低功耗2.45GHz射频识别模拟前端

张宝军, 高 原, 张 博, 贺 刚

(西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121)

低功耗2.45GHz射频识别模拟前端

张宝军, 高 原, 张 博, 贺 刚

(西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121)

采用台湾积体电路制造股份有限公司的0.18 μm互补金属氧化物半导体混合信号工艺，设计出一种应用于2.45 GHz的射频识别模拟前端芯片，并对射频识别芯片前端电路的关键性模块进行分析和改进，提出一种运用负温度系数电阻构成的带隙基准电路和一种运用延时电路来消除脉冲干扰的复位电路。仿真结果表明，所设计的射频前端芯片能够满足ISO 18000-4协议所提出的系统要求并且整体电路功耗小于1.5 μW。

射频识别；低功耗；2.45 GHz；射频前端

射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术[1]是一种射频空间识别技术，它通过空间电磁耦合实现无接触信息传递，并且通过传递的信息识别物品。其识别距离远、效率高，并且功耗低、面积小。RFID技术相对于其他识别技术，最主要的优势在于非接触式识别，并且可以工作在各种恶劣条件下，有准确度高、保密性好，效率高、速度快，可同时识别多个物体等特点,因此，被广泛应用于物联网[2]服务领域、交通、零售行业以及门禁系统等[3-5]。RFID无源标签作为其核心部分，最主要的难点在于低功耗的实现与高准确度识别。现在，RFID关键性难题已经成为研究的热点之一[6-9]。

针对RFID射频前端的关键性难题，本文采用台湾积体电路制造股份有限公司的0.18 μm互补金属氧化物半导体(TSMC 0.18 μm CMOS)技术，并基于Cadence Spectre设计仿真平台对RFID射频模拟前端的关键性电路(电荷泵、基准、时钟、复位、反向散射、稳压电路、解调)进行仿真并流片。

1 标签工作原理及系统结构

RFID标签系统主要由模拟部分(稳压电路、基准电路、复位电路、时钟电路)和射频部分(解调电路、整流电路、反向散射电路和匹配网络)和数字基带部分组成，如图1所示。由于RFID标签本身不带电源，当标签靠近阅读器时，即标签处于阅读器的电磁场范围内时，由天线接收阅读器的能量与数据，电源部分将阅读器发出的高频载波整流成直流电压，并且通过电荷泵升压，为整个标签系统提供电源；而阅读器所发出的数据则通过解调电路直接解调出包络信号，传送到数字基带进行处理，数字基带将处理完之后的数据通过反向散射电路再调制到载波上，发送至阅读器，完成通信。时钟电路产生1.28 MHz的时钟信号为数字基带提供时钟，而复位电路则为数字基带提供上电复位信号。

图1 RFID标签芯片结构

2 各模块电路的设计

2.1 整流电路

整流效率是影响RFID射频前端的关键性因素之一，整流电路的原理图如图2所示。针对RFID射频前端整流效率不够高的关键性问题，本设计采用阈值补偿技术[10-11]来提高电荷泵的整流效率。整流电路的主要作用是把阅读器所发出的高频载波整流成可供芯片工作的直流电压。整流电路的设计采用3级阈值补偿电荷泵结构，M7、M8、M14、M15、M19、M20为整流管，M5、M6、M11、M12、M17、M18为阈值补偿管，其他的晶体管均为电流镜为阈值补偿管提供补偿电压。C3、C7、C11为储能电容。电荷泵在整流时其整流电压会随着标签接收到的射频信号变化，因此，在输出端并联3个串联的二极管作为过压保护电路，防止整流电压过大而烧毁芯片。对于整流电路来说，其整流二极管上消耗的电压越小，整流电压越高，这意味着整流管的宽长比就要越大，而大的宽长比会导致反向泄露电流增大，降低其效率，所以在设计时要折中考虑。

图2 整流电路

2.2 基准电路

由于RFID射频前端芯片的电源是由整流电路将高频载波能量整流得到，所以在整流电路的直流输出上会有很大的交流纹波出现，同时由于宽温度范围的要求(-40～85°C)，这将会极大程度的影响RFID射频前端正常工作。通过设计基准电路(图3)和稳压电路(图4)可以获得与电源、温度无关的稳定的工作电压与电流，为RFID射频前端芯片提供电源，并且能够保证整个芯片在-40～85°C都能够正常工作。

新的基准电路能够提供100 nA的与温度无关的稳定的基准电流(PTAT电流)，同时稳定的基准电流也可保证时钟电路所产生的时钟信号能够稳定在协议的要求范围内(偏差小于15%)。C1、M2、M1构成启动电路，保证基准电路能够正常工作。为减小整体电路的功耗，R1、M3、M5、M4、M6构成了最基本的基准电路，而M10、M11、M9、M12组成运算放大器对M3和M5的栅级电压进行反馈调节，以减小基准电路由于失配所造成的误差。

由于台积电0.18 μm CMOS工艺下没有BJT晶体管，在此工艺下的BJT晶体管是通过寄生来制造的，如果采用BJT晶体管产生负温度系数，将会在工艺上造成误差，因此，可考虑采用负温度系数的电阻(R1)代替BJT晶体管，来产生负温度系数以中和MOS管的正温度系数。通过合理的选择电阻的种类与大小，可以得到与温度和电源电压无关的基准电压与电流，保证RFID射频前端的正常工作。

图3 基准电路

2.3 稳压电路和反向散射电路

因为标签距离的不确定性，输入能量的大小会随着标签和阅读器的距离而改变，其输入能量相差最大能达到1 000倍以上。稳压电路(图4)是为标签芯片提供一个稳定的直流电压，使标签芯片在任何时候都能够正常工作。稳压电路由基准、误差放大器、晶体管和反馈调节电阻R1、R2构成。它的工作原理是将电源芯片电压与芯片内部的基准电压相比较，然后经过误差放大器放大误差信号，送到晶体管的栅级，改变调整晶体管的栅源电压，改变电流，再通过负载跟踪，来保证低压差线性稳压器的输出电压保持稳定。

图4 稳压电路

反向散射电路是把经数字基带处理后的信号调制到载波上，再通过反向散射的方式再把信号送回到阅读器中，完成通信。

设计的反向散射电路如图5所示，它包括C2、M1与C1。L1和R1代表天线的等效阻抗。在接收状态，M1不开启，R1、L1、C2、R2构成匹配网络，标签从天线接收射频能量，整流成为直流电压为标签提供能量。在发送状态，M1开启，C2加入进匹配网络中，使天线与标签阻抗不匹配，通过反射发送过来的高频射频能量，可以把数字基带处理后的调制信号调制到高频载波上，阅读器读取到标签的反射能量，从而识别标签信号。

图5 反向散射电路

因为整个RFID芯片的电源全部来自于接收阅读器所发送的载波能量，而在反向散射电路工作时，会把数字基带处理的数据调制到载波上，造成不匹配，因此，在反向散射状态，不能够对载波进行全反射，实现100%调制，而是要设计成半匹配状态。因为在散射状态还需要让天线继续接收能量，经过整流电路整流、稳压，而继续提供电压使数字基带部分继续工作，故2.45 GHz RFID射频前端对调制信号进行55%调制深度调制，这样既能够满足协议要求的调制深度，又能够接收足够的能量为数字基带部分继续正常工作。

2.4 时钟电路与解调电路

由于RFID射频前端芯片无外加时钟输入，因此，需要自己产生时钟信号为数字基带提供稳定的采样时钟，时钟产生电路采用三级环形振荡器结构，如图6所示。M6、M7、M11、M10、M14、M15构成三级环形振荡器，为数字基带部分提供1.28 MHz的时钟信号。环形震荡器的震荡条件满足巴森毫克准则[12]，即

|H(jω0)|≥1,

∠H(jω0)=180°,

其中H(jω0)为系统的频率响应。M17、M18组成反相器作为整形电路，作用是把环形振荡器产生的不规则的方波时钟信号整理成能够满足数字基带的工作要求(上升时间<10 ns)的规则的时钟信号。其余电路则为电流镜结构，通过复制基准产生的100 nA的电流为环形振荡器充放电，减小温度与失配对时钟稳定性的影响，整体时钟产生电路消耗功耗约为400 nW。

图6 时钟电路

解调电路的作用是把2.4GHz的高频载波上所携带的包络数据信号解调出来，再将其整形成为可供数字基带部分使用的规则的方波信号，电路图如图7所示。

ASK(amplitude shift keying)射频信号经过电荷泵升压，然后经过C3和R1构成的包络检测电路提取出信号包络，随后把提取出的包络信号输入低通滤波器和迟滞比较器中，经迟滞比较器比较后输出，再经过M11、M10、M12、M13构成的整形电路后输出规则的方波包络信号。

图7 解调电路

2.5 复位电路

当标签芯片进入阅读器的有效作用区域内时，当电源电压上升到RFID射频模拟前端电路要求的正常工作电压时，通过上电复位电路(图8)产生RFID标签芯片的复位信号，并且当RFID标签的电磁场受到外界干扰时或者电压下降到正常工作电压之下时，通过上电复位电路产生的复位信号可以有效地保护数字基带的逻辑时序正常。

复位电路的工作原理为：当电源电压从0 V上升到Vdd(1 V),需要耗时10～15 μs，A点的电压上升的比B点的电压快，因此当A点电压上升到VA≥Vth6时，晶体管M6导通。由于M6和M5组成了一组反相器，因此其输出为低电平，而其输出的电压又为M10的栅极电压，此时M10晶体管不导通。但是，B点的电压经过由M7、M8构成的反相器后输出低电平作为M9的栅极电压，此时M9导通，输出高电平。当电源电压保持为高电平时，输出点保持高电平并且与电源电压同步变化，在输出节点后，C1开始充电，延迟5～10 μs后，上电复位信号就产生了。而为了防止脉冲信号的干扰，所以加入延时电路去除脉冲干扰的影响。

延时电路包含一个Pmos管和一个由基准电流源镜像得到的恒流放电回路和一个施密特触发器与一个与门构成。初始状态时，电容两极板因无电势差，所以其电压保持为0V，同时，与门与输入电压都为低电平，这时，Pmos管导通，电容上电压将由0V上升到电源电压。随着上电过程进行，上电检测电路经施密特触发器后，将原本的低电平上升至高电平，因此，在延时单元的输入端电压也同样上升为高电平，通过与电容并联的电流源，电容开始快速放电，随放电过程进行时，电容上的电压会一直下降，直到电容上的电压下降到施密特触发器的翻转电压时，电压变为高电平，最后经过与门输出的信号即是输入信号经过延迟后的结果。

图8 复位电路原理图

3 结果分析

RFID射频前端电路利用Cadence Spectre仿真软件进行电路设计，基于台积电0.18 μm工艺对RFID射频前端进行仿真，并且采用Cadence Virtuso版图工具对RFID射频前端芯片版图进行绘制，如图9所示，整个RFID射频前端面积大小为780 μm×550 μm。

通过仿真结果可以看出，在信号速率为40 kbit/s的情况下，ASK解调电路仍然能够正常工作，解调出包络信号并整形成可供数字基带处理的方波信号，如图10所示。

图9 RFID射频模拟前端版图

时钟电路的仿真结果如图11所示。仿真结果表明，产生的时钟频率为1.28MHz，在-40～85°C温度范围内，时钟频率偏差小于11%，可以满足协议要求。

整流电路、稳压电路以及复位电路产生的电压信号和复位信号如图12所示。仿真结果表明，电荷泵整流升压得到的最高电压约为2V，在协议规定的编码范围内，电荷泵最大掉电时电压依旧能够保持在1.5 V以上。稳压电路产生电压为1V，在上电时复位信号延迟时间约为13 ns。

图10 载波信号和解调信号

图11 1.28MHz时钟信号

图12 整流、稳压和复位信号

4 结 语

设计了一种满足ISO 18000-4协议标准的2.45 GHz RFID射频模拟前端芯片。对RFID射频模拟前端芯片进行了分析并改进(整流电路、稳压电路、带隙基准、时钟、复位以及反向散射电路)。采用台积电0.18 μm工艺进行设计、流片。射频前端芯片的面积为780 μm×550 μm，整体功耗小于1.5 μW，仿真结果表明，在ISO 18000-4协议标准下，该芯片能够正常工作，满足协议系统指标要求。

[1] Hind D J. Radio frequency identification and tracking systems in hazardous areas[C/OL].(1994-04-20)[2014-02-20].http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=324137.

[2] 刘婧,杨晓冬.政府在实现物联网过程中的对策问题研究[J].西安邮电学院学报, 2010,15(4): 45-49.

[3] Siror J K. RFID在智能海关中的潜在应用与挑战[D].上海:上海交通大学,2011:23-32.

[4] 王康.基于RFID技术提升服装企业快速反应能力的研究[D].北京:北京交通大学,2012：32-35.

[5] 倪霖.基于 RFID 的汽车生产线信息集成模式及关键技术研究[D].重庆:重庆大学, 2010：42-48.

[6] Sato Y, Mitsugi J, Nakamura O, et al. Theory and performance evaluation of group coding of RFID tags[J]. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering,2012, 9(3): 458-466.

[7] Yang Po, Wu Wenyan, Moniri M, et al. Efficient Object Localisation Using Sparsely Distributed Passive RFID Tags[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(12)：5914-5924.

[8] Potdar V, Chang E. Tamper detection in RFID tags using fragile watermarking[C/OL]. (2006-05-06)[2014-02-20].http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4238044.

[9] Zhang Wenqiang, Wang Ziqiang, Zhang Chun. A 6.93 μW wake-up circuit for active RFID Tags[C/OL].(2009-08-09)[2014-02-20].http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5397347.

[10] Yao Yuan, Wu Jie, Shi Yin, et al. A fully integrated 900-MHz passive RFID transponder front end with novel zero-threshold RF-DC rectifier[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(7): 2317-2325.

[11] Umeda T, Yoshida H, Sekine S, et al. A 950 MHz rectifier circuit for sensor networks with 10 m-distance[C/OL].(2005-02-05)[2014-02-28].http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1493966.

[12] Nguyen N M, Meyer R G. Start-up and frequency stability in high-frequency oscillators[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1992, 27(5): 810-820.

[责任编辑:王辉]

Ultra low power 2.45 GHz RFID RF analog front-end

ZHANG Baojun, GAO Yuan, ZHANG Bo, HE Gang

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A 2.45 GHz RFID RF Front-End Chip with the TSMC 0.18 μm CMOS Mix-Signal process is proposed in this paper. The key module of the RFID RF Front-End Chip is analyzed. A negative temperature coefficient resistance of band-gap reference circuit and a method of time delay circuit to eliminate the pulse interference reset circuit are also presented. Simulation results show the 2.45 GHz RFID RF Front-End Chip can meet the requirement of the ISO 18000-4 standard well and the overall circuit power consumption is less than 1.5 μW.

radio frequency identification (RFID), low power, 2.45 GHz, RF front-end

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.03.016

2014-02-24

国家自然科学基金青年基金资助项目(61201044)；陕西省自然科学基金青年基金资助项目(2012JQ8020)；西安邮电大学青年教师科研基金资助项目(1010436)

张宝军(1972-)男，硕士，副教授，从事通信与信号处理研究。E-mail：908623513@qq.com 高原(1988-)男，硕士研究生，研究方向为微波射频电路。E-mail：734616358@qq.com

TN492

A

2095-6533(2014)03-0077-07