一种用于标签芯片的低压低功耗参考电源设计*

熊立志

(深圳市远望谷信息技术股份有限公司　深圳　518057)



一种用于标签芯片的低压低功耗参考电源设计*

熊立志

(深圳市远望谷信息技术股份有限公司深圳518057)

摘要射频识别(Radio Frequence Identification,RFID)无源电子标签芯片需要一种能低压，低功耗，面积小，电源抑制比较高的参考电源。常规带隙参考电路不能满足要求。论文引入一种利用MOS管电子迁移率与阈值互补特性的参考源电路，并引入低压套筒式共源共栅电流源电路，使得论文所提出的电压参考源电路具有低压低功耗，小面积及高电源抑制比的特性。仿真及流片结果均表明所设计电路满足RFID无源标签芯片的要求。

关键词参考电源; 低压低功耗; RFID

A Low Voltage Low Power Voltage Reference Circuit for Tag Chip

XIONG Lizhi

(Invengo Information Technology Co., Ltd., Shenzhen518057)

AbstractRadio Frequency Identification passive tag chip needs a low voltage low power voltage reference circuit with little chip area and high PSRR. The traditional bandgap voltage reference circuit cannot fully fill the requirements. A mutual compensation of mobility and threshold voltage reference circuit is introduced. After equipped with cascade common source common gate current mirror, the proposed voltage source circuit can work in low voltage with low power consumption, little area and high PSRR. Simulation and test show the proposed circuit can fully fill RFID passive tag chip requirements.

Key Wordsvoltage reference, low voltage low power, RFID

Class NumberTP391

1引言

本文介绍一种用于无源UHF RFID标签芯片的低压低功耗参考电源电路。与常规参考源电路的设计不同，用于无源UHF RFID芯片的参考源电路在设计上存在一定的应用环境约束。无源UHF RFID芯片工作时不需要外接电源，芯片通过接收发射机发射的微波信号来获取能量。一般情况下UHF RFID标签工作时离发射机天线距离相对其他频段标签远，在较远距离工作时，标签能接收到的能量非常弱，通常仅为数微瓦到数十微瓦。阅读距离是RFID标签的一项重要性能指标，阅读距离需要越远越好。这一指标在一定程度上也要求芯片的整体功耗越低越好。要降低功耗就需要降低芯片的工作电压及电流。另外，由于大规模RFID应用对标签芯片成本非常敏感，因此芯片整体面积受到限制。无源RFID电子标签芯片电源是通过对天线所接收到的微波进行整流获得的，电源极为不稳定，这是因为超高频微波信号在传输过程中容易出现衰落现象，从而使接收能量时大时小；微波信号包含一定的调制信息，随着调制电平的改变，微波幅度也会呈现时高时低的变化。因此，参考电压源需要有一定的电源波动抑制能力。参考电压源是UHF RFID芯片的重要组成单元，本文提出一种能在低压低功耗，芯片面积限制及电源波动较大的情况下稳定工作的参考电源电路。

2常规带隙参考源

传统带隙参考电路如图1所示，该带隙电路存在如下问题： 1) 带隙参考输出电压为1.2V左右[1]，因此最低工作电压必须大于1.2V。 2) 由于该电路大量使用电阻，在支路电流较小的情况下，必须使用大阻值电阻，大阻值电阻必然消耗较多芯片面积。

图1　常规带隙电路

基于以上问题，常规带隙参考电路较难在RFID芯片设计中获得应用。因此我们需要寻找新的方法来获取电压参考。

3阈值与迁移率温度互补型参考源

可以利用MOS管的电子迁移率及MOS管阈值的温度互补特性来获取电压参考。图2为常规电流源电路。

图2　常规电流源电路

假设M3,M4长宽相同，我们可以得到式(1)。

(1)

式(1)中：Cox为单位面积栅氧化物电容。μ为n沟道CMOS管的表面迁移率。R为与M2串联电阻值。L1,W1,L2,W2分别为MOS管M1，M2的长和宽。式(1)中μ和R的值会随温度的变化而变化，因此电流I1及I2会随温度的变化而变化。可以将μ和R随温度变化表示为

μ=μ0(T/T0)-m

(2)

R=R0[1+α1(T-T0)+α2(T-T0)2]

(3)

式(2)中：T0,μ0分别为参考温度及参考温度下的MOS管的表面迁移率。T0,R0分别为参考温度及参考温度下的电阻阻值。m为取值在1.5~2之间的常数[2~3]。α1,α2分别为电阻的一阶及二阶温度系数。将式(2)、(3)代入式(1)，忽略高阶项可以得到：

I1=I2≅IT0[1+γ(T-T0)]

(4)

式(4)中：IT0为T0参考温度下I1,I2的值。

(5)

VTH=VTH0-αVT(T-T0)

(6)

饱和状态下MOS管的漏极电流可以表示为[5]

(7)

将式(2)、式(6)代入式(7)可以得到：

(8)

式(8)中：

(9)

αVT是一个正的常数，范围在1.5mv/℃~2mv/℃随温度的不同，饱和MOS管栅源电压VGS与漏极电流ID在不同温度下会呈现不同栅源电压-漏极电流函数关系。

图3　不同温度下漏极电流随栅源电压的变化

图3为TSMC 0.18μm工艺1.8V NMOS管不同温度下漏电流随栅源电压的变化，仿真时使用的参数为W/L为0.22μ/4.4μ。漏源电压为1V。通过观察图3发现不同温度下栅源电压-漏极电流曲线在Z点交汇，Z点被称为零温度系数点[6~9]。在Z点之前和Z点之后，栅漏相连的NMOS管等效电阻表现出不同的温度特性。在Z点之前为负温度系数，在Z点之后为正温度系数。

图4　NMOS管作为负载的电压参考源

图4中以M6作为M5负载来产生参考电压。从式(4)可以看出，通过电流源电路能够产生随温度变化的电流。通过调整M4、M5的长宽比，可以调整支路电流。经调整后的电流用表示为

(10)

将式(10)代入式(8),并取温度T0处的微分可以得到：

(11)

考虑到式(5)可以得到：

(12)

令式(12)为零，即使VGS在T0处不随温度的变化而变化，需要满足的条件为

(13)

从式(13)可以看出，对于给定的工艺，可以通过调整NMOS管M6及PMOS管M5的长宽来满足等式成立的条件。

4对电源电压变化的抑制

一般情况下，RFID芯片内部电压是通过微波信号恢复的。微波信号在传输过程中存在多径效应，导致RFID芯片所接收到的能量时大时小，同时由于下行微波信号中存在调幅成分，更进一步加剧了接收信号的幅度变化，导致片上电源波动较大。一般情况下，MOS管漏级输出不仅受栅源电压控制，同时也受源漏电压影响。很明显，图4的常规电流源电路受电源电压影响较大。为了能在低电压下环境下工作的同时提高电流源对电源电压波动的抑制，本文对常规电流源电路作了一定的修改，如图5所示。M3,M4,M5与MOS管M8,M9,M10组成套筒式共源共栅电流镜结构。很明显，这一改进大大提高了电流镜的输出阻抗，减少了MOS管漏极电压调制效应[10]。由于M8,M9,M10的偏置电压选择为略高于M3,M4,M5的偏置电压，套筒式共源共栅电流镜结构对额外增加电源电压的要求不多。

图5　使用套筒式电流镜的电压参考电路

5实验结果

图6为使用本文所述电路(增加了启动电路)在TSMC 0.18μm混合信号工艺下的版图及流片结果。图7为电压参考源的仿真结果。在该款芯片设计中，该参考源电路的输出作为LDO的比较电压，未直接引出，因此不能直接通过样片测得参考源的参考电压，但本片的LDO输出电压与参考电压程线性关系，因此可以通过测量LDO的输出电压与仿真值进行对比来间接说明参考电压随温度的变化。仿真与实验结果对比如图8所示。由于模型及测量过程误差，实际结果LDO输出随温度变化约30mV，完全满足RFID芯片电源电压的要求。图9为仿真参考电压随工作电源电压的变化，工作电压从0.9V变到2V，参考电压仅变化不到10mV，电源抑制比PSRR约为44dB，能满足实际应用的需求。

图6　TSMC0.18μm工艺版图及流片结果

图7　本文所述电路在TSMC 0.18MS工艺下的仿真结果

图8　LDO输出电压仿真与实测结果对比

图9　仿真参考电压输出随电源电压的变化

6结语

本文所述的参考电压源具有低压低功耗及较高的电源电压抑制比，同时电路所占面积较小，非常适合RFID标签芯片设计环境约束。理论分析及实际流片结果均证明了该电路的正确性。

参 考 文 献

[1] P. E. Allen. CMOS Analog Circuit Design[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2002,6:125-130.

[2] I. M. Filanovsky, A. Allam. Mutual compensation of mobility and threshold voltage temperature effects with applications in CMOS circuits[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems-I,2001,48(7):876-883.

[3] D. J. Hamilton, W. G. Howard. Basic Integrated Circuit Engineering[M]. New York: McGraw Hill,1987.

[4] Y. P. Tsividis. Operational and Modeling of the MOS Transistor[M]. New York: McGraw-Hill,1987.

[5] D. Johns, K. Martin. Analog Integrated Circuit Design[M]. New York: John Wiley and Sons,1997.

[6] T. Manku, Y. Wang. Temperature-independent output voltage generated by threshold voltage of an NMOS transistor[J]. IEE Electronics Letters,1995,31(12):935-936.

[7] A. Bendali. A 1-V CMOS Current Reference With Temperature and Process Compensation[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems-Ⅰ,2007,54(7):1424-1429.

[8] Najafizadeh, L. Towards A Sub-1 V CMOS Voltage Reference[C]//IEEE Proceeding of the 2004 International Symposium on Circuits and Systems(ISCAS),2004,1:I-53-I-56.

[9] T. Manku, Y. Wang. Temperature-independent output voltage generated by threshold voltage of an NMOS transistor[J]. Electron. Lett,1995,31(6):935-936.

[10] B. Razavi. Design of analog CMOS integrated circuits[M]. NewYork: McGraw Hill,2001:116-121.

中图分类号TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.037

作者简介:熊立志,男,博士,研究方向:集成电路设计,RFID系统,射频电路设计等。

基金项目:国家863计划项目“防伪防转移标签材料和近场抗电磁干扰材料技术”(编号:2013AA030802)资助。

*收稿日期:2015年8月11日,修回日期:2015年9月17日