超高频无源电子标签芯片的模拟电路设计
2022-01-07
来源:飒榕旅游知识分享网
维普资讯 http://www.cqvip.com 徐国鑫等:超高频无源电子标签芯片的模拟电路设计 ZTE COMMUNlCATlONS 超高频无源电子标签芯片的 模拟电路设计 Analog Circuit Design f0r UHF PaSSiVe T『anSpOnder lC 麓耍:电子标签芯片是无线射频识别IRFID)技术的核心,其模拟电路的设计十分关 键。基于ISO/IEC 18000—6C标准,以设计出符合标准的标签芯片为设计目标,超高频 IUHF)无源电子标签芯片模拟电路被提出。它分为电源产生电路、调制解调电路以及 上电复位模块等模块。设计结果表明,设计的电路具有很高的整流效率,满足了设计 需求。 关键词:无线射频识别;电荷泵;无源电子标签 Abstract:Transponder IC iS the core of Radio Frequency Identification(RFID) -徐国鑫ⅨU Guo.xin 许灵军/)(U Ling-jun 《jt京邮电大学无线新技术研究所。北京 100876) (Wireless Technologies Innovation(WT/), Bering University of Posts and Beijing 100876,China)  ̄/ZHANG Ping technique.and.ts analog circuit design iS very important.Based on the ISO/IEC 18000-6C standard.the analog circuit of the Ultra High Frequency IUHF)passive transponder IC iS designed.according to the design requirements of analog circuit.The analog circuit of transponder IC includes power generation circuit. 工作的能量。 一般来说,有源电子标签具有更 modulationI/demodulation circuit and power on reset circuit.etc.The results show that the designed circuits enhance the circuit efticiency.and satisfy the design requirement Key words:radio frequency identification;charge pump;passive transponder 远的通信距离,但其价格相对较高, 主要应用于贵重物品远距离检测等 应用领域。无源电子标签具有价格低 的优势,尽管其工作距离和存储容量 受到能量的限制,但有巨大的市场潜 力,是目前业界研发的热点。 无源电子标签芯片主要包括3个 部分:模拟电路、数字控制和电可擦 无 软件等几部分组成。 名 电子标签通常由标签天线(或线 圈1和标签芯片组成。电子标签芯片 即相当于一个具有无线收发功能再 加存贮功能的单片系统(SoC)。从纯技 术的角度来说,射频识别技术的核心 在电子标签,阅读器是根据电子标签 的设计而设计的。 除可编程只读存储器(E2PROM)模块。 其中,模拟电路模块又包括电源产生 电路、调制解调电路等。 获取相关信息的技术。基本的RFID 系统由电子标签、阅读器及应用支撑 1超高频无源电子标签芯 片模拟电路的设计要求 超高频(UHF)无源电子标签芯片 是基于ISO/1EC 18000—6C标准而设计 的【ll,ISO/IEC 18000—6C标准是继ISO/IEC 18000—6A、ISO/IEC 18000—6B标准之后 电子标签内存有一定格式的电 子数据,常以此作为待识别物品的标 识性信息。应用中将电子标签附着在 待识别物品上,作为待识别物品的电 子标记。阅读器与电子标签可按约定 的通信协议互传信息,通常的情况是 由阅读器向电子标签发送命令,电子 标签根据收到的阅读器的命令,将内 存的标识性数据回传给阅读器。这种 电子标签依据发送射频信号的 方式不同,分为主动式和被动式两 种。主动式标签主动向阅读器发送射 频信号,通常由内置电池供电,又称 为有源电子标签;被动式标签不带电 池,又称为无源电子标签,其发射电 波及内部处理器运行所需能量均来 自阅读器产生的电磁波。无源电子标 签在接收到阅读器发出的电磁波信 号后,将部分电磁能量转化为供自己 的新标准,它对前两种标准的协议特 点进行了一系列有效的修正与扩充。 其中物理层数据编码、调制方式、防 碰撞算法等一些关键技术有了改进, 通信是在无接触方式下,利用交变磁 场或电磁场的空间耦合及射频信号 调制与解调技术实现的。 使得ISO/IEC 18000—6C的性能 ̄LISO/IEC 18000—6A、ISO/IEC 18000—6B有了很大 的提高。 20 中兴通讯技术 维普资讯 http://www.cqvip.com 徐国鑫等:超高频无源电子标签芯片的模拟电路设计 ZTE COMMUNICATIONS V表1超高频无源电子标签芯片设计规格 参数采用工艺 有上电复位电路等,如图1 所示。 实现FM iller+AsK调制,也就是用 数据比特流调制标签天线的输入阻 抗来改变反射回阅读器信号的幅度, 从而实现类似于AM调制的逆向散射 调制,如图2所示。 此标签芯片逆向散射调制电路 采用消除了衬底调制效应的互补金 属氧化物半导体(CMOS)开关电路来 实现,用数字电路送过来的数据比特 来控制CMOS开关的开与关,也即改 规格 0.18mm CMOS 调制电路对基带数据 进行射频调制,设计中主 要采用逆向散射调制,即 用数据比特流调制标签天 线的输入阻抗来改变反射 回阅读器信号的幅度,从 而实现类似于幅度调制 解调方法 PIE+DSB・—ASK/SSB--ASK/PR--ASK FM0/Miller+ASK 860—960 MHz ≥1.1 mW 2.8V、12V 调制方法 工作频段 射频输入功率 产生的电源电压 数据速率 40 ̄640 kb/s 650¨s <1 mm 充电时间 芯片面积 (AM)的逆向散射调制。解 调电路完成对阅读器发射 变单沟道CMOS开关的输入阻抗,由 于CMOS开关是并联在天线两端的, 因而就改变了天线的输入阻抗,实现 了逆向散射调制的功能。 2.2解调电路 CMOS:互补金属氧化物半导体 来的命令信息进行解调, 电源产生电路必须能够为 芯片中的电路提供稳定充足的电能, 在设计中采用电荷泵作为电源产生 电路。此电路相对较为复杂,是整个 芯片模拟电路部分最为关键的部分。 2.1调制电路 在标签设计时,标签芯片的模拟 电路部分必须要与标准中规定的空 中接口参数相一致,其主要参数规格 如表1所示。 芯片的解调电路如图3所示,从 表1中的参数主要是按照ISO3EC 18000—6C标准选择,其中标签射频输 入功率的计算过程如下。 由电磁场理论可知标签天线处 的电磁场能量密度:S=P/A =P/f A z/ (4叮r)]=4叮rP/ =1/2・E z/'7,其中S是 标签天线处的电磁场能量密度,P是 标签天线接收到的能量, 是标签天 线的等效接收面积,A是阅读器发射 电磁波的波长,E是标签天线处的电 场强度,'7是空气的波阻抗。 进而推导出标签天线处的电场 强度为:E=2√2叮rP力/A。 天线接收过来的信号先经过频带选 择滤波器滤波,然后用包络检波电路 检波,再用施密特触发器对波形进行 整形,最后使用1.28 MHz的本地时钟 对整形后的数据进行采样并计数每 标签芯片是基于ISO/IEC 18000—6C标准设计的,因而标签芯片 中的调制电路采用逆向散射调制来 当采用半波对称阵子当作标签 天线时,每个阵子长度为A/4,所以 标签天线上的感应电压为: =E・d= /2,其中d为单个阵子的长度。 由电荷泵电路可知,电荷泵输入 端的电压必须大于等于0.8 V时才能 开启整个电荷泵电路进行充电。因此 ≥0.8 V,也即:√2叮rPrll2≥0.8,把 ▲图1芯片射频前端的电路框图 天线 空气的波阻抗'7=120・叮r带人可求得 P≥1.1 mW。也即射频输入功率至少 为1.1 mw才能使标签正常工作。 数字比特流 I 卜_ I 2模拟电路设计 无源电子标签芯片的模拟电路 部分主要分为调制电路、解调电路和 电源产生电路34"部分,除此之外还 图2 调制器 芯片的调制电路框图 1 28 MHz: ̄ 中兴通讯技术2 1 维普资讯 http://www.cqvip.com 徐国鑫等:超高频无源电子标签芯片的模拟电路设计 ZTE COMMUNlCATlONS 大致 示。天线接收到的射频信号经过射频 一直流(RF—DC1转换电路转化为不低 于V 的直流电压,然后经电压限幅器 限幅后得到稳定的直流电压 (2.8 V) 数字比特流 i 解调器 供给除E2PROM外的电路工作; 和 本地时钟信号经过直流一直流(DC— DC)转换电路和电压限幅器转化为直 ▲图3芯片的解调电路框图 个数据比特对应的1.28 MHz脉冲的 个数。 (1)带通滤波器 为了减少电容和电感数量,节省 芯片面积,采用2级反转Chebyshev滤 波器,仿真结果表明其中心频率为 905 MHz,带宽是220 MHz,相对带宽 是24%,满足了设计要求。 (2)包络检波器 包络检波器由二极管和并联的 RC电路组成,只有时间常数RC大于 等于载波周期的100倍时,包络检波 器的输出信号才能够正确地跟随输 入端调制信号的包络变化【21。鉴于芯 片采用CMOS工艺,我们使用金属氧 化物半导体(MOS)管实现包络检波器 中的二极管、电容和电阻。 在ADS中仿真设计的包络检波 器,结果表明:当输入的ASK调制信 号的载波频率在860 960 MHz间变 化,基带信号周期在6.25~25 s问变 化时,检波器均能较好的解调出包 络。但检波后得到的信号波形不是理 想的矩形脉冲,出现了较大的变形, 因此为了保证后续电路的正常工作, 必须对变形的波形进行整形处理。 (3)施密特触发器的设计 由上面的分析可知,包络检波后 的信号出现变形,可能会导致后续的 解码电路产生错误,因此需要对出现 变形的信号进行整形处理。我们采用 施密特触发器来消除脉冲变形。 (4)本地时钟电路的设计 由于阅读器到标签的数据速率 在26.7—128 kb/s之间变化,标签到阅 读器的数据速率在40~640 kb/s之间 变化,因此为了正确地调制和解调数 OO 。 中兴通讯技术 流电压 (12 V)供E ̄ROM使用。 f1)RF~DC转换电路 据,必须有多种速率的时钟。经过计 RF—DC转换电路基于电荷泵电路 算得知:芯片中只要有一个1.28 MHz 设计,其原理如图5所示,芯片设计时 的时钟,经过一系列的分频就可以得 用栅源短接的增强型NMOS管代替图 到所需的全部时钟。由于时钟速率很 5中的二极管。设RF—DC转换电路所 低(1.28 MHz),使用常用的Lc振荡器 需二极管的最小个数为n ,则所需电 实现时钟电路,将要用到非常大的电 容个数也为n ,由于每级电荷泵由2 感和电容,而在面积很小的芯片中实 个电容和2个二极管构成,n 必须为 现大数值的电感和电容是不现实的, 偶数。 因而不能采用LC振荡器。 (21 DC—DC转换电路 本次设计中我们采用环形振荡 DC—DC转换电路也是采用电荷泵 器来产生本地时钟【“】。此环形振荡器 原理来设计。由于电子标签解调电路 由奇数个CMOS反相器闭环连接构 已有本地时钟电路f通常采用CMOS环 成,这样的环形振荡器具有集成度高 形振荡器产生幅度为 /2的时钟信 和消耗能量少的优点。此外为了增加 号),因此用时钟信号代替射频信号 每级反相器的延迟时间,除最后一级 对电荷泵充电,并从RF—DC转换电路 反相器外的反相器输出端和地之间 已产生的直流电压 开始充电可以 都接有电容。改变反相器的级数、电 显著减少DC—DC转换电路的电路级 容数值以及MOS管的尺寸可以调整 数。设此电路所需二极管最小个数为 振荡器的振荡频率到所需的数值【5_。 n:,则此电路所需二极管最小个数n: 我们设计中采用5级反相器构成环形 为【6]: 振荡器,为了提高集成度,我们使用 r l T, T,] l『 一 ] 漏极和源极连接到地的N沟道金属氧 l—VI 一 I l丽l’ 化物半导体(NMOS)管当作电容,调整 ff even MOS管的长度和宽度,最后在ADS中 其中1]一表示偶数上取整,即先 仿真时钟电路得到的仿真结果表明 执行上取整,如果上取整后不是偶数 可以作为芯片中所需的1.28 MHz的 则数值加1。 时钟源。 (3)电压限幅器 标签工作时,由于标签和阅读器 2.3电源产生电路 距离的变化以及传播环境的不同,标 电源产生电路结构框图如图4所 签天线接收到的射频信号的幅度变 图4 电源产生电路框图 维普资讯 http://www.cqvip.com 徐国鑫等:超高频无源电子标签芯片的模拟电路设计 ZTE COMMU NICATIONS improved voltage multiplier technique[J】IEEE Jou rnal of Solid—state Circuits.1 976.1 1(3): 374—378 9】姚远,石寅.射频能量AC/DC电荷泵的MOS实 现研究[J].物理学报,2005,54(5):2424—2427 收稿日期:2007—05—31 ..图5 电荷泵电路原理图 化可以高达l0倍以上,使电源产生电 Information technology--Radio—frequency identification for jtem management—Part 路输出的直流电压产生很大的波动。 6C:Pa rameters for air interface 因此必须对RF—DC、DC—DC转换电路 communications at 860 MHz to 960 MHz【S】. 2005 的输出电压进行限幅。我们采用稳压 21Anam S K,AbidiAA,A 30MHz CMOS 二极管限幅原理对RF—DC、DC—DC转 voltage—controlled ring oscillator【J】IEEE JournaI of Solid-state Circuits,1990.25(1): 换电路的输出电压进行上限幅,即把 312-31 5 多个饱和MOS管串联起来充当二极 3】沃招军.陈志良LCD控¥1JBt钟电路的设计[J] 微电子学,2001,31(3):216—219 管限幅器。调整MOS管的宽长比以及 4】艾伦P E,霍尔伯格D R CMOS模拟电路设计 掺杂浓度来调整限幅值为所需数值。 【M】.北京:科学出版社,1995:313-337 5】NAGHMOUCHl F,GH0RBEL N,BEN HAMIDA A.et a【l CMOS ASK system modulation dedicated to cochlea r prothesis【C‘ 3结束语 //Proceedings of 1 st lnternational Symposium on Control,Communications and Signal 本文基于IS03EC 18000—6C标准, Processing,Ma r 21—24,2004,Hammamet. 给出了UHF无源电子标签芯片模拟 Tunisia New York,NY.USA:IEEE,2004: 267-270 电路的设计,设计结果表明电路具有 6】许灵军,张建华,徐国鑫等一种适用于UHF无 很高的整流效率,满足了设计要求。 源电子标签的电源产生电路[J]北京邮电大学 学报,2006,29(6):129—133 下一步的研究将进行标签芯片的版 7】sunda ram r,iavanifa rd i,walimbe P,et al A 图设计和流片,用实际测试结果来进 128 Mb NOR flash memorv with 3 MB/s prog ram time and low—power write 一步验证设计的有效性。 pe rformance by using in—package inductor cha rge—pump【C】//Pr0CeedIngs of IEEE fnternational Solid-state Circuits Conference, 4参考文献 Feb 6—1 0,2005.San Francisco.CA USA Piscataway,NJ,USA:lEEE,2005:50~51 8 J Dickson J F.On—chip high vottage generation 1 1 lSO/IEC JTC I/SC 31 N ISO/IEC 1 8000—6C in MNOS integrated circuits using an 赞比亚国防部长访问中兴通讯 2007年6月27日,赞比亚国防部长Hon George W.Mpombo先生一行11人到访中兴 通讯股份有限公司总部,在韦在胜高级副总裁的陪同下参观了公司展厅和生产线。 Hon George W.Mpombo先生说,中兴通讯员工在赞比亚辛勤工作、后勤保障得力 给他留下了很深的印象,这次的参观更加深了他对中兴通讯产品和技术能力的了 解,希望中兴通讯早日启动赞比亚军用通信网的建设工程,以改变赞比亚军队长期 以来使用公网的现状。他希望能利用中兴通讯学院的资源,对赞比亚的军事、民用 人才进行通信网络的技术培训。(杨泳) 中兴通讯技术