（微电子学与固体电子学专业论文）非接触射频识别卡前端模拟电路分析与设计.pdf

摘要 摘要 射频识别限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 江i d ) 技术是一种近年来新兴起的非 接触式自动识别技术( 灿d c ) ，是一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。 本论文首先介绍了非接触射频识别技术的基本原理，对射频识别系统的整体 设计和功能模块的划分进行了阐述。对非接触射频识别卡模拟前端电路的基本功 能模块电源电路、电流源电路、解调电路、复位电路、振荡电路、时钟电路、以 及调制电路进行了详细分析与设计，并给出了c a d e n c e 环境下的仿真分析结果。同 时给出了模拟电路部分的整体版图设计。设计工艺为o 3 5 u n l 标准c m o s 工艺技术。 关键词：射频识别模拟前端版图设计c m o s 工艺 a b s l t a c t a b s t r a c t i 己a d i o f r e q u e n c yi d e n t i 丘c 撕o n ( r f i d ) i s ab o o m i i 培n e wt e c h o l o g yf o r a u t o m a t i ci d e 硝f i c a t i o na 1 1 dd a t ac a m 鹏d c ) 印p l i c 撕o na r e a r f i di n v o l v e sn o t 0 1 1 l y l d i of r e q u e n c y ( i 江) t e c h n 0 1 0 9 ) ，b u ta l s oc 哪t o 鲫h y ，c o 衄u i l i c a t i o n ，a n d s 谢c o n d u c t o ri n t e g r a t e dc i l - c u i tt e c h n o l o 西e s ni sac o i n p r e h e n s i v er i s i i l gs u b j e c ta r e a 1 k p 印e r 舀v e st 1 1 e 缸d 锄e n t a lo fi i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o na n dd e s c r i b e s 虹l e0 v e r a l ld e s i 弘a n de a c h 缸：l c ；t i o 越p a r t si i l s i d er f i dc h i p a n d 也i ei 江a n a l o g 丘d n t - e n dc i r c 疵so fi 江i da r ea 1 1 a l y z e da 1 1 dd e s i g n e d ，i n c l u d i i l gp o w e rc i r c l l i t ，c l 】碳i n t c 沁u i t ，d e m o d u la 1 【ec i r c u i t ，r e s e tc i r c 证t ，o s c i u a t i o nc i r c u i t ，c l o c kc i r c u i ta n dm o i i u l a t e c i r c u i t t h ec i r c u i t sa r es i i n u l a t e du s i n gc a d e n c e a m dt h er f i d 趾a l o gc 讹u i tl a y o u ti s c o m p l e t e d t h e0 3 5 唧c m o sp r o c e s si su s e df o rn l ed e s i 弘 k 呵w o r d ：砌i - i da 蚰l o g 舶n 锄d t h el a y 明td 鹤i 乒c m o s p r o c 鹤s 创新性声明 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 其他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，本人承担一切相关责任。 本人签名： 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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。( 保密论 文在解密后遵守此规定) 日期：缉：璺 日期：写坐互 鱼孟k 煎，辑菱 名 名 签 签 人 师 本 导 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁下匕 射频识别技术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 ) 即无线射频识别技术，通 过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别。与传统的识别方式相 比，r f i d 技术无需直接接触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入 和处理，且操作方便快捷。在生产制造、交通运输、物流与供应链、安全防伪、 人员跟踪与管理等领域有着广阔的应用前景。电子标签技术已逐渐成为企业提高 生产与管理水平、降低成本、参与国际经济大循环、增强竞争能力的重要技术与 管理手段。 1 1 课题的来源、背景和意义 1 1 1课题的来源 本课题源于陕西省科学技术研究发展计划项目，项目的主要任务是通过对无 线射频识别系统的协议、关键技术的研究，设计出适用于食品、药品及公共安全 领域的拥有自主知识产权的射频识别标签芯片。本论文要做的工作是设计出射频 识别标签芯片模拟部分的电路。 1 1 2课题的背景和意义 r f i d 技术具有很多突出的优点：实现了无源和非接触操作，应用便利，无机 械磨损，寿命长，且具有无直接对最终用户开放的物理接口，能更好地保证机具 的安全性；数据安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全 管理，如d e s 、r s a 、d s a 、m d 5 等，读写机具与卡之间也可相互认证，实现安 全通信和存储；总体成本一直处于下降之中，越来越接近接触式i c 卡的成本，甚 至更低，为其大量应用奠定了基础。如果r f i d 技术能与电子供应链紧密联系， 那它很有可能在几年以内取代条形码扫描技术。 r f i d 技术在国外的发展较早也较快。尤其是在美国、英国、德国、瑞典、瑞 士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的r f i d 系统。而且生产r f i d 产品的 厂商也很多，如t i 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 等世界著名厂家都生产r f i d 产品。r f i d 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如：汽车、 火车等交通监控；高速公路自动收费系统；停车场管理系统；物品管理；流水线 三 非接触射频识别卡前端模拟电路分析与设计 生产自动化；安全出入检查；仓储管理；动物管理；车辆防盗等等。r f i d 的应用 仍在层出不穷。如澳大利亚将它的r f i d 产品用于澳机场旅客行李管理中并发挥 了出色的作用，欧共体宣布1 9 9 7 年开始生产的新车型必须具有基于r f i d 技术的 防盗系统，瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装r f i d 自动识别系统， 调度员可以实时的掌握火车运行情况，不仅利于管理，还大大减小发生事故可能 性，德国汉莎航空公司试用非接触的射频卡作为飞机票，改变了传统的机票购销 方式，简化了机场人关的手续，德国b m w 公司将射频识别系统应用在汽车生产 流水线的生产过程控制中等等。 r f i d 也将是我国电子信息产业新的增长点，r f i d 和电子标签系统的广泛推 广，可以带动我国电子信息产业中的集成电路芯片设计和制造、读卡机具制造、 软件和系统集成等行业的发展。从当前上海、北京、深圳等各地的发展情况来看， r f i d 产业链各个环节都取得了一定发展。其中，上海发展最快，从标准制定到 应用开发，整个r f i d 产业链己经初步形成。 另外，r f i d 技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了射频技术，还 包含了射频技术、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。 我国的电子标签0 r d ) 的应用部署终于在2 0 0 6 年取得了实质性进展，在r f i d 国家标准工作组正式成立后，r f i d 发展逐步步入标准化、规范化的轨道，作为 国家r f i d 产业政策的中国r f i d 技术政策白皮书更加明确了中国r f i d 的发 展路线。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 技术智能交通管理系统中将发挥巨大的作用，r f i d 技术 的明天将更加灿烂夺目。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 2r f i d 电子标签分类和基本工作原理 1 2 1r f i d 电子标签分类 r f i d 系统至少包含电子标签和阅读器两部分。电子标签是射频识别系统的 数据载体，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。依据电子标签供电方式的 不同，电子标签可以分为有源电子标签( a c t i v et a g ) 、无源电子标签( p a s s i v et a g ) 和 半无源电子标签( s e m i - - p a s s i v et a g ) 。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没 有内装电池，半无源电子标签( s e i i l i l a s s i v et a g ) 部分依靠电池工作。 电子标签依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子 第一章绪论 标签和微波电子标签。依据封装形式的不同可分为信用卡标签、线形标签、纸状 标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。 r f i d 阅读器( 读写器) 通过天线与r f i d 电子标签进行无线通信，可以实现 对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块( 发送 器和接收器) 、控制单元以及阅读器天线。 1 2 2r f i d 系统的基本工作原理 图1 1r f i d 系统基本模型 射频识别系统的基本模型如图1 1 所示。其中，电子标签又称为射频标签、 应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置，扫描器、通讯器、读写器( 取决于电 子标签是否可以无线改写数据) 。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信 号的空间( 无接触) 耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据 的交换。 发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种： l 、电感耦合：变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁 感应定律，如图1 2 所示。 图1 2 电感耦合方式 2 、电磁反向散射耦合：雷达原理模型，通过发射出去的电磁波，碰到目标 反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律，如图1 3 所示。 3 一 吾习 4 一 非接触射频识别卡前端模拟电路分析与设计 图1 3 电磁反向散射耦合方式 电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作 频率有：1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 。识别作用距离小于l m ，典型作用距离 为1 0 - - 2 0 c m 。 电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。 典型的工作频率有：4 3 3 m h z ，9 1 5 m h z ，2 4 5 g h z ，5 8 g h z 。识别作用距离大于 l m ，典型作用距离为3 - - 1 0 m 。 1 3r f i d 芯片系统结构和设计要求 本论文所涉及的射频识别系统为无源工作方式，即本射频标签芯片工作所需 的全部能量必须由阅读器提供。读写器发射的磁场，通过感应方式，在射频标签 芯片的天线上，产生一个电压。将其整流后作为射频标签芯片的电源。射频标 签芯片天线的设计原则是，该天线的谐振频率与阅读器的发射频率相符，这样它 与阅读器的天线形成并联振荡回路。 1 3 1射频识别标签芯片系统结构 总体结构可以分为：天线部分、模拟部分、数字部分以及e e p r o m 存储器部 分，结构框图如下所示： 图1 4 射频识别标签芯片系统框图 标签被来自读写器射频信号照射。该信号向标签提供功率，并将读写器的指 令传送到标签。标签通过改变其处于读写器射频场内的天线的负载，向读写器返 回数据。 射频天线从r f i d 基站耦合下来射频信号，连接到芯片的模拟电路部分；模拟 电路部分实现电源恢复，解调，调制等功能，给数字电路以及存储器电路供电； 第一章绪论 5 一 数字部分处理解调的数据，并返回调制信号，启动模拟电路的调制电路，产生反 射波，同时，数字部分还和存储器部分交换数据；存储器采用e e p r o m ，e e p r o m 的电源和高频时钟由模拟电路提供。标签的内存是由一系列1 7 位的字所组成，每 个字由1 6 位数据位和1 位写保护位构成。在写保护位被置位时，相应的1 6 位数据 位被保护( 只能读，不能改写) ；当写保护位未被置位时，相应的1 6 位数据位可 读可写。写保护位可由指令+ 地址进行置位，或清除。( 置位和清写保护位采用不 同的指令实现) 。 1 3 2射频识别标签芯片设计要求 本课题所设计的射频识别标签芯片是采用正向设计，即从设计要求以及设计 指标开始，构造正确功能的电路结构，给出满足性能指标的器件参数。射频识别 在我们国家可以使用的频段有三个：9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。本次设计的 电子标签是针对9 1 5 m h z 设计的。标签形式为无源可读可写式标签。具体性能指 标要求如下： 1 、工作频率：9 0 2 一- 9 2 8 m h z ； 2 、片上数据存贮容量为：1 0 2 4 b i t s ( 6 4 x1 7 b i t s ) ； 3 、芯片工作电压范围：1 5 v - - 5 5 v ； 4 、芯片具有无线读取改写数据功能； 5 、低功耗c m o s 设计。 要响应读写器的指令，标签一定不能处于睡眠( b ea s l e e p ) 状态；要执行一 个写操作，标签必须被隔离( i s o l a t e d ) 并且不能处于睡眠( b ea s l e e p ) 状态；当 读写器照射一组标签时，它将首先执行一个隔离例程来逐一辨识每一个标签，为 此，隔离标志( i s o l a t e df l a g ) 可能要和s l e e p 指令结合使用；利用c o m p a r e df l a g 读写器能够使一个指定序列号( i d 号) 的标签进入睡眠状态。 通过一些措施，可以确保应该处于睡眠状态的标签不会处于醒着的状态。首 先，所有标签在上电时( p o w e ru p ) 处于s l e e p _ f l a g = l 并且i s o l a t e d j l a g = 0 状 态。当一个新的标签进入读写器的照射区时，它将处于“睡眠 状态，并且不能 被打扰，直到发送了一个“w a k e ( 唤醒) 命令。其次，所有指令( 和可选择的 数据) 都包含校验位，如果标签收到指令的校验位不正确，它将进入“睡眠状 态。 鱼非接触射频识别卡前端模拟电路分析与设计 1 4r f i d 芯片模拟前端电路模块划分与功能要求 1 4 1 模拟电路整体拓扑结构划分 r f i d 芯片模拟前端电路主要负责对从天线接收到的已经调制的信号进行解 调；同时将标签所要发送的数据转换为对标签天线等效阻抗进行控制，从而使得 从标签返回读写器的标签数据信号以振幅键控( o o k ) 方式调制到反射波上，以 完成标签与阅读器之间的通讯及数据的调制、解调。同时为r f i d 芯片中的数字 电路部分提供电源、时钟、复位信号等。而数字电路部分则完成数据的处理，而 存储器，是用e e p r o m 来实现数据的存储。 因此模拟部分电路总体可以划分为以下几大功能模块：电源恢复电路及线性 稳压电路、时钟生成电路( 产生系统主时钟) 、振荡电路( 产生高频时钟) 、调制 和解调电路、复位电路以及电流源电路。如下图所示为模拟电路系统框图。 解调信号 图1 5r f i d 芯片模拟部分系统框图 首先射频信号由天线耦合到p a d ，再把射频信号分为两路，一路通过电源恢 复及线性稳压电路，恢复出模拟电路和数字电路工作所需的电源v c c ：另一路通 过检波解调电路解调出载波中的信号。解调出来的信号再经过一个时钟生成电路 生成两路系统时钟。复位电路生成一个复位信号给数字电路。模拟电路工作还需 第一章绪论 要一个电流源来给出电流偏置电路。其中调制电路、时钟生成电路、复位电路、 振荡电路都需要用到电流源提供的恒流源。数字电路给信号到调制电路，调制电 路就开始工作，输出一个信号给调制管用来控制v c c 和p a d 。振荡电路随着电 源恢复电路启动开始振荡，其没有启动信号，产生4 m 左右的高频时钟信号给数 字电路部分。 1 4 2模拟电路各功能模块具体性能指标与功能要求 本课题设计的r f i d 芯片模拟电路部分中的各功能模块的具体性能要求分别 介绍如下： 1 、电源恢复及线性稳压电路：该部分电路是模拟电路的前端电路，完成的功 能是，把天线接收下来的微波能量转换为一定电压值的直流电压，负责给整个芯 片供电，提供能量。该模块电路主要有四部分组成：整流电路、滤波电路、带隙 基准电路、线性稳压电路。输入条件是：输入峰值为最低6 v 的9 1 5 m h z 信号， 输出要求为：输出电压稳压在3 和3 5 v 。无载波时间内保证输出电压大于2 5 v 。 该射频系统采用o o k ( o n - o f fk e y i n g ) 调制方式进行信号调制，可能出现的调 制信号有三种，分别表示f r a m e ，“0 和“1 ，如下图所示。电源恢复及线性 稳压电路模块消耗大约3 u a 电流。 输入簦畦 f r a m e。o - l 豳电平l 瓣彗 9 l 翱救援链 o 7 一 输出眭形电压酝匿在3 4 孔5 v 之圆 震麓敬时赡甑电监2 钳 图1 6 电源恢复及线性稳压电路输入与输出波形 2 、检波解调电路：解调电路的作用是把从天线接收下来的高频信号中，把低频 调制信号解调出来，解调电路作用是先检波，然后再整形。检波原理是用二极管整 流，电容滤波，调整滤波电容的大小，结合负载阻抗，因此可以根据公式f = r c 控 制下脉冲的宽度。对于o o k ( o n - o f f k e y i n g ) 信号检波电路输出波形如图1 7 所示， 输出波形的下脉冲的宽度保证大于0 3 u s ，电压值和电源一致，为3 5 v 左右。电路 大约消耗掉2 0 u a 电流。 苎非接触射频识别卡前端模拟电路分析与设计 f r a m o “0 ”。1 ”电压稳压在3 4 3 5 v 之同 脉宽i 0 3 u s 图1 7 解调电路输出波形 3 、复位电路：复位电路主要是实现产生r e s e t 信号启动电路的功能，对于 经过电源恢复电路恢复出来的直流信号，复位电路生成一个复位信号供给数字电 路使用，复位信号在电源恢复电路输出稳定在3 5 v 之后2 3 u s 的时间内生成，由低 电平变为高电平，然后一直保持高电平，电压值保持和电源电压一致，约3 5 v 左 右，如图1 8 所示。 宅压稳压存3 5 1 泉右 r r 一n v v r 毛轷 j 建立财同约3 瑚 图1 8 复位电路输出波形 4 、振荡电路：振荡器电路的功能是生成一个4 m h z 左右的高频时钟，供给 e e p r o m 电路使用。电路随着电源恢复电路启动开始振荡，没有启动信号，建立 时间约3 u s 。电路输出波形如图1 9 所示，频率随着电压波动，保证频率在3 m 5 m 范围内变动，占空比在3 0 - 7 0 之间。 顾率莅趱为3 5 m i l z - 。p 。一 建立时蚓3 u 8 图1 9 振荡电路输出波形 5 、时钟生成电路：时钟生成电路生成两路时钟给数字电路使用，包括一路主 时钟和一路辅助时钟。时钟的频率为2 5 k h z ( 艮i - - 个时钟周期为4 0 u s ) ，两路时种相 差l u s 。时钟生成电路的输入为解调电路的输出，解调输出波形可能为f r a m e ，“0 ” 或是“1 ”，即c l ki n 可能为一个下脉冲，也可能为两个或三个下脉冲。c l k l 会 在其最后一个下脉冲的上升沿后延时4 u s 产生一个上升沿，c l k 2 将会在c l k l 后再 延时l u s 左右。c l k l 、c l k 2 将提供给数字电路作为时钟使用。图1 1 0 为时钟生成 电路一个周期( 4 0 u s ) 的输出波形，假定解调电路输出波形为“1 ，即为连续的三 个下脉冲。 第一章绪论 解调电路输出波形a 量矾电压恒定在3 5 y 左右 时钟输出c u h 1 延时约4 u 8 一 一延时约5 1 1 8 时钟输出c u 【2 9 一 图1 1 0 时钟生成电路输出波形 6 、调制电路：调制电路在c l k l 之后生成一个脉宽为1 u s 左右的调制信号，数 字电路可以控制这个调制信号是否输出到调制管。调制电路输出波形如图1 1 1 所 示。 解调电路输出波形c l l 麟电压恒定在3 w 左右 延时约知s 时钟辘i l j 姒l 脉竟约l 璐一 - 调制输出 l g 嘴l o u s 。 i 图1 1 1 调制电路输出波形 7 、电流源电路：电流源电路给各个电路提供偏置电流，其电流值在电源电压 恒定在3 4 v 左右时候为4 0 0 h a 。 卫非接触射频识别卡前端模拟电路分析与设计 1 5 本课题的研究内容及结构安排 本论文在研究了r f i d 基本理论和关键技术的基础上，根据射频识别卡实际 功能需求，优化设计了可用于无源式可读可写射频识别标签芯片的模拟电路，并 实现的所需的功能指标。 论文的主要内容包括： l 、r f i d 基本理论知识的介绍： 2 、本论文设计的r f i d 芯片的系统构成和功能指标介绍； 3 、对各个模拟电路模块进行理论分析和设计； 4 、简要介绍本论文设计的模拟电路版图设计。 论文的结构和章节安排如下： 第一章讲述课题来源、背景、本课题所设计的r f i d 芯片系统介绍以及模拟 部分电路的功能模块划分和性能要求； 第二章讲述模拟电路中的电源恢复和线性稳压部分电路的分析与设计； 第三章讲述模拟电路中的其他各部分功能模块的分析与设计； 第四章讲述模拟电路版图设计； 第五章进行论文总结。 第二章r f i d 芯片的电源恢复及线性稳压电路分析与设计 旦 第二章r f i d 芯片的电源恢复及线性稳压电路分析与设计 本章内容是根据本功能模块所应完成的具体功能来设计本模块电路，包括电 路结构的选型和利用c a d e n c e s p e c t r e s 软件对电路结构进行分析和优化设计。电 源电路关系到整个r f i d 芯片是否能正常工作，是本块r f i d 芯片的核心电路。 根据功能模块的划分该部分所完成的功能包括：整流、滤波、线性稳压。设 计思路为：首先由全桥式整流器和滤波电容得到一个波动直流电压，直流电压波 动范围为：当输入电压存在载波时输出电压( 3 4 + o 2 ) v ；当输入电压无载波 时输出电压( 2 5 + 0 2 ) v ；其中的0 2 v 的电压余量是保证线性稳压电路正常 工作时可以达到输出功能要求所必须的余量。因此当波动直流电压经过线性稳压 电路以后可以按照输出功能要求得到直流电压稳压在3 4 v - 3 5 v ，且对于本电路 的输入o o k ( o n o f fk e y i n g ) 信号在l u s 无载波的时间内可以保证输出电压 2 5 v 。由此可见本模块电路又可以分解为整流滤波电路与线性稳压电路。 2 1 整流滤波电路 r f i d 芯片工作所需的全部能量是由标签天线通过射频场耦合获得，在一定 发射强度下，芯片所能获得工作电源的最远距离也即“能量作用距离”决定了r f i d 标签芯片实际可能达到的最大工作距离。显然，设计一个电压损失小和转换效率 高的整流( 电源生成) 电路，使芯片在较远的距离仍能获得可靠的供电，对提高 r f i d 标签芯片的读写距离这一关键性能指标至关重要。因此为了提高r f i d 标签 芯片的电源产生电路的输出功率普遍采用桥式全波整流，但在具体整流电路的实 现上则根据各厂家工艺和设计的不同，有很大的差别。桥式全波整流电路理论基 础是将4 个二极管接成如图2 1 所示的形式。 图2 1 全桥式整流电路形式 本课题电路设计是采用t s m c 0 3 5 u m 的c m o s 工艺，而在一般c m o s 集成 旦非接触射频识别卡前端模拟电路分析与设计 电路工艺中，由于寄生三极管的影响，不管是采用简单的p n 结二极管或者“二 极管接法”的m o s 管做整流管都会诱发不可控制的闩锁效应，导致电路失效。 此外，二极管作整流管的一个固有缺陷是p n 结的正向导通压降会造成输入电压 的损失，在信号较弱时会直接影响到电源的获取。 闩锁( l a t c h u p ) 是指c m o s 器件所固有的寄生可控硅( s c r ) 被触发导通， 在电源与地之间形成低阻抗大电流通路的现象。这种寄生s c r 结构存在于c m o s 器件内的各个部分，包括输入端、输出端、内部反相器等。当在电源端、输入端 或输出端有较强的浪涌冲击时，就可能触发这些可控硅产生闩锁效应。当闩锁电 流达到一定强度持续一段时间，就可能造成器件的永久性损坏。 图2 2 表示一个简单的p 阱c m o s 结构，很显然，这种结构存在寄生的n p n 和p n p 晶体管，寄生n p n 晶体管是纵向结构，其发射区是n + 扩散区，基区是p 阱，集电区是n 型衬底。寄生p n p 晶体管是横向结构，其发射区是p + 扩散区， 基区是n 型衬底，集电区是p 阱。图2 3 是寄生双极晶体管构成的等效电路，n 型衬底和p 阱本身存在体电阻，分别以r l 和r 2 表示。r 1 跨接在v d d 与p n p 管的基极之间，r 2 则跨接在n p n 管的基极与v s s 之间。在正常工作状态下，这 种寄生的p n p n 四层结构处于截止状态，不会产生异常电流。但是在某种外部条 件的触发下，例如图2 2 中的d 1 端的正尖峰电压高于v d d 或者d 2 端的负尖峰 电压低于v s s ，这种p n p n 四层正反馈结构就可能产生类似于可控硅的触发导通。 此时，即使外部触发条件消失，导通电流仍然会维持，这种现象就是所谓的闩锁 效应，也称为寄生可控硅效应。 由图2 3 可知，减小r l 与r 2 可以提高c m o s 电路的抗闩锁能力。因此在很 多c m o s 工艺中在p 阱四周加上接v s s 的p + 扩散保护环，在p m o s 管的四周加 上接v d d 的n + 扩散保护环，如图2 2 所示，并且在保护环上尽可能多开些金属 引线孔，用金属互连线将保护环短接，以减小r 1 与r 2 ，这样即可有效地防止闩 锁效应。 s 1g 1d 】d 2g 2s 2 图2 2p 阱c m o s 工艺中寄生双极晶体管 第二章i 强d 芯片的电源恢复及线性稳压电路分析与设计 旦 d 1 v s s 图2 3p 阱c m o s 中p n p n 四层结构等效电路 分析全桥整流的工作原理，不难发现整流电路容易产生闩锁效应的根本原因 在于整流桥的特殊工作机制导致在天线两端i n l 和i n 2 产生了高于电源v d d 的 最高电位和低于电源地g n d 的最低电位，并且最高电位( v d d + v t ) 和最低电位 ( o v ，r ) 交替出现在i n l 和i n 2 上( v t 代表整流管的导通压降) ，导致m o s 器件 源、漏电位低于衬底电位g n d 或高于n 阱电位v d d ，使寄生p n p n 导通，诱发 闩锁效应导致电路失效，在大发射功率或近距离的情况下，问题会变得更加严重。 然而当我们更深入地研究c m o s 工艺和电路的特点时，会发现尽管存在着一些潜 在的危险，但是用c m o s 工艺设计整流桥也有一些独特的优势，如它可以方便地 实现电压的无损失传输( 高电平用p 管，低电平用n 管) 和实现模拟开关( 通过模拟 开关的分流作用可以让整流桥来完成限幅和负载调制功i i ) 。按照这个思路，我们 提出一种新的c m o s 整流电路( 如图2 4 所示) 。该结构充分考虑n m o s 和p m o s 管的特点，在减小电压损耗和提高转换效率方面收到了非常好的效果。 图2 4c m o s 全波桥式整流器 旦非接触射频识别卡前端模拟电路分析与设计 在图2 4 所示的c m o s 全波桥式整流器电路中，充分利用了i n l 、i n 2 交替变化 的“不利 特性，用交叉控制的n m o s 管m 1 、m 2 和p m o s 管m 5 、m 6 替代全桥式 整流的二极管。其工作原理为：当i n l 为高电平、i n 2 为低电平时，m 2 导通输出i n 2 的低电平，m 1 截止，而m 5 导通输出i n l 的高电平，m 6 截止；当i n l 为低电平、i n 2 为高电平时，m 1 导通输出i n l 的低电平，m 2 截止，而m 6 导通输出i n 2 的高电平， m 5 截止；这样m 1 、m 2 始终输出低电平，而m 5 、m 6 始终输出高电平，从而实现 了整流功能。并且有效的消除了整流管的导通压降( 不考虑衬底偏置效应) 。同时为 防止门锁效应，我们添加了一对n 管m 3 和m 4 进行整流以提供订o s 管所需要的衬 底电位以及一对p 管m 7 和m 8 进行整流以提供p m o s 管所需阱电位。应用以上结构 时应当注意，由于整流管源、漏两端总是存在一定压降，为防止n 管出现漏电( 因 为源漏压降导致n 管漏端出现负电位) ，设计时m 1 、m 4 的宽长应尽量取大，一般来 说只要保证整流回路电流大于5 0 m a 时，源漏电压小于0 4 v ，就不会出现大的漏电， 另外在l a y o u t 时合理布局各整流管的相对位置并辅于保护环，也会对消除漏电隐患 起到积极作用。 图2 4 中的m 9 是由栅漏相接的n m o s 管所形成的整流二极管，再加上后面的电 容构成本模块电路的滤波电路。m 9 管的过电流能力会比较大，这里的w l 是根据 本论文所设计电路的负载仿真结果得到的取为w l = 8 x 2 0 u 0 5 u ，这里电容c 取 4 0 0 p f 是为了有很好的后续供电流能力，而且在1 u s 内无载波时后续电路功率的持 续供给均由电容存储能力所决定。该模块电路仿真结果如下波形所示，其中图2 5 为的9 1 5 m h z 的脉冲调制信号波形，峰值振幅为6 0 v 。 transient r e s p o n s e 2 0 u4 o u6 o u t i m e ( 5 ) 图2 5 输入激励脉冲调制信号波形 澎 澎 厨 詹 廖 旧 旧 无 量 工 l “ 七 西 。 第二章i 疆d 芯片的电源恢复及线性稳压电路分析与设计 旦 图2 5 所示的激励信号加在图2 4 所示的c m o s 全波桥式整流器电路的i n l 、i n 2 两端 可以得到图2 6 所示的满足当输入电压存在载波时输出电压( 3 4 + 0 2 ) v ，当输 入电压无载波时输出电压( 2 5 + o 2 ) v 的输出波形。 。 j 。| f t m ( o ) 图2 6c m o s 全波桥式整流电路仿真结果 2 2 线性稳压电路 2 2 1线性稳压电路结构及基本工作原理 低压差线性稳压器( l d o ) 的结构主要由基准电压源、误差放大器、调整管、输 出采样反馈电路等组成，其结构框图如图2 7 所示。从图中可看出调整管的设计是 一个关键，要求调整管的耐压高，能输出足够大的电流，功耗尽量小，电流增益 大等等。线性稳压器的调整元件可以选用的器件有：n p n 达林顿管、n 】p n 、p n p 、 n m o s 和p m o s 管，如图2 8 所示。 图2 7 低压差线性稳压器( l d o ) 结构框图 兰非接触射频识别卡前端模拟电路分析与设计 删d 1 i 珥t 舶ip肝hos 岭仪且 图2 8l d o 的调整管类型 从c m o s t 艺兼容和l d o 性能的角度考虑，通常是选用p m o s 管。对于任何一 种集成稳压器，在它正常工作的情况下，调整元件必须承受一定的压降，这就造 成了输入与输出电压之间的差值，即漏失电压( d r o p o u t v o l t a g e ) 。而且l d o 线性稳 压器的功耗和效率与漏失电压的关系是密切相关的。 l d o 线性稳压器的功耗( p 即输入能量与输出能量之差，由下式表示： v l q u l e s c e n tc u r r e n t ： 玉互三 图2 9l d o 静态电流i q 示意图 p w = p 0 一p w o w = 巧一v o l = ( 巧- v o ) i o + 巧l ( 2 - - 1 ) l d o 线性稳压器的转换效率可以表示为： ，矿 e f f i c i e n c y 2 赫则0 0 q 1 由公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可以看出为了保证l d o 线性稳压器的低功耗和提 高转换效率必须降低l d o 的漏失电压( 一v o ) 以及静态电流i q 。 为了实现低漏失电压，l d o 线性稳压器的调整元件通常选用p n p 管或p m o s 管。由于p m o s 管的漏失电压由其饱和压降来决定，所以p m o s 管有非常低的漏失 电压。m o s 管的漏失电压与输出电流成正比，如下式所示： k 姐d p d 叮= k v o = r d s ( o ) x o ( 2 - - 3 ) r d s 。o n ，是m o s 调整管的导通电阻。在轻负载时，漏失电压只有几毫伏；满负 载时用m o s 管做调整管的l d o 稳压器漏失电压一般在几十到几百毫伏左右。 冉吡 f 爿引 第二章r f i d 芯片的电源恢复及线性稳压电路分析与设计 旦 l d o 的基本工作原理是：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路开始启 动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断 上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准 电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大， 再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上。同 理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变，即： v o w ：粤掣 ( 2 _ 4 ) 1 由此得出低压差线性稳压器( l d o ) 的一个重要特性，在输入电压大于最小工作 电压和输出电压其标称值范围内，负载电流为零时，输出电压随输入电压的变化 而变化，这就是l d o 的跟随特性，待输出电压达到其标称值后不随输入而变化， 从而达到稳压的目的，这就是l d o 的稳压特性。 线性稳压器l d o 的输出可分为三个区：截止区、降压区、稳压区。如图3 8 所 示。在降压区和稳压区的交界处，若调整元件为n p n 管结构，则p n 处于临界饱 和状态，若调整元件为p n p 管结构，则p n p 管处于饱和区，而要是为p m o s 管，则 p m o s 管处于线性区。这一点非常重要，下面以p m o s 管为例进行说明，p m o s 管 的i - v 曲线如图2 1 1 所示。 图2 1 0l d o 在输入电压输出电压区域示意图 堡非接触射频识别卡前端模拟电路分析与设计 l o 一一! 竺兰竺一+ l # i ( m i n l 一一一一一一一一一+ ! 1 ” o v 3v 2v 1 v 如= v i v o 图2 i il d o 中p m o s 调整管w 特性曲线 当p m o s 调整管处于饱和状态( p 1 点) 时，v o t r r 满足预定的输出电压u o 要求， 当负载变化时，l d o 稳压器内部环路控制调整管使输出保持稳定。当输入电压v m 减小时，工作点从p 1 点移动到p 2 点( 向调整管线性区方向) 。当输入电压v 矾逐渐接 近输出电压v o u t 时，在负载电流不变的情况下，稳压器的环路将会失去控制，不 能够再维持稳定的偏出。这时的输入输出电压差就是所谓的漏失电压v d r o p o u t ，此 时调整管处于线性区，在线性区，调整管则可以为一个等效的串联电阻r o n 。漏失 电压和调整管等效电阻之间的关系如式2 3 所示。显然v d r o p o u t 越小，调整管的功 耗就越低。在各种类型的调整管中，p m o s 调整管的漏失电压最小，在漏失区，调 整管的v o s 不再是控制环路的函数，而是输入电压的函数，当v 玳进一步减小时， v q s 会随着输入电压成比例地减小，工作点也会从p 2 点移到p 3 点，最终p m o s 调整 管将达到关断状态p r o 点。 2 2 2基准模块电路设计 基准电压源在电压调整器电路中占有极重要的地位，它直接影响集成电压调 整器的性能。因此，对于基准电压源的总体要求是：基准电压v r e f 的温度系数 应为零温度系数，基准电压值要稳定和准确，设计时应注意其值只与电路中的电 阻比值有关而与电阻绝对值无关；内阻要小，否则由于使用电流增加，会使基准 电压下降，影响集成电压调整器的输出电压。 一、典型的能隙基准电压源电路 图2 1 2 为带隙电压基准源的原理示意图。晶体管的结压降v b e 在室温下的温度 系数约为一2 0 m v 。c ，而热力学电压巧= k ，么在室温下的温度系数为+ 0 0 8 5 m v 第二章r f i d 芯片的电源恢复及线性稳压电路分析与设计旦 ，将v t 乘以常数k g 沣n i v b e 相加可得到输出电压v g r r ，即： = + k x 巧( 2 - - 5 ) 将式3 5 对温度进行一次微分，并在室温下等于零( 输出电压在室温下的理论 温度系数等于零) ，即：鲁l r 枷= 。，可以解得常数k 。 = y b e 专k y | 图2 1 2 带隙电压基准源的原理示意图 图2 1 3 为典型c m o s 带隙电压基准源电路。其中由q 0 、q 1 、r 1 构成带隙基准 电压产生器，放大器和m o s 管m 0 为反馈电路，对a 点和b 点电位进行嵌位，从而 保证a 点和b 点电位相等。 性： 图2 1 3 典型c m o s 带隙电压基准源电路 根据e b e r s - - m o l l 模型，双极晶体管的发射极电流i e 可用下式表示： h 卜等斗鲁 e 啾耖 c 2 咱 显然，只要v b c = 0 ，g 是常数，并且v b e v t ，则晶体管具有理想的指数特 非接触射频识别卡前端模拟电路分析与设计 o c 鲁唧c 争 口y ， ( 2 7 ) 其q b v t = k t q ，是热力学电压。 由于图2 1 3 中的三极管被连接成二极管形式，因此其发射极电流可以表示为： = 唧c 钞j q s ， 当v b e v t 时，有。 = 巧xl n ( i e i s ) ( 2 - - 9 ) 其表示了基极一发射极的正偏电压与发射极电流的关系。 在图2 1 3 电路中，结点a 和b 的电压受运算放大器的嵌位，两者相等( 忽略运 放失调电压的影响) ，因此：i o = ( r 2 r 0 ) i l ，而且电阻r 1 上的电压降为晶体管 q 0 和q 1 的v b e 的差值v b e 。由于晶体管q l 的面积是q 0 的n 倍，所以q 1 的饱和电流 也为q o 饱和电流的n 倍，我们可以得到： v b e = v b e 0 - - v b e i = v t 【i n ( i o i 5 ) 一h l ( 1 1 h i s ) 】 - - v t l n ( n r 2 r 0 ) ( 2 1 0 ) 因此有： 1 1 = 1 r 1 = & v b e r ：t = 【v t l n ( n p 晓r 0 ) r 1 i o = ( r z r o ) 1 1 = ( r z r o ) v t l n ( n r 2 r o ) p 、l 由此得出： v r e f = v b e 0 + i o r o = v b e o + 【( r 2 r 1 ) l n ( n r 2 r 0 ) 】v t ( 2 11 ) 由孥i ：o ，可以得到式( 2 1 1 ) 中的第二项系数 ( r 2 r 1 ) 1 】l ( n r 2 r 0 ) o i i r 。t o 项取值约等于1 7 2 ，可以通过选择合适的n 、r 0