超高頻無(wú)源電子標(biāo)簽芯片的模擬電路設(shè)計(jì)

(1) 帶通濾波器
為了減少電容和電感數(shù)量，節(jié)省芯片面積，采用2級(jí)反轉(zhuǎn)Chebyshev濾波器，仿真結(jié)果表明其中心頻率為905 MHz，帶寬是220 MHz，相對(duì)帶寬是24％，滿足了設(shè)計(jì)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(shù)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(hào)才能夠正確地跟隨輸入端調(diào)制信號(hào)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(dǎo)體(MOS)管實(shí)現(xiàn)包絡(luò)檢波器中的二極管、電容和電阻。

在ADS中仿真設(shè)計(jì)的包絡(luò)檢波器，結(jié)果表明：當(dāng)輸入的ASK調(diào)制信號(hào)的載波頻率在860～960 MHz間變化，基帶信號(hào)周期在6.25～25 ?滋s間變化時(shí)，檢波器均能較好的解調(diào)出包絡(luò)。但檢波后得到的信號(hào)波形不是理想的矩形脈沖，出現(xiàn)了較大的變形，因此為了保證后續(xù)電路的正常工作，必須對(duì)變形的波形進(jìn)行整形處理。

(3) 施密特觸發(fā)器的設(shè)計(jì)

由上面的分析可知，包絡(luò)檢波后的信號(hào)出現(xiàn)變形，可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的解碼電路產(chǎn)生錯(cuò)誤，因此需要對(duì)出現(xiàn)變形的信號(hào)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(shè)計(jì)
由于閱讀器到標(biāo)簽的數(shù)據(jù)速率在26.7～128 kb/s之間變化，標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)速率在40～640 kb/s之間變化，因此為了正確地調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù)，必須有多種速率的時(shí)鐘。經(jīng)過(guò)計(jì)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(xiàn)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(xiàn)大數(shù)值的電感和電容是不現(xiàn)實(shí)的，因而不能采用LC振蕩器。

本次設(shè)計(jì)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(shù)個(gè)CMOS反相器閉環(huán)連接構(gòu)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(jí)反相器的延遲時(shí)間，除最后一級(jí)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(jí)數(shù)、電容數(shù)值以及MOS管的尺寸可以調(diào)整振蕩器的振蕩頻率到所需的數(shù)值[5]。我們?cè)O(shè)計(jì)中采用5級(jí)反相器構(gòu)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(dǎo)體(NMOS)管當(dāng)作電容，調(diào)整MOS管的長(zhǎng)度和寬度，最后在ADS中仿真時(shí)鐘電路得到的仿真結(jié)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(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻-直流(RF-DC)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)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(wěn)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(hào)經(jīng)過(guò)直流-直流(DC- DC)轉(zhuǎn)換電路和電壓限幅器轉(zhuǎn)化為直流電壓VH(12 V)供E2PROM使用。

(1) RF-DC轉(zhuǎn)換電路

RF-DC轉(zhuǎn)換電路基于電荷泵電路設(shè)計(jì)，其原理如圖5所示，芯片設(shè)計(jì)時(shí)用柵源短接的增強(qiáng)型NMOS管代替圖5中的二極管。設(shè)RF-DC轉(zhuǎn)換電路所需二極管的最小個(gè)數(shù)為n1，則所需電容個(gè)數(shù)也為n1，由于每級(jí)電荷泵由2個(gè)電容和2個(gè)二極管構(gòu)成，n1必須為偶數(shù)。

(2) DC-DC轉(zhuǎn)換電路
DC-DC轉(zhuǎn)換電路也是采用電荷泵原理來(lái)設(shè)計(jì)。由于電子標(biāo)簽解調(diào)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(hào))，因此用時(shí)鐘信號(hào)代替射頻信號(hào)對(duì)電荷泵充電，并從RF-DC轉(zhuǎn)換電路已產(chǎn)生的直流電壓VL開(kāi)始充電可以顯著減少DC-DC轉(zhuǎn)換電路的電路級(jí)數(shù)。設(shè)此電路所需二極管最小個(gè)數(shù)為n2，則此電路所需二極管最小個(gè)數(shù)n2為[6]：

其中表示偶數(shù)上取整，即先執(zhí)行上取整，如果上取整后不是偶數(shù)則數(shù)值加1。

(3) 電壓限幅器

標(biāo)簽工作時(shí)，由于標(biāo)簽和閱讀器距離的變化以及傳播環(huán)境的不同，標(biāo)簽天線接收到的射頻信號(hào)的幅度變化可以高達(dá)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(duì)RF-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓進(jìn)行限幅。我們采用穩(wěn)壓二極管限幅原理對(duì)RF-DC、DC-DC轉(zhuǎn)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(dāng)二極管限幅器。調(diào)整MOS管的寬長(zhǎng)比以及摻雜濃度來(lái)調(diào)整限幅值為所需數(shù)值。

3 結(jié)束語(yǔ)
本文基于ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，給出了UHF無(wú)源電子標(biāo)簽芯片模擬電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果表明電路具有很高的整流效率，滿足了設(shè)計(jì)要求。下一步的研究將進(jìn)行標(biāo)簽芯片的版圖設(shè)計(jì)和流片，用實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。