（微电子学与固体电子学专业论文）uhf+rfid读写器基带关键模块的设计研究.pdf

2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 摘要 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 ) 是一种利用无线射频方 式在阅读器和应答器之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换 目的的新技术。因为具有非接触、工作距离长、适于恶劣环境、可识别运动目标 等优点，射频识别技术己被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制 管理等众多领域。论文对u h fr f i d 读写器的基带电路的关键模块进行了深入的 研究。 在对u h fr f i d 读写器的基带电路充分调研的基础上，本文取得了以下结果： 1 ：本文首先对几种常用的无线接收机的构架进行了分析，并对镜像抑制接收机 进行了介绍。通过对几种接收机的优缺点的比较，初步对r f i d 读写器进行了 系统构架设计并给出了基带电路各关键模块的具体要求。 2 ：针对接收机全差分模块的要求，采用了一种全平衡差动放大器对读写器的接 收端的低通滤波器和可编程增益放大器进行设计。其中可编程增益放大器 ( p g a ) 达到了o - - 6 2 d b 的增益变化范围，同时在带宽不随增益变化的情况下 实现了2 d b 的调节精度。( 申请专利一项：2 0 0 8 1 0 0 3 4 6 2 9 2 ) 3 ：为了防止制造工艺的误差以及温度的变化对滤波器的截止频率的影响，设计 了一种可编程的低通滤波器，通过m o s 管开关对低通滤波器截止频率的控制 来适应不同的情况下的需求。 4 ：针对零中频接收机所出现的静态以及变化较慢的直流偏移，设计了一种直流 偏移消除回路( d co f f s e t ) 。 最后本文采用t s m c0 2 5 a mr fc m o s 工艺对电路进行了设计及版图的绘制， 在提取了版图的寄生参数后进行了后仿。 关键字：超高频、射频识别、基带模块、全平衡差动放大器、可编程增益放大 器、直流偏移、t s m c0 2 5 # m r fc m o s 2 0 0 8 届华东师范火学硕士学位论文 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 sa l la u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , w i t hw h i c hd a t ac a nb ed u p l e xt r a n s p o r t e dc o n t a c t l e s s l yb e t w e e nr e a d e ra n dt a g b e c a u s eo fi t sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sc o n t a c t l e s s ，l o n gw o r k i n gd i s t a n c e ，s u i t a b l e f o rb a de n v i r o n m e n t ，e f f c i e n tr e c o g n i z i n ga b i l i t y , r f i di s r a p i d l ys p r e a d i n gi n i n d u s t r y , c o n l m e r c e ，a n dt r a f f i ct r a n s p o r tm a n a g e m e n tf i e l d se t c i nt h i sp a p e r ，u h f r f i dr e a d e rh ab e e nc a r e f u l l yr e s e a r c h e d a f t e rc a r e f u l li n v e s t i g a t i o n , t h ef o l l o w i n gf i n d i n g sh a v eb e e nm a d ei nt h i sp a p e r ： f i r s t l y ，s e v e r lp o p u l a rw i r e l e s sr e c e i v e rh a v eb e e na n a l y s i s e da n di m a g er e j e c t r e c e i v e rh a sb e e ni n t r o d u c e d b a s eo nt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r l r e c e i v e r s ，t h e i n i t i a lr f i dr e a d e ro ns y s t e m a t i cf r a m e w o r kw a sg o t a n dt h e r e q u i r e m e n t so fk e ym o d u l e si nb a s eb a n do fu h f r f i dr e a d e r w e r eg i v e n s e c o n d l y , f o rt h er e q u i r e m e n tf u l ld i f f e r e n t i a lm o d u l e s ，n o v e ll p fa n dp g ah a v e b e e nd e s i n g n e db yt h ef u l lb a n l a n c e dd i f f e r e n td i f f e r e n t i a l a m p l i f i e r w h i c h p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ( p g a ) r e a c h e d0 6 2d bg a i nr a n g e ，b u tt h eb a n d w i d t h k e e ps t a b i l eu n d e rt h es i t u a t i o nc h a n g e s ，w i t ht h er e g u l a t i o no f2d ba c c u r a c ya n dg o t a p a t e n ta p p l i c a t i o n ：2 0 0 8 10 0 3 4 6 2 9 2 t h i r d l y , i no r d e rt op r e v e n tt h em a n u f a c t u r ee r r o ra n dt h ec h a n g ei nt e m p e r a t u r e i m p a c tt h ec u t - o f ff r e q u e n c yo fl p f , ap r o g r a m m a b l el o w p a s sf i l t e ra r t i c l e sd e s i g n e d i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h em o ss w i t c ho nt h el o w - p a s sf i l t e rc u t o f ff r e q u e n c yc o n t r o l t oa d a p tt od i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e sd e m a n d f o u r t h l y , f o rt h es t a t i cd c o f f s e ta n ds l o w l yv a r y i n gd y n a m i cd co f f s e t ，ad c o f f s e tc a n c e l l a t i o nh a v eb e e nd e s i g n e d f i n a l l y , t h i sd a s i g ni si m p l e m e n t e db yt s m cr f c m o s0 2 5 1 x mp r o c e s s ，a n d g e t t i n gp o s ts i m u l a t i o nw i t hp a r a s i t i cp a r a m e t e r s k e yw o r d ：u h f ，r f i d ，b a s eb a n d ，f b d d a ，p g a ，d co f f s e t ，t s m c o 2 5 z m r f c m o s i i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：查日期： 垫堡：鱼：墨 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：荨曳导师签名： 捉苦产 2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 自动识别技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的集光、机、电、计算机等技术为 一体的高新技术，是数据自动采集、自动输入的基础，是计算机“实时处理的 重要技术保障。它在许多服务领域以及货物销售、生产企业和材料流通等领域都 得到了快速的发展和普及。 目前，主要的自动识别技术包括条码识别技术、射频识别技术、生物识别技 术、磁卡及智能卡识别技术等等。条码识别技术是利用光电扫描设备识读条码符 号的技术，条码虽然便宜，但是由于其存储能力小以及不能改写等缺点已经越来 越不能满足社会的需求【l 】。射频识别就是在这样的背景下逐渐发展并壮大起来 的。 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 ) ，是利用感应、电磁场或电磁 波为传输手段，完成非接触式双向通信，获取相关数据的一种自动识别技术。射 频识别最大的优点就在于非接触，因此完成识别工作时无须人工干预，适于实现 自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方 便。r f i d 是用无线识别i d 的一种手段，由于读写器和应答器( 电子标签) 之间 进行有问有答的双向通信，它也可被视为无线通信的一种短距离通信方式。这种 “短距离”通信实际上是通过r f i d “前台”来实现的，即直接参与的主要是“硬 件部分。r f i d 还有更重要的一面，就是通过“后台管理”来实现信息的更新 和检索，它可以利用网络作远距离通信。 r f i d 的典型应用包括：在物流领域用于仓库管理和商品销售等；在交通运 输领域用于公交车收费、高速公路收费和停车收费等；在医疗行业用于药品生产、 病人看护和医疗器械跟踪等；在农牧渔业用于农产品的管理和动物跟踪等；r f i d 还用于门禁管理、图书与文档管理、定位与物体跟踪等多种应用领域【2 】。 r f i d 系统因应用的不同其构成也有所区别，但是般系统都由电子标签 ( t a g ) 、读写器( i n t e r r o g a t o r ) 和数据交换与管理系统( p r o c e s s o r ) 构成【3 】。 r f i d 系统的分类依其采用的频率不同可分为低频系统和高频系统两大类。电子标签的 工作频率也就是射频识别系统的工作频率，是其最重要的特点之一。电子标签的 工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理( 电感耦合还是电磁耦合) 、识别距 离，还决定着电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。工作在不同频段 或频点上的电子标签具有不同的特点。射频识别应用占据的频段或频点在国际上 有公认的划分，即位于i s m 波段之中。典型的工作频率有：1 2 5 k h z 、 1 3 3 k h z 、 1 3 5 6 m h z 、2 7 1 2 m h z 、4 3 3 m h z 、9 0 2 9 2 8 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。不 2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 同频段的电子标签的性能比较如表1 1 所示。本文所研究的阅读器所使用的标签 的工作频段为8 6 0 m h z - 9 6 0 m h z 。 表1 1 不同频段的电子标签的性能比较 长波短波 超短波微波 频段 一1 3 5 k h zl3 5 6 m h z 8 6 0 m h z - 、一9 6 0 m h z 2 4 5 g h z 电磁耦合方式电磁发射方式 通信方式 ( 靠磁场变化传送，距离近)( 靠电波传送，距离远) 无线i c 卡 主要用途动物识别，门禁商品用 商品用，防盗 读取距离 1 0 e r a l m1 0 m 左右 2 m 左右 典型的射频识别系统包括应答器和阅读器两部分。应答器是将几个主要模块 集成到一块芯片中，完成与阅读器的通信。芯片上有e e p r o m 用来储存识别码或 其它数据。e e p r o m 容量从几比特到几万比特。芯片外围仅需连接天线( 有的还可 能需要安装电池) ，可以作为人员的身份识别卡或货物的标识卡。卡封装可以有 不同形式，比如常见的信用卡及小圆片的形式等。与条码磁卡、i c 卡等同期或 早期的识别技术相比，射频卡具有非接触、工作距离长、适于恶劣环境、可识别 运动目标等优点。 在多数r f i d 系统中，阅读器在一个区域内发射电磁波( 区域大小取决于工作 频率和天线尺寸) 。应答器卡片内有一个l c 谐振电路，其频率与阅读器发射的频 率相同。当应答器经过这个区域时，在电磁波的激励下，l c 谐振电路产生共振， 从而使电容内有了电荷。在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将 电容内的电荷送到另一个电容内储存。当所积累的电荷达到2 v 时，此电容可作 为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或用其它方式与阅读器交 换数据。阅读器接收到卡的数据后，解码并进行错误校验来确定数据的有效性， 然后，通过r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 ，u s b 或无线方式将数据传送到计算机网络。 简单的r f i d 产品就是一种非接触的i c 卡，而复杂的r f i d 产品能和外部传感器 接口连接来测量、记录不同的参数，甚至可与g p s 系统连接来跟踪物体。 射频识别技术可以根据工作频率的不同可分为低频和高频系统；根据射频卡 的不同可分成可读写( r w ) 卡一次写入、多次读出( w o r m ) 卡和只读( r o ) 卡三种；根 据射频卡有没有电池可以分成有源及无源两种；根据调制方式的不同又可分为主 动式和被动式；还可以根据不同耦合程度分成如下三类：1 密耦合、2 遥耦合、 3 远距离系统。密耦合是指具有很小作用距离的射频识别系统，典型的作用距离 范围从o 到l c m ，人们把这种系统称作密耦合系统，即紧密耦合系统。必须把应 答器插入阅读器中或者放置在阅读器为此设定的表面上。密耦合系统可以在介于 直流和3 0 m h z 交流之间的任意频率进行工作，因为应答器工作时不必发射电磁 2 2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 波。数据载体与阅读器之间的紧密耦合能够提供较大的能量，甚至可供电流消耗 较大的微处理器进行工作。把写和读的作用距离增至1 m 的系统称遥耦合系统。 所有遥耦合系统在阅读器和应答器之间都是电感( 磁) 耦合。因此，人们也把这些 系统称为电感无线电装置。现在所有出售的射频识别系统中9 0 9 5 都属于电感 ( 磁) 耦合系统。远距离系统典型的作用距离是从1m 到1 0m ，个别的系统也有 更远的作用距离。所有远距离系统都是在微波范围内用电磁波工作的，发送频率 通常为2 4 5g h z ，也有些系统使用的频率为9 1 5 m h z ( 在欧洲是不允许的) 、5 8 g h z 和2 4 1 2 5g h z 。使微型芯片进行工作，要对应答器供应足够的能量，光靠传 输的能量是绝对不够用的。因此，远距离系统( 从表面波应答器来看) 需要一个辅 助电池。这个辅助电池并不是为应答器和阅读器之间的数据传输提供能量的，而 是给微型芯片提供能量，为读写存储数据服务的。 r f i d 技术是个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了射频技术，还包含了 密码学、通信原理和半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。因此， 对r f i d 技术的认识和研究具有深远的理论意义。随着2 1 世纪数字化时代的到 来，基于远程信息化网络管理技术和移动商务的社会需求，r f i d 技术智能管理 系统中将在各个领域中发挥巨大的作用。r f i d 技术正在成为一个新的经济增长 点，在全球范围内蔓延开来，研究开发r f i d 技术有着巨大的经济效益和社会意 义。 1 2 研究现状 近年来，r f i d 技术在国内外已经取得了很大的进展目前国内外主要的射频 识别系统的供应商如表1 2 所示 1 1 。 表1 2 射频识别设备的主要供应商 供应商提供的产品供应商提供的产品 a w i d阅读器 i n t e l 阅读器芯片 i m p i n j 标签芯片 t i 标签芯片 电池辅助标签，标签 i n t e l l e f l e xz e b r a 电子标签 芯片，阅读器 标签，阅读器，系统 i n t e r m e cs tm i c r o e l e c t r o n i c s 标签 集成 r a f s e e 标签 三星 标签，阅读器 瑞福科技 阅读器，系统集成远望谷标签，阅读器 n x p 标签芯片 3 2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 上表为国内外主要的射频识别设备供应商，表中的大部分供应商都为国外的 厂商。其中在阅读器方面，能够买到的产品基本上都是采用分立元件进行设计的， 其成本十分昂贵。 在阅读器芯片设计方面，目前已经有少数的厂家开始设计阅读器的专门芯 片。目前，英特尔公司已经生产出用于u h fr f i d 读写器的r 1 0 0 0 专用芯片。该芯 片是基于i s o1 8 0 0 0 6 c 和e p cg l o b a lg e n2 协议进行设计的，其工作频率为 8 6 0 9 6 0m h z ，采用0 1 8 mb i c m o s 工艺进行制造，接收灵敏度最大可以达到 一1l o d b m 。2 0 0 7 年1 2 月韩国三星公司宣布成功研发r f i d 阅读器的单芯片产品，该 产品准备使用在插入手机中的卡式阅读器里，此后芯片将被用于零售商的手持阅 读器中以及直接应用于手机中。该芯片采用9 0 0 m h z 波段，将射频前端、基带调制 解调器和处理器以及内存芯片结合在一起，芯片的大小为6 5 m i n x 6 5 r a m ，具有 极低的8 5 0m w 的功耗，非常适合与移动设备。w jc o m m u n i c a t i o n s 是一家射频器 件的供应商，目前提供固定式阅读器和手持式阅读器产品，并且已经开始设计单 芯片阅读器的前端。a m i n g h a s e ms a r a r i a n ，a m i ns h a m e l i 在i s s c c2 0 0 7 年2 月1 3 目的会议上发表了其设计的单片集成的r f i d 读写器芯片 4 。 国内，复旦大学a u t o - i d 实验室、北京交通大学、电子科技大学等高校已经 开始了对r f i d 阅读器的研究，已经设计出基于f p g a 以及a r m 的读写器系统，但 是对于单芯片的读写器还处于初步的研究阶段。 目前国际上在c m o s 射频芯片方面的理论研究与芯片实现取得了蓬勃的发 展，这为研究c m o s 单芯片阅读器提供了丰富的资料，但是目前对c m o s 单芯片阅 读器的研究与实现已公开的参考文献还较少。 r f i d 标准争夺的核心主要在r f i d 标签的数据内容编码标准这一领域。目前 已形成了五大标准组织，分别代表了国际上不同团体或者国家的利益。e p c g l o b a l 是由北美u c c 产品统一编码组织和欧洲e a n 产品标准组织联合成立，在 全球拥有上百家成员，得到了零售巨头沃尔玛，制造业巨头强生、宝洁等跨国公 司的支持。而a i m ，i s o ，u i d 则代表了欧美国家和日本；i p - x 的成员则以非洲、 大洋洲、亚洲等国家为主。比较而言，e p cg l o b a l 由于综合了美国和欧洲厂商， 实力相对占上风。目前常用的r f i d 国际标准主要有：用于对动物识别的i s o 1 1 7 8 4 和1 1 7 8 5 ；用于非接触智能卡的i s o1 0 5 3 6 ( c l o s ec o u p l e di cc a r d s 紧贴 式i c 卡) 、i s 0 1 4 4 4 3 ( p r o x i m i t yi cc a r d s 邻近式i c 卡) 、i s o1 5 6 9 3 ( v i c i n i t y i cc a r d s 接近式i c 卡) ；用于集装箱识别的i s o1 0 3 7 4 等。有些标准正在形成 和完善之中，比如用于供应链的i s o1 8 0 0 0 无源超高频( 8 6 0 m h z 一9 3 0 m h z 载波频 率) 部分的c 1 g 2 标准，我国自己的国家标准将在今年年末出台 5 6 。 1 3 论文的主要研究内容和章节安排 4 2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 本文的工作重点是对9 0 0 m h zu h fr f i d 读写器的基带电路的关键模块进 行研究和设计。文章对多种不同构架的接收机进行比较分析，对镜像抑制问题进 行了深入的探讨，确定了u h fr f i d 读写器采用的系统构架。对读写器基带电路 的关键模块进行研究，包括接收端可编程增益放大器、接收端低通滤波器、直流 偏移消除回路、发送端可编程增益放大器以及发送端低通滤波器。文章对以上各 个模块的电路利用t s m c0 2 5 p r or fc m o s 工艺进行了设计以及版图的绘制。 对u h fr f i d 读写器的发射以及接收回路的电路的版图进行绘制然后对寄生参 数进行提取并进行后仿真，仿真结果表明基带电路可以满足读写器系统的要求。 论文的章节组织结构如下： 第一章“绪论。首先介绍了本文的研究背景以及立题意义，随后描述了国 内外研究以及应用的现状，最后提出了本文研究的重点。 第二章“接收机的构架”。通过对四种不同构架接收机的优缺点进行分析比 较以及镜像抑制方法的研究来决定u h fr f i d 读写器采用的构架。 第三章“u h fr f i d 读写器基带关键电路设计。首先介绍了r f i d 读写器 的设计背景资料以及设计的标准，然后提出了本文设计的读写器所 采用的系统。使用a d s 以及c a d e n c e 51 4 1 对关键模块接收端可编程 滤波器、接收端可编程增益放大器、直流偏移消除电路、发送端可 编程增益放大器以及发送端低通滤波器进行电路设计以及仿真，最 后对发送端基带电路模块与接收端基带电路模块级联后的输入输出 频谱进行分析来验证整个基带模块的功能。 第四章“u h fr f i d 读写器基带关键电路版图设计以及后仿”。主要是利用 c a d e n c e 的v i r t u o s o 以及c a l i b r e 对关键模块的版图进行设计以及提 取寄生参数，然后对电路进行后仿。 第五章“总结与展望”。对本文作出了总结，并针对未来的发展趋势对后续 的工作提出了一些意见和看法。 5 2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 第二章无线接收机的构架 2 1 引言 在无线通信接收器，接收到的射频( r f ) 信号应下交频到基带，然后采样 作进一步的数字化处理。接收到的信号先在模拟域进行处理然后再进行数字域的 处理，在接收回路中一般应包含模数转换器( a d c ) 和数模转换器( d a c ) 。因 此在不同的地方添加模数转换器和数模转换器通过采用不同下变频转换方式，便 可以构成多种结构的接收机。这一章主要介绍了几种重要的接收机结构包括：超 外差结构、零中频结构、低中频结构以及数字中频结构，之后根据e p c 协议确 定了u h fr f i d 读写器所采用的构架以及各个模块的基本参数。 2 2 常见的几种接收机构架 2 2 1 超外差式接收机 超外差接收机的结构如图2 1 所示。射频信号经过第一个混频器变频后变化 到中频信号，使用一个正交调制器产生i q 两路正交的信号，然后经过第二个混 频器下变频到基带信号。置于低噪声放大器( l n a ) 前面的带通滤波器( b p f ) 的主要用于信号频带的选择，第二个带通滤波器( b p f ) 主要用于镜像频率的抑 制，而低通滤波器( l p f ) 的主要作用是信道的选择。经过低通滤波器选择后的 基带信号经过模数转换器的转换变为数字信号，由于信号的采样是在基带中进行 的所以称为基带采样。超外差结构的接收机作为一种经典的结构在很多商用射频 收发器中已经得到大量的采用，这是由于它具有较高的信号选择性和灵敏度。它 放宽了对基带电路动态范围的要求。但是外差结构一个重要的缺点就是用于镜像 抑制的滤波器通常需采用外部的无源器件实现。这会进一步要求前级( l n a ) 驱 动滤波器5 0 欧的输入电阻，这不可避免地会在放大器的增益、噪声系数、稳定 性和功耗之间提出更加严重的权衡考虑问题 7 】。所以这种结构不太适合制造单 片集成电路的接收机。 图2 1 超外差接收机结构 在通信系统中，经常需要对高频的窄带信号进行滤波，这就需要使用选择度 非常好的滤波器来进行滤波，实现这样的滤波器会显得很困难。超外差结构很好 6 2 0 0 8 届毕东师范 学硎i 岸忸论z 的解决了这个问题：信号被变换到一个大大低丁载波频率的频率上，有效地减轻 了滤波器在选择性方面的压力。壤常用的超外差结构射频前端如图2 2 所示。为 了减轻滤波的压力，射频信号与角一本振信号相乘，由此产生了在附近和在 2 0 h 。+ 吡0 2 附近的信号。其中2 c o t + 吡口：被后继的中频滤波器滤除，除此之外， 中频滤波器还被用作频道选择。但在一些超外差结构中，中频滤波器只完成频道 选择的一部分，另一部分转由基带滤波器完成。由于混频器是噪声比较大的部件， 因此使得混频器之前的低噪声放大器品得非常重要。 超外差结构中的主要问题就是如何抑制镜像信号。在超外差鲒构中，和射频 信号以第一本振信号对称的频带在经过和第一本振信号相乘后会和射频信号落 在同一个中心频率上，其关系如图23 所示。由于各个无线通信协议标准都力图 满足各自带内信号发射功率的限制，所以可能无法控制带外的信号的强度。当镜 像信号的强度足够大时，它可能在f 变频后完全淹没带内信号。因此在图2 2 中 的二次变频结构中，需要采用适当的镜频抑制技术。下面一节将讨论几种镜像抑 制的技术。 。算邓 镜像 图2 2超外差式结构射频前端 信号 w l o i 图2 3 镜像信号产生机理 2 2 2 零中频接收机 图2 4 所示的是直接转换( d c r ) 结构的接收机，这种结构还称为零中频接 收机。在实际的应用中还应住天线和低噪声放人器( l n a ) 之问添加频带选择带 通滤波器。零中频接收机的原理是把射频信号直接转换到零中频的基带信号，然 后再在基带对模拟信号进行模数转换处理。 2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 图2 4 直接转换( d c r ) 结构的接收机 零中频结构相对于超外差结构有两个很重要的优点。首先，镜像问题被克服 了，因为中频为零。因此，不需要镜像滤波器，而且l n a 也不需要驱动5 0 欧的 负载。其次中频声表面波率波器( 球s a w ) 和后续的下变频级可代之以适合单 片集成的低通滤波器和基带放大器。除此之外，在这种结构中由于信号在结构链 的前级就转化成了基带信号，这就使得后续的基带可以方便的采用多钟不同的标 准。也就是说，基带的信道选择滤波器和自动增益控制器( a g c ) 可以采用片 上的低通滤波器和可变增益放大器，利用这些片上元件可以设计出符合多种不同 通讯标准的低功耗集成电路。由于这种结构的信号处理和信道选择是在基带进行 的，所以整个基带要求具有较高的动态范围。在单片集成的接收芯片中已经大量 的采用了零中频结构，但是这种结构也存在两个主要的问题：直流偏移( d c o f f s e t ) 和i q 失配。 2 2 3 低中频接收机 旷 p o l y - 臼 p h a l e f i l t e r ， 确一 图2 5 低中频结构接收机 如图2 5 所示，低中频接收机的结构与零中频接收机的结构类似，但是经过 下变频后的信号不是零中频信号，而是低中频信号( l o w i f ) 。这种结构由于不 需要额外的中频滤波器，所以非常适合用在单片集成电路中。除此之外，由于下 2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 变频到低中频，整个系统不存在零中频接收机具有的直流偏移的问题。与零中频 相比这种结构最大的问题就是镜像频率的问题，需要添加镜像抑制滤波器对信号 的镜像频率进行抑制。具体抑制方法见下节( 镜抑制结构) 。 2 2 4 数字中频接收机 图2 6 数字中频结构接收机 如图2 6 所示 7 】，数字中频接收机与超外差结构比较类似，所不同的是，第 一中频( i f ) 信号是数字化的，并与数字化的两正交正弦信号进行混频，然后经 过低通滤波得到正交的基带信号。这种结构的最大特点是对中频信号进行了数字 化处理，在模拟域i q 两路信号并没有分开，从而可以避免正交信号i 和q 的失 配问题。由于模数转换发生在中频，其基带信号具有很好的可编程性，可以适应 多种不同的工作需求， 这种方法最根本的问题就是它对a d c 转化性能的要求。由于上图中模数转 换器( a d c ) 的输入电平一般不高于几百微伏，因此a d c 的量化和热噪声必需 不超过几十微伏。此外如果第一i f 带通滤波器不能很好的抑制邻近的干扰，那 么a d c 的非线性度必需足够小。以使信号被交调的破坏减到最小。同时a d c 的动态范围也必需足够大，以能够忍受信号由于路径损耗和多路衰减引起的变 化。此外，a d c 必须有与i f 相当的输入带宽而只消耗合理的功率。 2 3 几种镜像抑制结构 镜像抑制结构的中心思想是设法把镜像信号分开进行处理，使镜像与其符号 相反的复制品相加，以达到消除镜像的目的。图2 7 中的哈特莱( h a r t l e y ) 结构 8 】 就是依据这种思想设计的。哈特莱结构使用了一个正交调制器和一个9 0 0 相移器 来实现镜像消除。当图2 7 中的1 支路信号和q 支路信号相加的时候，它会使信 号得到增强，同时抑制了镜像。 9 2 0 0 8 届华东师范人学硕士学位论文 为： 制低通滤波h9 十j c o s ( 6 1 0 l o l t ) 矗 f 湖r 一人a 。 低通滤波 一k y 7 b a n d 图2 7 哈特莱( h a r t l e y ) 镜像抑制接收机 从下面的推导我们可以更加清楚地认识哈特莱接收机的原理。假设输入信号 ( f ) = 砧c o s ( c o 肚t ) + c o s ( c 。g t ) ( 2 1 ) 在接收机的1 支路，信号首先和c o s ( c o c o 。t ) 相乘，然后经过低通滤波，滤除混频 信号产生的高频部分。所以，滤波器的输出为： 啪) = 譬s i n ( 沪垒2 s i n ( f ) ( 2 2 ) 然后把该信号相移9 0 。，这个操作会把s i n ( f ) 转换为c a ) s ( o d i f t ) ，最终生成1 支 路信号x t ( t ) ： 啪) = 争c o s ( 沪争酬f ) ( 2 3 ) 在接收机的q 支路，信号和s i n ( m t d 。f ) 相乘并且同过低通滤波，生成o 支路信号 x o ( t ) ： 班) = 争c o s ( 卅争州r ) ( 2 4 ) 最后将1 支路和q 支路的信号叠加起来( 将式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 相加) ，这将有 效地抑制镜像，同时增强有用信号。 但是哈特莱接收机主要的缺点在于对1 支路和q 支路增益和相位的失配非常 1 0 2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 敏感。为了量化增益相位失配对接收机产生的影响，我们用和0 来分别表示增 益失配和相位失配。这样调制以后的正交信号的表达式可以修改为： 加) = 等( 1 删酬f 删一争( 1 删删f 峋 ( 2 5 ) 班) = 争c 。s ( 靠卅等酬，) ( 2 6 ) 由于增益和相位的误差在哈特莱接收机的中频输出口对镜像的抑制会变得 不完全。这时，有用信号可以表示为： ( f ) = 争【1 + ( 1 + s ) c o s o c o s ( 旷争 ( 1 + 小i n 印i n ( f ) ( 2 7 ) 镜像信号表示为： = 等 1 - ( 1 删c o s 印。s ( 卅争 ( 1 卅s i 叫s i n ( f ) ( 2 8 ) 信号功率和镜像功率的比可以用式( 2 9 ) 计算 9 】，镜像抑$ 壮g ( i m a g e - r e j e c t i o n r a t i o ，腿) 定义为除以露钮。 生：拿一1+(1+c)cos02+(1一+6一)sin02 ( 2 9 ) f 彳麓 1 一( 1 + e ) c o s o 2 + ( 1 + e ) s i n o 2 假设增益失配和相位失配相当小( 占远小于1 和口远小于lr a d ) ，i r r 可以简化 为： 1 r r = 南5 十矽 ( 2 1 0 ) 在哈特莱结构中实现在整个有效频段内都能保持良好幅度和相位准确度的9 0 0 相 移是很困难的。如果要在图2 1 所示二次变频结构中使用哈特莱结构，我们可以 把第二混频器分别放到1 支路和q 支路上，并且采用图2 2 所示的方法来实现9 0 0 相移。图2 8 中的结构通常被称为韦弗( w e a v e r ) 结构，这种结构适宜于片上镜像 抑制接收机的实现。和哈特莱结构相比，韦弗结构最大的优点是易于实现，因为 在整个有用频段上实现正交单音本振的难度要远远小于实现精确9 0 0 相移器。除 2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 此之外，现在已有文献报道在不使用相移器的情况下同时产生正交本振的方法， 这使得韦弗接收机显得更加有吸引力。 一， 1 0 ( 带有预放) 的衰减 1 3 m 可变 0 , - - 一6 2 d b 可变 接收端放大器 2 m2 5 2 0 3 0 5 1 0 2 d b 精度 1 0 m 有一2 5 d b 衰 发送端滤波器 1 m2 5 减 0 - - - 2 4 d b 可变 发送端放大器 1 m1 0 2 0 5 3 d b 的精度 2 5 本章总结 本章主要讲述了几种重要的接收机构架例如：超外差结构、低中频结构、零 中频结构以及数字中频结构，并对各种结构的优缺点进行比较，根据比较的结果 得出了u h fr f i d 读写所采用的构架以及各个模块的基本要求。此外，本章详细 分析了镜像频率所产生的问题以及镜像抑制的多种不同的结构。 2 0 0 8 届华东师范人学硕士学位论文 第三章u h fr f i d 读写器基带电路设计 3 1 引言 本章主要讲述了全差分的模拟基带电路，全差分的结构具有较好的噪声抑 制，较高的动态范围以及高的线性度。文章首先讲述了设计中最重要的模块全平 衡差动放大器( f b d d a ) 的设计，在此基础上完成了可编程滤波器以及可编程增 益放大器的设计( p g a ) ，最后文章设计了消除动态直流偏移的d co f f s e t 电路。 3 2 全平衡差动放大器 全平衡差动放大器( f b d d a ) 2 0 1 1 2 1 2 2 作为一种核心电路已经在包括可 编程增益放大器( p g a ) 以及低通滤波器( l p f ) 等基带电路的设计中大量采用。 利用全平衡差动放大器设计的模拟信号处理单元已经在大量的应用中所采用 1 8 2 3 2 4 1 。在本文中所采用的是全差分结构的全平衡差动放大器来构成差分结 构的模拟基带电路模块。 图3 1 一种单端输出的缓冲器 全平衡差动放大器对于一些两输入端都悬空的电路结构来说是一种很好的 选择 2 4 1 。特别在实现全差分的缓冲器的设计时全平衡放大器可以发挥很大的作 用。如图3 1 所示为一种常用的单端输出的缓冲器，利用双端输入单端输出的运 算放大器我们可以轻松实现单端信号的缓冲器。但是，由于这种结构的两个输入 端都不接地【2 5 】，无法利用双端输入双端输出的运算放大器来实现全差分结构的 缓冲器。如果要实现全差分结构的缓冲器，可以利用两个双端输入单端输出的运 放，由于采用了两个运放，所以在放大器的匹配上以及芯片的面积上都会产生一 定的问题，所形成的全差分的缓冲器的性能并不理想【1 9 】。如果采用全平衡差动 放大器则可以轻松的实现全差分的缓冲器，这种缓冲器在匹配上以及芯片的面积 上都能达到要求。全平衡差动放大器如图3 4 所示。这也就是为什么在全差分的 基带电路经常选用全平衡差动放大器的原因。在3 3 和3 5 ，本文会详细的说明 利用全平衡差动放大器来实现可编程的低通滤波器以及可编程增益放大器的好 2 l 2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 处。当设计好全平衡差动放大器的时候，可以轻松实现差分的滤波器以及差分结 构的可编程运算放大器。 、 + + 图3 2 全平衡差动放大器 如图3 2 所示，全平衡差动放大器具有四个输入端，其输入和输出的关系如 式3 1 所示： 一= 鲥( 一) 一( 一) 】 ( 3 1 ) 在这里4 为理想状态下运放的开环增益。如上式所示当采用负反馈时可以得到 如下式所示的关系： ( 一) = ( 一) ( 3 2 ) 当4 一0 0 【2 4 的时候可以得到以上的关系。也就是说放大器的开环增益处于无 穷大的时候才能得到式3 2 的结果。所以在设计运放的时候开环增益越大越接近 3 2 式的结果。 图3 3 全差分的缓冲器 如图3 3 所示的全差分的缓冲器利用全平衡差动放大器的两个输出端反馈到 输入端来实现。在图3 5 中为了实现负反馈应把正的输出端砌+ 连接到负的输入 端同时把负的输出端一连接到负的输入端，这样由于经过了两次取反运 算吃应该等于正的输入信号。这种结构在下面的全差分的可编程低通滤波器中 2 0 0 8 届华东师范大学硕士学位论文 将会采用。 3 2 1 全平衡差动放大器电路设计 图3 4 所示的电路是带有两级共模反馈的全平衡差动放大器( f b d d a ) 。图中 的核心部分是一种两级结构的运算放大器，为了稳定各级的输出电平分别在第一 级和第二级的输出添加了共模反馈电路。放大器的第一级不同于以往的差分输入 具有四个输入端，电路利用p m o s ( m 9 、m i o 、m 11 、m 1 2 ) 作为输入管利用n m o s ( m 1 5 、 m 1 6 ) 管作为负载管，这是由于在噪声问题上p m o s 相对于n m o s 有更好的表现。电 路的第二级采用共源级电路采用n m o s ( m 1 4 、m 1 7 ) 作为输入管，利用p m o s ( m 6 、 m 1 8 ) 作为负载管。为了保持运放的闭环稳定性，采用了米勒补偿电容( c 1 、c 2 ) 以及调零电阻( r 1 、r 2 ) 2 6 2 7 。经过计算可以得到全平衡差动电路的小信号 增益如下式所示： a o = g 。9 ( d r o l 5 ) g 。1 4 ( r o l 4 口) ( 3 3 ) 在这里g m 和乞分别表示m o s 管的跨导和输出电阻。所以为了提高运放的增益可 以采用增大输入端跨导g m 和以及共源输出电阻乞的方法。经过计算输入的等效 热噪声可由下表示： 砰= 竺k 丁( 二+ 每监) ( 3 4 ) “ 3 g 。9g 。9 。 在这里k 为波耳兹曼常数( 1 3 8 1 0 - 5 j k ) ，t 为开尔文温度 2 7 。从3 4 可以 看出利用大的p m o s 管做输入管以及小的n m o s 管做负载可以减小整个运放的噪 声。一般的运放在共模反馈的设计上都是放在第二级，用来稳定运放的输出电压 2 8 2 9 。但是经过多种工艺角的仿真后发现还需在运放的第一级添加共模反馈 来稳定第一级输出电压。所以在实际的应用中设计了两级的共模反馈回路，第一 级的共模反馈中，差分对m 1 8 、m 2 3 是互相匹配的，他们主要的功能是检测第一 级的输出信号，与此同时m 1 9 、m 2 2 的漏极电流和差分信号7 0 p l 一，c m 2 以及 7 0 n i 一7 c m 2 成比例。两路漏极电流相加后流过m 2 4 然后经过镜像复制来控制m 1 5 、 m 1 6 的漏极电流，从而达到稳定输出共模电平的作用