中心論題：

• 電源恢複電路
• 電源穩壓電路
• 調製與解調電路
• 啟動信號產生電路

解決方案：

• 電源恢複：二極管倍壓電路
  、pmos管倍壓電路、全波整流電路和柵交叉耦合的管橋式整流電路
• 電源穩壓：穩壓電路結構可以分為並聯式穩壓電路和串聯式穩壓電路
• 調製與解調：解調方式常用包絡檢波的方式、調製方法采用反向散射
• 啟動信號產生電路

引言
超高頻無源RFID 標簽(UHF Passive RFIDTag)是指工作頻率在300M~3GHz 之間的超高頻頻段內，無外接電源供電的RFID 標簽。這種超高頻無源RFID 標簽由於其工作頻率高
，可讀寫距離長
，無需外部電源，製造成本低
，目前成為了RFID 研究的重點方向之一，有可能成為在不久的將來RFID 領域的主流產品。
   
對於UHF 頻段RFID 標簽的研究，國際上許多研究單位已經取得了一些出色的成果。例如

，Atmel 公司在JSSC 上發表了最小RF 輸入功率可低至16.7μW的UHF 無源RFID 標簽。這篇文章由於其超低的輸入功率，已經成為RFID 標簽設計的一篇經典文章，被多次引用。在2005 年，JSSC 發表了瑞士聯邦技術研究院設計的一款最小輸入功率僅為2.7μW，讀寫距離可達12m 的2.45G RFID 標簽芯片。在超小
、超薄的RFID 標簽設計上
，日本日立公司在2006年ISSCC 會議上提出了麵積僅為0.15mm×0.15mm，芯片厚度僅為7.5μm 的RFID 標簽芯片。國內在RFID 標簽領域的研究，目前與國外頂尖的科研成果還有不小的差距
，需要國內科研工作者加倍的努力。

如圖1 所示，一個完整超高頻無源RFID 標簽由天線和標簽芯片兩部分組成

，其中，標簽芯片一般包括以下幾部分電路：電源恢複電路、電源穩壓電路、反向散射調製電路、解調電路、時鍾提取/產生電路、啟動信號產生電路
、參考源產生電路、控製單元、存儲器。
   
無源RFID 標biao簽qian芯xin片pian工gong作zuo時shi所suo需xu要yao的de能neng量liang完wan全quan來lai源yuan於yu讀du卡ka器qi產chan生sheng的de電dian磁ci波bo的de能neng量liang，因yin此ci，電dian源yuan恢hui複fu電dian路lu需xu要yao將jiang標biao簽qian天tian線xian感gan應ying出chu的de超chao高gao頻pin信xin號hao轉zhuan換huan為wei芯xin片pian工gong作zuo需xu要yao的de直zhi流liu電dian壓ya，為wei芯xin片pian提ti供gong能neng量liang。本ben文wen第di2 部分將介紹電源恢複電路的設計。由於RFID 標(biao)簽(qian)所(suo)處(chu)的(de)電(dian)磁(ci)環(huan)境(jing)是(shi)十(shi)分(fen)複(fu)雜(za)的(de)，輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)功(gong)率(lv)可(ke)以(yi)變(bian)化(hua)幾(ji)百(bai)甚(shen)至(zhi)幾(ji)千(qian)倍(bei)，因(yin)此(ci)，為(wei)了(le)芯(xin)片(pian)在(zai)大(da)小(xiao)不(bu)同(tong)的(de)場(chang)強(qiang)中(zhong)均(jun)可(ke)以(yi)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)，必(bi)須(xu)設(she)計(ji)可(ke)靠(kao)的(de)電(dian)源(yuan)穩(wen)壓(ya)電(dian)路(lu)。本(ben)文(wen)第(di)3部分將對電源穩壓電路的設計進行說明。調製與解調電路是標簽與讀卡器進行通信的關鍵電路，目前絕大部分的UHF RFID 標簽采用的是ASK調製，本文在第4 部分對調製與解調進行介紹。RFID 標(biao)簽(qian)的(de)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)是(shi)處(chu)理(li)指(zhi)令(ling)的(de)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)。為(wei)使(shi)標(biao)簽(qian)在(zai)進(jin)入(ru)讀(du)卡(ka)器(qi)場(chang)區(qu)後(hou)
，數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)正(zheng)確(que)複(fu)位(wei)，以(yi)響(xiang)應(ying)讀(du)卡(ka)器(qi)的(de)指(zhi)令(ling)，必(bi)須(xu)設(she)計(ji)可(ke)靠(kao)的(de)啟(qi)動(dong)信(xin)號(hao)產(chan)生(sheng)電(dian)路(lu)，用(yong)來(lai)提(ti)供(gong)數(shu)字(zi)單(dan)元(yuan)的(de)複(fu)位(wei)信(xin)號(hao)。本(ben)文(wen)在(zai)第(di)5 部分將討論啟動信號產生電路的設計。

電源恢複電路
電源恢複電路將RFID 標簽天線所接收到的超高頻信號通過整流、升壓等方式轉換為直流電壓，為芯片工作提供能量。電源恢複電路具有多種可行的電路結構。如圖2 所示是目前常用的幾種電源恢複電路。

在這些電源恢複電路中，並不存在最理想的電路結構，每種電路都有各自的優點及缺陷。在不同的負載情況、不同的輸入電壓情況
、不同的輸出電壓要求以及可用的工藝條件下，需要選擇不同的電路以使其達到最優的性能。圖2(a)所示的多級二極管倍壓電路
，一般采用肖特基勢壘二極管。它具有倍壓效率高、輸入信號幅度小的優點
，應用十分廣泛。但是，一般代工廠的普通CMOS 工藝不提供肖特基勢壘二極管
，在工藝的選擇上會給設計者帶來麻煩。圖2(b)是用接成二極管形式的PMOS 管(guan)來(lai)代(dai)替(ti)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)
，避(bi)免(mian)了(le)工(gong)藝(yi)上(shang)的(de)特(te)殊(shu)要(yao)求(qiu)。這(zhe)種(zhong)結(jie)構(gou)的(de)倍(bei)壓(ya)電(dian)路(lu)需(xu)要(yao)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)幅(fu)度(du)，在(zai)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)較(jiao)高(gao)時(shi)具(ju)有(you)較(jiao)好(hao)倍(bei)壓(ya)效(xiao)率(lv)。圖(tu)2(c)是傳統的二極管全波整流電路。與Dickson 倍壓電路相比
，倍壓效果更好，但引入了更多的二極管元件，功率轉換效率一般略低於Dickson beiyadianlu。lingwai，youyutadetianxianshuruduanyuxinpiandifenli，congtianxianshuruduanxiangxinpiankanqu，shiyigedianronggezhidequanduichengjiegou
，bimianlexinpiandiyutianxiandexianghuyingxiang，shiheyuyuduichengtianxian（例如偶極子天線）相接。圖2(d)是許多文獻提出的全波整流電路的CMOS 管解決方案。在工藝受限的情況下，可以獲得較好的功率轉換效率，並且對輸入信號幅度的要求也相對較低。
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在一般的無源UHF RFID 標簽的應用中，出於成本的考慮，希望芯片電路適合於普通CMOS工藝的製造。而遠距離讀寫的要求對電源恢複電路的功率轉換效率提出了較高的要求。為此
，很多設計者采用標準CMOS 工藝來實現肖特基勢壘二極管，從而可以方便地采用多級Dickson倍壓電路結構來提高電源轉換的性能。圖3 所示是普通CMOS 工gong藝yi製zhi造zao的de肖xiao特te基ji二er極ji管guan結jie構gou示shi意yi圖tu。在zai設she計ji中zhong，不bu需xu要yao更geng改gai工gong藝yi步bu驟zhou和he掩yan膜mo板ban生sheng成cheng規gui則ze，隻zhi需xu在zai版ban圖tu上shang作zuo一yi些xie修xiu改gai
，就jiu可ke以yi製zhi作zuo出chu肖xiao特te基ji二er極ji管guan。

圖4 所示是在UMC 0.18um CMOS 工藝下設計的幾種肖特基二極管的版圖。它們的直流特性測試曲線如圖5 所示。從直流特性的測試結果
上可以看到，標準CMOS 工藝製造的肖特基二極管具有典型的二極管特性
，並且開啟電壓隻有0.2V 左右
，非常適合應用於RFID 標簽。
 

電源穩壓電路
在輸入信號幅度較高時
，電源穩壓電路必須能保證輸出的直流電源電壓不超過芯片所能承受的最高電壓；同時，在輸入信號較小時，穩壓電路所消耗的功率要盡量的小，以減小芯片的總功耗。
   
從穩壓原理上看
，穩壓電路結構可以分為並聯式穩壓電路和串聯式穩壓電路兩種。並聯式穩壓電路的基本原理如圖6 所示。

在RFID 標簽芯片中

，需要有一個較大電容值的儲能電容存儲足夠的電荷以供標簽在接收調製信號時
，仍可在輸入能量較小的時刻（例如OOK調製中無載波發出的時刻），weichixinpiandedianyuandianya。ruguoshurunengliangguogao，dianyuandianyashenggaodaoyidingchengdu，wenyadianluzhongdianyaganyingqijiangkongzhixieliuyuanjiangchunengdianrongshangdeduoyudianheshifangdiao，yicidadaowenyademude。tu7 是其中一種並聯型穩壓電路。三個串聯的二極管D1
、D2、D3 與電阻R1 組成電壓感應器
，控製泄流管M1 的柵極電壓。當電源電壓超過三個二極管開啟電壓之和後
，M1 柵極電壓升高
，M1 導通
，開始對儲能電容C1 放電。

另外一類穩壓電路的原理則是采用串聯式的穩壓方案。它的原理圖如圖8 所suo示shi。參can考kao電dian壓ya源yuan是shi被bei設she計ji成cheng一yi個ge與yu電dian源yuan電dian壓ya無wu關guan的de參can考kao源yuan。輸shu出chu電dian源yuan電dian壓ya經jing電dian阻zu分fen壓ya後hou與yu參can考kao電dian壓ya相xiang比bi較jiao，通tong過guo運yun算suan放fang大da器qi放fang大da其qi差cha值zhi來lai控kong製zhiM1 管的柵極電位，使得輸出電壓與參考源基本保持相同的穩定狀態。
 

這種串聯型穩壓電路可以輸出較為準確的電源電壓，但是由於M1 管串聯在未穩壓電源與穩壓電源之間，在負載電流較大
時，M1 管上的壓降會造成較高的功耗損失。因此，這種電路結構一般應用於功耗較小的標簽電路中。
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調製與解調電路
a.解調電路
出於減小芯片麵積和功耗的考慮，目前大部分無源RFID 標簽均采用了ASK 調製。對於標簽芯片的ASK 解調電路，常用的解調方式是包絡檢波的方式
，如圖9 所示。
 

baoluojianbobufenyudianyuanhuifubufendebeiyadianlujibenxiangtong
，danshibubitigongdadefuzaidianliu。zaibaoluojianbodianludemojibinglianyigexiedianliuyuan。dangshuruxinhaobeitiaozhishi

，shurunengliangjianxiao，xieliuyuanjiangbaoluoshuchudianyajiangdi，congershidehoumiandebijiaoqidianlupanduanchutiaozhixinhao。youyushurushepinxinhaodenengliangbianhuafanweijiaoda
，xieliuyuandedianliudaxiaobixunenggoudongtaidejinxingtiaozheng，yishiyingjinchang、遠(yuan)場(chang)不(bu)同(tong)場(chang)強(qiang)的(de)變(bian)化(hua)。例(li)如(ru)，如(ru)果(guo)泄(xie)流(liu)電(dian)源(yuan)的(de)電(dian)流(liu)較(jiao)小(xiao)，在(zai)場(chang)強(qiang)較(jiao)弱(ruo)時(shi)
，可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)需(xu)要(yao)，但(dan)是(shi)當(dang)標(biao)簽(qian)處(chu)於(yu)場(chang)強(qiang)很(hen)強(qiang)的(de)近(jin)場(chang)時(shi)

，泄(xie)放(fang)的(de)電(dian)流(liu)將(jiang)不(bu)足(zu)以(yi)使(shi)得(de)檢(jian)波(bo)後(hou)的(de)信(xin)號(hao)產(chan)生(sheng)較(jiao)大(da)的(de)幅(fu)度(du)變(bian)化(hua)
，後(hou)級(ji)比(bi)較(jiao)器(qi)無(wu)法(fa)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。為(wei)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)，可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)如(ru)圖(tu)10 所示的泄流源結構。

在輸入載波未受調製時，泄流管M1 的柵極電位與漏極電位相同
，形成一個二極管接法的NMOS管，將包絡輸出鉗位在M1 的閾值電壓附近，此時輸入功率與在M1 上消耗的功率相平衡；當輸入載波受調製後
，芯片輸入能量減小，而此時由於延時電路R1、C1 的作用
，M1 的柵極電位仍然保持在原有電平上，M1 上泄放的電流仍保持不變，這就使得包絡輸出信號幅度迅速減小
；同樣，在載波恢複後，R1 和C1 的延時使得包絡輸出可以迅速回複到原有高電平。采用這種電路結構

，並通過合理選擇R1、C1 的大小以及M1的尺寸，即可滿足在不同場強下解調的需要。包絡輸出後麵所接的比較器電路也有多種可以選擇的方案，常用的有遲滯比較器、運算放大器等。也可以簡化為用反相器來實現。

b.調製電路
無源UHF RFID biaoqianyibancaiyongfanxiangsanshedetiaozhifangfa，jitongguogaibianxinpianshuruzukanglaigaibianxinpianyutianxianjiandefanshexishu，congerdadaotiaozhidemude。yibanshejitianxianzukangyuxinpianshuruzukangshiqizaiweitiaozhishijiejingonglvpipei
，erzaitiaozhishi
，shiqifanshexishuzengjia。changyongdefanxiangsanshefangfashizaitianxiandelianggeshuruduanjianbinglianyigejieyoukaiguandedianrong，rutu11 所示，調製信號通過控製開關的開啟

，決定了電容是否接入芯片輸入端
，從而改變了芯片的輸入阻抗。

啟動信號產生電路
電源啟動複位信號產生電路在RFID 標簽中的作用是在電源恢複完成後，為數字電路的啟動工作提供複位信號。它的設計必須要考慮以下幾點問題：如果電源電壓上升時間過長，會使得複位信號的高電平幅度較低

，達不到數字電路複位的需要；啟動信號產生電路對電源的波動比較敏感

，有可能因此產生誤動作；靜態功耗必須盡可能的低。
   
通常，無源RFID 標biao簽qian進jin入ru場chang區qu後hou，電dian源yuan電dian壓ya上shang升sheng的de時shi間jian並bing不bu確que定ding，有you可ke能neng很hen長chang。這zhe就jiu要yao求qiu設she計ji的de啟qi動dong信xin號hao產chan生sheng電dian路lu產chan生sheng啟qi動dong信xin號hao的de時shi刻ke與yu電dian源yuan電dian壓ya相xiang關guan。圖tu12 所示是一種常見的啟動信號產生電路。

   
它的基本原理是利用電阻R0 和NMOS 管M1組成的支路產生一個相對固定的電壓Va
，當電源電壓vdd 超過NMOS 管的閾值電壓後，Va 電壓基本保持不變。隨著vdd 的繼續升高，當電源電壓達到Va＋|Vtp|時
，PMOS 管M0 導通使得Vb升高
，而此前由於M0 截止
，Vb 一直處於低電平。這種電路的主要問題是存在著靜態功耗。並且由於CMOS 工藝下MOS 管的閾值電壓隨工藝的變化比較大，容易受工藝偏差的影響。因此，利用pn 結二極管作啟動電壓的產生會大大減小工藝的不確定性，如圖13 所示。

   
當VDD 上升到兩個pn 結二極管的開啟電壓之前，PMOS 管M0 柵極與電源電壓相等，PMOS 管關斷，此時電容C1 上的電壓為低電平。當VDD 上升到超過兩個二極管閾值電壓後，M0 開始導通，而M1 柵極電壓保持不變，流過M1 的電流保持不變，電容C1 上shang電dian壓ya逐zhu漸jian升sheng高gao
，當dang其qi升sheng高gao到dao反fan相xiang器qi發fa生sheng翻fan轉zhuan後hou，就jiu產chan生sheng了le啟qi動dong信xin號hao。因yin此ci，這zhe種zhong電dian路lu產chan生sheng啟qi動dong信xin號hao的de時shi間jian取qu決jue於yu電dian源yuan電dian壓ya是shi否fou達da到dao兩liang個ge二er極ji管guan的de閾yu值zhi電dian壓ya，具ju有you較jiao高gao的de穩wen定ding性xing，避bi免mian了le一yi般ban啟qi動dong電dian路lu在zai電dian源yuan電dian壓ya上shang升sheng過guo慢man時shi
，會hui導dao致zhi開kai啟qi信xin號hao出chu現xian過guo早zao的de問wen題ti。
   
如果電源電壓上升的時間過快，電阻R1 和M0 的柵電容構成了低通延時電路，會使得M0 的柵極電壓不能迅速跟上電源電壓的變化，仍然維持在低電平上
，這時M0 就會對電容C1 充電，導致電路不能正確工作。為解決這一問題，引入電容C5。如果電源電壓上升速度很快，電容C5 的耦合作用能夠使得M0 的柵極電位保持與電源電壓一致
，避免了上述問題的發生。
   
該電路仍然存在的靜態功耗的問題
，可以通過增大電阻值，合理選擇MOS 管(guan)尺(chi)寸(cun)來(lai)降(jiang)低(di)靜(jing)態(tai)功(gong)耗(hao)的(de)影(ying)響(xiang)。要(yao)想(xiang)完(wan)全(quan)解(jie)決(jue)靜(jing)態(tai)功(gong)耗(hao)的(de)問(wen)題(ti)則(ze)需(xu)要(yao)設(she)計(ji)額(e)外(wai)的(de)反(fan)饋(kui)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)，在(zai)啟(qi)動(dong)信(xin)號(hao)產(chan)生(sheng)後(hou)關(guan)斷(duan)這(zhe)部(bu)分(fen)電(dian)路(lu)。但(dan)是(shi)，需(xu)要(yao)特(te)別(bie)注(zhu)意(yi)引(yin)入(ru)反(fan)饋(kui)後(hou)產(chan)生(sheng)的(de)不(bu)穩(wen)定(ding)態(tai)的(de)問(wen)題(ti)。

結論
本文所介紹的一些RFID 標簽的主要電路，大部分已經經過了流片的驗證。圖14 是我們所設計的一款RFID 標簽芯片。芯片麵積0.7mm×1.0mm，在36dBm EIRP 下
，可在6 米處讀出標簽卡號。圖15 是2.45GHz 帶有片上天線設計的RFID 標簽。在42dBm EIRP 下，該芯片可在40cm處產生響應。
   
無源UHF RFID 芯片的設計難點是圍繞著如何提高芯片的讀寫距離
、降低標簽的製造成本展開的。因此

，提高電源恢複電路的效率
，降低整體芯片的功耗，並且工作可靠仍然是RFID 標簽芯片設計主要的挑戰。