d 的应用。 第三，由于u h dr f i d 采用电磁场耦合的方式来传递能量和信号，因此在 阅读器工作范围内的金属等物质会对电磁场的传播产生影响，这样就对u h d r f i d 的应用环境有一定的要求，如何合理设计并改进u h fr f i d 系统仍是当前 研究方向之一。 u h fr f i dt a g 分为主动式和被动式两种。主动式标签内部带有电池，电池 为应答器芯片供电，应答器和阅读器之间数据传输所需要的能量则由阅读器发 射的电磁场产生。主动式标签的有效工作距离较长、易于与传感器连接，但其 成本较高，需要周期性的更换电池。被动式标签内部没有电池，其应答器芯片 工作及与阅读器之间数据传输所需要的能量都由阅读器发射的电磁场产生动 式标签的工作距离相对较短，但其成本较低，且不存在更换电池的问题，在实 际应用中有更广泛的前景。本文所讨论的u h fr f i dt a g 即是被动式芯片。 第三节u h fr f i dt a g 的电路结构 本文提到的p a s s i v e u h fr f i dt a g 整体结构如图1 4 所示。其组成模块如下： 全波整流电路整流：由肖特基二极管组成的全波整流电路整流电路把阅读 器传送过来的射频信号转化成直流电压，并为芯片内部其它所有电路提供能量。 限压电路v o l t a g el i m i t e r ：v o l t a g el i m i t e r 电路使整流产生的输出电压限制 在内部器件的击穿范围内，当标签接受到的有效各向同性辐射功率e i r p 5 第一章绪论 ( e f f e c t i v et r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) 达到1 8 0 0 0 - - 6 c 协议规定的最大值4 w 时， v o l t a g el i m i t e r 的输出电压仍需保证在击穿范围内。 基准产生电路：基准产生电路为其它电路提供相对稳定的参考电压及参考 电流。 直流稳压器：稳压电路接受整流电路提供的能量并产生一个相对稳定的输 出电压，为逻辑电路、储存器电路及其它电路提供工作电压。 解调器：a s k 解调器把读卡器发送的数据从输入的射频信号中提取出来， 转化成数字信号发送给逻辑控制模块。 调制器：调制器把逻辑控制电路送出的数据调制后通过反相散射的方式传 回阅读器。 振荡器：振荡器为逻辑控制电路提供时钟信号。 p a s s i v eu h fr f i dt a g 还包括逻辑控制部分及储存器部分，这两部分的内容 不在本文的讨论范围之内。 图1 4 t a g 设计整体结构图 第四节本文结构 本文介绍了一种被动式u h fr f i dt a g 芯片的模拟部分，该芯片遵从 i s 0 18 0 0 0 - - 6 c 协议，并与e p cg l o b a lg e n 2c l a s s l 兼容。芯片采用c h a r t e r e z l 0 3 5 u me m b e d d e de e p r o m 工艺实现，内容包括整流、l i m i t e r 、r e f e r e n c e 、稳 压、o s c i l l a t o r 、m o d u l a t o r 、解调器等模拟模块。芯片还包括有数字逻辑控制及 6 第一章绪论 e e p r o m 储存器模块。借助c a d e n c e 公司的电路设计和仿真工具s p e c t r e 对 电路做了仿真验证。仿真结果表明：模拟部分能够将天线感应到的交流信号转 化为直流电压，能够为数字及e e p r o m 模块提供工作电流( 写周期时为8 0 衅) ， 能够从载波中将数据解调出来，能够将数字逻辑部分处理后的数据发送出去。 本次设计期望芯片的最大工作距离不小于4 米。 本文的结构如下： 第一章简单介绍了r f i d 系统的概念及特征，并介绍了p a s s i v eu h fr f i d t a g 的结构。 第二章简单介绍了p a s s i v eu h fr f i d 系统通信的物理基础。 第三章介绍了解调器的原理、结构及电路构成 第四章从低功耗的角度对一些模拟电路模块的功能和结构进行简单的分 析。 第五章给出了解调器及第四章提到的模拟电路模块的一些仿真和测试结 果。 第六章总结。 7 第二章p a s s i v eu h fr f i d 系统通信的物理基础 第二章p a s s i v eu h fr f i d 系统通信的物理基础 在u h fr f i d 系统中，阅读器和标签之间采用电磁波耦合的方式来进行能 量和数据的传输，本章对电磁波耦合的物理原理进行了简单的介绍。 由麦克斯韦方程组可知：在空间任意点上，时变的电场产生时变的磁场， 时变的磁场又产生时变的电场。磁场与随时间变化的电场结合在一起，同时传 播。当传播到一定的距离时这种场开始电磁辐射，形成电磁波。电磁波以光速 向外传播，其波长五和速度c 的关系为 c l = 一 。 ( 2 1 ) 从某点辐射得电磁波在空间构成一个球体。同时，通过电磁波向周围空间 传输能量。随着与辐射源距离的增大，其能量分布到更大的球面上。为了描述 这种关系，人们提出了单位面积内的辐射功率，即辐射功率密度的概念。对于 球形均质辐射器，辐射功率密度s 有以下公式 s ：_ - e t 即( 2 2 ) 4 n r 这里的e i r p 指有效各向同性辐射功率( e f f e c t i v et r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) ，在1 8 0 0 0 - - 6 c 协议中规定了其最大值为4 w 。p e 时可以写为 p e 黜= p l 宰g i ( 2 3 ) 式中p l 是天线馈送功率，g i 是主辐射方向上天线的增益。通过式2 2 及2 3 可以 得出主辐射方向上辐射功率密度s 的表达式： s ：一p i * g i 4 n r 2 ( 2 4 ) 电磁波的接收同样使用天线来完成。图2 1 给出了应答器天线的等效电路图 印囱 图2 1 应答器天线的等效电路图 8 第二章p a s s i v eu h fr f i d 系统通信的物理基础 其中v t 为天线感应产生得到的直流电压，天线的输入阻抗磊= 尺加+ 硒，负载 阻抗z l = r l + 成。 当天线具有最佳的对准和正确的极化时，从天线可吸收的最大接收功率与 入射波的辐射功率密度s 成正比，这个比例系数称为有效面积九。有公式 r = 么j ( 2 5 ) 由图2 1 ，有 r 2 面面v 丽r ：r l ( 2 6 ) 结合式2 5 及2 6 可以得到 舡号2 碲蔷 汜7 ， 儿2 了2 司两瓦再网 心 如果天线是以功率匹配的方式工作时，有r 加= 见及= x l 。式2 7 化简为 么。：旦( 2 8 ) 此时天线获得的功率为 r ：里( 2 9 ) 除了有效面积丸外，天线还有一个参数，即反射横截面仃= a s ，这是一个 用于描述电磁波反射程度的参数。反射横截面a 。的计算公式如下 仃= 彳，= e s s s 【( 尺加+ 见) z 2 钿 c 2 ，。， 弘儿。s s 陋+ 见) z 砸i 嗣 屹川 当天线处于功率匹配的方式工作，有 以：旦( 2 1 1 ) 式2 1 1 与2 8 相比，a s = a 。这意味着只有从电磁场中接收的全部功率的一半 传送给负载电阻r l ，另一半则由天线向空间反射回去。 在标签具有不同阻抗z l 的情况下，反射横截面a 。具有不同的特性。在z l - - 0 的情况下( 在天线连接处短路) ，根据式2 1 0 ，有 9 第二章p a s s i v eu h fr f i d 系统通信的物理基础 以一一= 羔划忍：。娥加 ( 2 1 2 ) 在z l = 的情况下( 标签的负载阻抗非常大) ，根据式2 1 0 ，有 a s 一曲= o l 忍_ m( 2 1 3 ) 在标签负载阻抗z l 取值不同的情况下，反射横截面可能是0 4 氏中的任意 值。在r f i d 系统中从标签到阅读器的数据传输就是利用了这个天线特征。 在匹配条件下，有如下两个公式 1 z 4 。：彳。：鱼g( 2 1 4 ) 4 n z 只：彳j ：鱼g s( 2 1 5 ) 4 n 这里的g 是天线的增益。 1 0 第三章解调器电路的设计 第三章解调器电路的设计 解调器电路( 解调器) 用于将阅读器传送给标签的信号从载波中提取出来， 并转化为高低电平形式传送给数字端。阅读器传送给标签的信号形式遵从1 8 0 0 0 - - 6 c 协议。该协议规定，阅读器与标签间通过脉冲间隔编码( p i e _ p u l s ei n t e r v a l e n c o d i n g ) 的方式传输数据。传输数据的比特率为2 6 7 k b p s - - 1 2 8 k b p s 。调制方 式为1 0 0 a s k 调制。图3 1 给出了给出了阅读器传送数据信号的波形图，图 3 2 、表3 1 则给出了数据信号的编码方式和参数。 d a t a 0 d a t a 1 1 st 翻墨d a t a - 1s2 0t a 一一 t a 一0 5 t a r j 墨x s t a d p w ip w 图3 1 阅读器向标签传输数据使用的编码方式 a s km o d u l a t i o n e l e c t r i c f i e l d 蛐冒脚 。窆豹功瑾纭兹豹场磁么勿钐场 p r a s km o d u l a t i o n 图3 2 阅读器向标签传输数据信号的波形图 第三章解调器电路的设计 表3 1 阅读器发送射频信号的参数值 t a p a r a m e t e r s y m b o l m t n l m u mn o m t n a im a x l m u mu n i t s m o d u i a t = o nd e p t h a 暑) ，a 8 09 01 0 0 6 2 5p s r fe n v e l o p er , p p d em h 鲁m o00 5 ( 黼1v | l m t o r fe n v e 4 0 p er l s et = m eh 1 0 - e 0 00 3 3 t a r i p s 2 5 啪 r fe n v e o p ef a i lt i m e | 1 e k 1 i o t oo3 3 t a r t p s r fp u l s e w l d 伽p w u a x ( 02 6 5 t a n ，2 j 0 5 2 5 t a n p s 图3 3 给出了调制前后信号的波形图，解调器的任务就是将天线两端接收 到的信号图3 3 ( a ) 的信号形式解调为图3 3 ( b ) 的信号形式。 第三章解调器电路的设计 信号长度对数字逻辑电路的判断有着较大的影响，一般情况下，解调器电路 出的低电平信号的长度要小于阅读器传送的低电平信号长度。因此将信号失 程度定义为低电平信号的失真程度。 由表3 1 ，阅读器传送信号的低电平长度p w 最小值为2 “s ，在此数值下信 失真最大，因此设计和仿真时常以2 p s 作为解调器输入低电平信号的长度。 电路功耗：对于r f i d 系统来说，过多的功耗是不适宜的。因此解调器电路 功耗也是衡量电路性能的重要标准。 灵敏度：解调器电路的输入信号为天线在电磁场中感应到的电压信号。由 空间中的电磁场存在各种干扰，使得天线上感应到信号的幅值可能存在抖动， 调器电路必须能够分清信号和干扰，不能产生误动作，即灵敏度不能过高。 另一方面，随着标签和阅读器距离的不同，解调器电路的输入信号幅值变化范 围很大。当距离较远、解调器电路的输入信号幅值变化较小时，希望解调器电 路仍能够准确解调出数据，灵敏度不能过低。这就要求解调器电路有合适的灵 敏度。 上面提到的解调器电路的三种性能常常相互制约，设计时需要进行综合考 虑。 第二节电压倍乘电路的设计 3 2 1 电压倍乘电路的原理分析 解调器电路的输入信号为天线在电磁场中感应到的电压信号。这个信号的 幅值很小，因此在进行判断之前首先要对这个信号进行电压倍乘来增大数据信 号的幅值。 电压倍乘电路的结构如图3 4 所示。其升压原理如下：当v i n 为负值时，二 极管d l 导通，d 2 截止，电容c l 被充电到v 矾一v t h ( v t h 为二极管的导通电压) ， 当v i n 变为正值时，二极管d l 截止，d 2 导通，电容c 2 被通过d 2 被充电到2 ( v i n v m ) ，这样如果不考虑寄生效应，n 阶电压倍乘电路可以产生n ( v n - - v r n ) 的输出电压。 1 3 第三章解调器电路的设计 图3 4 电压倍乘电路结构( n 阶) 对图3 4 进行交流分析，则对于高频交流信号所有的电容可以视为短路，所 有的二极管都与输入直接相连，二极管两端的压降即为交流输入电压。在直流 情况下( 这里的直流电压不是零，而是v o ) ，电容被视为开路，所有的二极管 依次与输出相连。因此，在工作时每一个二极管的电压v d 值为： l _ 厂， v d = v o c o s ( c o o t ) 一兰 ( 3 1 ) j 乞n 阢 上式中v oc o s ( c oot ) 项的正负号在相邻两个二极管中交替变化，一蔫项则 二v 体现了整流电路的升压功能。 对图3 4 的电路进一步进行分析则需引入二极管的等效电路模型。如图3 5 ( b ) 所示 2 1 ，一个二极管可以等效为理想二极管与电容c d 并联后再与衬底电容及衬 底电阻串连的结构。如果c s u b 及r s u b 比较小，则可以忽略，忽略后二极管模型 可以等效如图3 5 ( a ) 所示。 o b 图3 5 二极管简化等效电路图： ( a ) 忽略了衬底寄生效应；( b ) 考虑了衬底寄生效应。 二极管模型中还应串连有等效电阻，但用于解调器中的电压倍乘电路功耗 非常低( 最多只有几个肛w ) ，电压倍乘电路输出的直流电流也非常低，因此等 效电阻部分可以忽略。流过每一个二极管的电流i d 可以表示为： id _ i s e x p ( v o 所c o s ( 删) ) e x p ( 一丽v v ) - 1 + c 。警( 3 2 ) 1 4 k， 第三章解调器电路的设计 上式中的i s 为反相饱和电流，v t 为热电压。同样，流过每个二极管的直流电流 ( 即输出负载电流) i u 可以表示为： i u = i s e x p ( v 所。c o s ( 删) ) e x p ( 一丽v u ) 一l 】 ( 3 3 ) 通过上式可以得出，当输出电压及功率一定时，所需输入电压随电压倍乘电路 阶数增加而减少。如图3 6 ( a ) 所示。 a ) 0 2 4 。伯b ) 0 2 4numbr o f s t g n u m b e ro f s t a s g e s 。 。 一， 图3 6 输出电压及阶数与输入电压( 图a ) 、输入功率( 图b ) 间的关系( 输出功率一定时) 上图中的反相饱和电流i s 取值为1 0 。1 7 a ，当n 值较大时3 6 ( a ) 的输入电压曲 线趋近于某一饱和值，这是由于整流电路中的二极管存在导通电压的缘故。 电压倍乘电路需要一定的输入功率以提供输出电压及输出功耗，这个输入 功率可以分为每个二极管上消耗的功率p d 和输出负载上消耗的功率p l 两部分。 忽略衬底上的功率损失，每个二极管上的消耗平均功率为： 1r - p d = i v 4 t ) 1 4 t ) d t ( 3 6 ) _ f 6 上式中t 是输入电压信号的周期。代入式3 1 及3 2 并进行化简得： p 。- i s v o b l ( 鲁) e x p ( 一丽v v ) 一等 ( 3 7 ) 这里引入了贝赛尔函数： e x p ( + x c o s ( c o t ) ) = b o ( + x ) - + - 2 岛( + x ) c o s g 耐) ( 3 8 ) n = l 因此，平均输入功率为： 1 5 觞的鳟弘筋扮任竹s ，3-。摹e丘警a=一 暑量一暮粤譬，譬五童 第三章解调器电路的设计 驴2 n p d + p l = 2 n i 舢1 鲁) o x p ( 一蔫) 9 ， 综合上式及公式3 5 可以得到图3 4 ( b ) ，当输出功率一定时，电压倍乘电路 的阶数越多，则所需输入功率越多，即转化效率随阶数增加而降低。 3 2 2 电压倍乘电路的设计 电压倍乘电路的输出电压由天线感应到的射频电压决定，因此要求天线感 应到的射频电压必须足够大以满足i u d c 转换。 随着阅读器与标签间距离的增加，天线上感应到的射频电压逐渐减小。当 感应到的射频电压小于二极管的导通电压时，电压倍乘电路电路不能正常工作。 为了增加标签的读写距离，我们选用了导通电压较低肖特基二极管来构成电压 倍乘电路电路。 与普通二极管相比，肖特基二极管不但导通电压较低，还具有饱和电流较 大、漏电流较小、阻抗较小及响应时间较小等优点，所以本次电压倍乘电路中 的二极管全部由肖特基二极管组成。 电压倍乘电路的电容可以选择m e t a l - - m e t a l 或p 0 1 y p 0 1 y 电容，后者具有 更小的面积，因此本次设计中使用p o l y p o l y 电容。电容值的选择一般有 c 而叫( 2 7 扔w ) ( 3 1 0 ) 这样可以减小9 0 0 m h z 载波的干扰。另一方面，由于不需要提供大的直流输出 能力，电容值不宜过大，过大的c 值会产生大的漏电流，并对数据信号的通过 产生影响。因此对c 的取值要进行折衷。 在一定范围内，电压倍乘电路的输出电压随阶数的增加而增加，但消耗的 能量也随之增加，转化效率下降。本次电路设计仅要求电压倍乘电路的输出电 压达到一定数值，因此在后文提到的两种不同结构的解调器中，电压倍乘电路 分别为3 阶和5 阶。 第三节限压电路的设计 3 3 1 v o l t a g el i m i t e r 电路的工作原理 1 6 第三章解调器电路的设计 根据i s 0 1 8 0 0 0 - - 6 c 协议，当标签接受到的有效各向同性辐射功率e i r p ( e f f e c t i v et r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) 的最大值可以达到4 w 。当标签与阅读器的距 离较小时，随着天线输入功率的增加，电压倍乘电路的输出电压也随之增加， 并有可能达到c m o s 的击穿电压。为了增加电路的稳定性并防止m o s 管被击 穿，必须使用限压电路。 限压电路与电压倍乘电路的输出并联，当电压倍乘电路的输出电压较低时， 限压电路基本上没有电流通过，对电压倍乘电路的输出不产生作用；当电压倍 乘电路的输出电压超过某一数值，有电流从限压电路中流过，因而限制了电压 倍乘电路的输出电压。 限压电路的原理如图3 7 所示，其中r “i i l i 衙为l i m i t e r 电路的等效电阻，其 阻值受整流电路输出电压v d d 控制：v d d 小于某一数值时r 咖衙= ；v d d 大于 某一数值时r l j i i l i 讶逐渐减小，r l 为芯片内部其它电路的等效电阻，可近似认为 r e 等于某一个固定值。 y 锄 v o l t a g e h | u l t i p l i e r 图3 7l i m i t c r 原理图 3 3 2 v o l t a g el i m i t e r 电路的设计 气破t q v 图3 8l i m i t e r 电路图 本次设计的v o l t a g el i m i t e r 的电路见图3 8 ，这里采用了四个串连的二极管 来限制电压倍乘电路的最大输出电压。其电压输出范围为2 v 一4 v 。 1 7 第三章解调器电路的设计 为保证m o s 管不被击穿，v o l t a g el i m i t e r 电路由高压m o s 管组成。 第四节解调器电路结构的讨论 很多文献都对应用于u h fr f i d 的解调器电路结构进行了介绍，这些文献 中解调器的结构大致可以分为两类，下面将分别进行分析。 第一种解调器的结构如图3 9 ，这种结构的解调器电路可以分为乘法器、l o w p a s sf i l t e r l 、l o w - - p a s sf i l t e r 2 、v o l t a g ec o m p a r a t o r 四个部分。 图3 9 使用电压比较器的解调器结构图 与图3 3 ( a ) 相似的r f 输入信号首先经过乘法器进行增幅，增幅后的信号 通过f i l t e r l 来除去载波信号的干扰，f i l t e r l 的输出信号继续通过f i l t e r 2 ，而f i l t e r 2 具有更低( 低于基带频率) 的截止频率以得到r f 输入信号的低频值。当r f 输 入信号为高电平时，f i l i t e r l 的输出电压迅速上升，而f i l t e r 2 的输出电压上升缓 慢；当i 江输入信号为低电平时，情况相反。通过v o l t a g ec o m p a r a t o r 对两个滤 波器的输出电压进行比较，就可以得到需要的数据信号。 r i 窘o u _ 1 口 d s 。 r m 盘o 。 瞻 忠。丫一广。i ih i ” 慨妇一。 v 矗 c d 2 辛m 崮， c a j ” d 奉丰c 5 c e 图3 1 0 采用普通比较器的解调器电路图 图3 1 0 给出了一个这种结构的电路副5 1 。电路中c l c 7 、d 1 一d 8 组成了乘 法器部分，在c 7 上得到的电压必须足够大，使得电路工作过程中m 2 工作在饱 和区。c 7 和r l 组成了l o w - - p a s sf i l t e r l ，应对滤波器的截止频率进行合理的设 置，截止频率过高会在后面的电路中产生抖动，截止频率过低会增大解调出的 1 8 第三章解调器电路的设计 低电平信号的失真程度。c 8 和r 2 组成了l o w - - p a s sf i l t e r 2 。m l - - m 7 组成了电压 比较器。 图3 1 1 采用迟滞比较器的解调器电路图 图3 1 1 给出了另一种具有相似结构的电