超高頻無(wú)源電子標簽芯片的模擬電路設計

(1) 帶通濾波器
為了減少電容和電感數量，節省芯片面積，采用2級反轉Chebyshev濾波器，仿真結果表明其中心頻率為905 MHz，帶寬是220 MHz，相對帶寬是24％，滿(mǎn)足了設計要求。

(2) 包絡(luò )檢波器

包絡(luò )檢波器由二極管和并聯(lián)的RC電路組成，只有時(shí)間常數RC大于等于載波周期的100倍時(shí)，包絡(luò )檢波器的輸出信號才能夠正確地跟隨輸入端調制信號的包絡(luò )變化[2]。鑒于芯片采用CMOS工藝，我們使用金屬氧化物半導體(MOS)管實(shí)現包絡(luò )檢波器中的二極管、電容和電阻。

在A(yíng)DS中仿真設計的包絡(luò )檢波器，結果表明：當輸入的ASK調制信號的載波頻率在860～960 MHz間變化，基帶信號周期在6.25～25 ?滋s間變化時(shí)，檢波器均能較好的解調出包絡(luò )。但檢波后得到的信號波形不是理想的矩形脈沖，出現了較大的變形，因此為了保證后續電路的正常工作，必須對變形的波形進(jìn)行整形處理。

(3) 施密特觸發(fā)器的設計

由上面的分析可知，包絡(luò )檢波后的信號出現變形，可能會(huì )導致后續的解碼電路產(chǎn)生錯誤，因此需要對出現變形的信號進(jìn)行整形處理。我們采用施密特觸發(fā)器來(lái)消除脈沖變形。

(4) 本地時(shí)鐘電路的設計
由于閱讀器到標簽的數據速率在26.7～128 kb/s之間變化，標簽到閱讀器的數據速率在40～640 kb/s之間變化，因此為了正確地調制和解調數據，必須有多種速率的時(shí)鐘。經(jīng)過(guò)計算得知：芯片中只要有一個(gè)1.28 MHz的時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)一系列的分頻就可以得到所需的全部時(shí)鐘。由于時(shí)鐘速率很低(1.28 MHz)，使用常用的LC振蕩器實(shí)現時(shí)鐘電路，將要用到非常大的電感和電容，而在面積很小的芯片中實(shí)現大數值的電感和電容是不現實(shí)的，因而不能采用LC振蕩器。

本次設計中我們采用環(huán)形振蕩器來(lái)產(chǎn)生本地時(shí)鐘[3-4]。此環(huán)形振蕩器由奇數個(gè)CMOS反相器閉環(huán)連接構成，這樣的環(huán)形振蕩器具有集成度高和消耗能量少的優(yōu)點(diǎn)。此外為了增加每級反相器的延遲時(shí)間，除最后一級反相器外的反相器輸出端和地之間都接有電容。改變反相器的級數、電容數值以及MOS管的尺寸可以調整振蕩器的振蕩頻率到所需的數值[5]。我們設計中采用5級反相器構成環(huán)形振蕩器，為了提高集成度，我們使用漏極和源極連接到地的N溝道金屬氧化物半導體(NMOS)管當作電容，調整MOS管的長(cháng)度和寬度，最后在A(yíng)DS中仿真時(shí)鐘電路得到的仿真結果表明可以作為芯片中所需的1.28 MHz的時(shí)鐘源。
2.3 電源產(chǎn)生電路

電源產(chǎn)生電路結構框圖如圖4所示。天線(xiàn)接收到的射頻信號經(jīng)過(guò)射頻-直流(RF-DC)轉換電路轉化為不低于VL的直流電壓，然后經(jīng)電壓限幅器限幅后得到穩定的直流電壓VL(2.8 V)供給除E2PROM外的電路工作；VL和本地時(shí)鐘信號經(jīng)過(guò)直流-直流(DC- DC)轉換電路和電壓限幅器轉化為直流電壓VH(12 V)供E2PROM使用。

(1) RF-DC轉換電路

RF-DC轉換電路基于電荷泵電路設計，其原理如圖5所示，芯片設計時(shí)用柵源短接的增強型NMOS管代替圖5中的二極管。設RF-DC轉換電路所需二極管的最小個(gè)數為n1，則所需電容個(gè)數也為n1，由于每級電荷泵由2個(gè)電容和2個(gè)二極管構成，n1必須為偶數。

(2) DC-DC轉換電路
DC-DC轉換電路也是采用電荷泵原理來(lái)設計。由于電子標簽解調電路已有本地時(shí)鐘電路(通常采用CMOS環(huán)形振蕩器產(chǎn)生幅度為VL /2的時(shí)鐘信號)，因此用時(shí)鐘信號代替射頻信號對電荷泵充電，并從RF-DC轉換電路已產(chǎn)生的直流電壓VL開(kāi)始充電可以顯著(zhù)減少DC-DC轉換電路的電路級數。設此電路所需二極管最小個(gè)數為n2，則此電路所需二極管最小個(gè)數n2為[6]：

其中表示偶數上取整，即先執行上取整，如果上取整后不是偶數則數值加1。

(3) 電壓限幅器

標簽工作時(shí)，由于標簽和閱讀器距離的變化以及傳播環(huán)境的不同，標簽天線(xiàn)接收到的射頻信號的幅度變化可以高達10倍以上，使電源產(chǎn)生電路輸出的直流電壓產(chǎn)生很大的波動(dòng)。因此必須對RF-DC、DC-DC轉換電路的輸出電壓進(jìn)行限幅。我們采用穩壓二極管限幅原理對RF-DC、DC-DC轉換電路的輸出電壓進(jìn)行上限幅，即把多個(gè)飽和MOS管串聯(lián)起來(lái)充當二極管限幅器。調整MOS管的寬長(cháng)比以及摻雜濃度來(lái)調整限幅值為所需數值。

3 結束語(yǔ)
本文基于ISO/IEC 18000-6C標準，給出了UHF無(wú)源電子標簽芯片模擬電路的設計，設計結果表明電路具有很高的整流效率，滿(mǎn)足了設計要求。下一步的研究將進(jìn)行標簽芯片的版圖設計和流片，用實(shí)際測試結果來(lái)進(jìn)一步驗證設計的有效性。