1.引言
RFID（射頻識別）技術(shù)是從上世紀80 年代走向成熟的一項自動識別技術(shù)，近年來發(fā)展十分迅速。其技術(shù)的覆蓋范圍廣泛，許多正在應(yīng)用中的自動識別技術(shù)都可以歸于RFID 技術(shù)之內(nèi)，但它們的工作原理、工作頻率、技術(shù)特點、適用領(lǐng)域以及遵循的標準卻是不同的。 RFID 系統(tǒng)的工作頻率，主要有125KHz、13.56MHz、400MHz、860～960MHz、 2.45GHz、 5.8GHz 等多個頻段。
但是，不同的國家和地區(qū)的對頻率的分配和最大發(fā)射功率的規(guī)定是不 同的。在某些地區(qū)，某些頻段的RFID 產(chǎn)品可能是被禁止使用的。其中13.56MHz的RFID國際標準有ISO14443和ISO15693兩種。
ISO14443又分為Type A 和 Type B兩中。其中Type A 以飛利浦的Mifare one 為代表, Type B有代表性的是目前我國正 在發(fā)行的*。ISO14443是近耦合通訊協(xié)議，通訊距離小于10cm. ISO15693是疏耦合通訊協(xié)議，通訊距離可以達到1.5m.
在ISO15693協(xié)議中，為了從閱讀器到疏耦合IC卡的數(shù)據(jù)傳輸，不僅使用了10%的ASK調(diào)制，而且還使用了100%的ASK.此外，有兩種不同的編碼方法：一是“256中取1”，另一種是“4中取1”。
這部分電路通過Cadence spectre 仿真環(huán)境進行了仿真，并通過SMIC CMOS 0.18um one play four metal工藝流片驗證。
此RFID技術(shù)采用獨創(chuàng)的一項新的RFID芯片技術(shù)，不同于常規(guī)RFID芯片，此RFID沒有采用傳統(tǒng)EEPROM存儲器，而是應(yīng)用了彭澤忠博士發(fā)明的存儲器技術(shù)-XPMTM（超級永久性存儲器）技術(shù)。XPMTM，即Super Permanent Memory（超級永久性存儲器）。我們起名為X- RFID,X-RFID 具有高安全、低價、可靠性高和容量大等特點，可廣泛應(yīng)用于圖書管理、證件防偽，景點會議門票，產(chǎn)品防偽，電子錢包，資產(chǎn)管理，單品管理，物流和供應(yīng)鏈管理等眾多領(lǐng)域。
本文的重點講述X-RFID芯片高頻模擬接口模塊的設(shè)計.下面第二節(jié)和第三節(jié)描述了RFID 芯片的整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第四節(jié)描述了13.56MHz RFID系統(tǒng)的電感耦合仿真模型和仿真結(jié)果。 第五節(jié)得出了結(jié)論。
2.應(yīng)答器芯片的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
13.56MHz 符合ISO15693協(xié)議標準的RFID的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示. 這個芯片是通過電感耦合的方式來獲得芯片工作需要的電源,所以稱為無源RFID芯片.主要結(jié)構(gòu)包括: 模擬前端 接口電路, 數(shù)字邏輯控制電路和Memory電路.此芯片只有2個PAD連接外部天線. 模擬前端接 口電路包括: 全波橋式整流電路、穩(wěn)壓電路、高壓保護電路、調(diào)制電路、解調(diào)電路、上電復 位電路、時鐘提取電路。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
當 RFID 標簽芯片進入到讀卡器的磁場范圍內(nèi)時，通過RFID 標簽芯片的天線和讀卡器 天線之間的耦合，13.56Mhz 的交流正弦波信號傳到全波橋式整流電路，然后轉(zhuǎn)變成直流電 壓，通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓到需要的電壓值給數(shù)字邏輯控制電路和Memory 電路作為電源使用。
由于讀卡機發(fā)出的磁場強度跟與讀卡機的遠近距離有關(guān)，在離讀卡機距離近的地方磁場強度 大，離讀卡機距離遠的地方磁場強度少，當RFID 標簽芯片離讀卡機距離很近時，由于磁場 強度很大，RFID 標簽芯片天線兩端耦合過來的電壓值很高，如果不進行高壓保護的話，會 對RFID 標簽芯片內(nèi)部電路造成損壞，所以高壓保護電路必不可少。讀卡機和RFID 標簽之間 的通訊是采用半雙工的模式,讀卡機發(fā)出的指令通過ASK 調(diào)制疊加到載波上發(fā)送給 RFID 標簽 芯片，RFID 標簽芯片通過自己內(nèi)部的解調(diào)電路把指令解調(diào)出來送到數(shù)字邏輯控制電路進行譯碼，然后處理相應(yīng)的指令。RFID 標簽芯片的數(shù)據(jù)的返回通過自己內(nèi)部的調(diào)制電路把數(shù)據(jù)疊加到讀卡器發(fā)出的載波上發(fā)送給讀卡機，讀卡機通過自己內(nèi)波的解調(diào)電路把數(shù)據(jù)解調(diào)出來。這樣讀卡器和 RFID 標簽完成互相通信。
2.1 全波橋式整流電路
全波橋式整流電路把天線耦合過來的13.56MHz正弦波信號裝換成直流信號，通過穩(wěn)壓電路后提供給數(shù)字邏輯控制電路和Memory電路的VDD和GND.電路圖如圖所示。
圖中n1和n2中兩個NMOS晶體管作為開關(guān)源極接GND,漏極接天線的兩端。而n3和n4中兩個 NMOS晶體管作為二極管使用，柵極和漏極連接在一起接天線的一端，源極接電源VDD，VDD 通過一個大電容接地，此大電容為儲能電容，即存儲天線耦合過來的電荷，提供給內(nèi)部電路 作電源VDD。
其中：Vm 是天線正弦波信號的峰峰值， Vth是NMOS晶體管的閾值電壓。
2.2 時鐘產(chǎn)生電路
時鐘產(chǎn)生電路如圖所示,兩個反相器電路組成了鎖存器電路.信號相位相反的 13.56MHz 的正弦信號通過天線端coil1 和coil2 加到 NMOS 管M7 和M8 上,當coil1 為高電 平信號時, coil2 就為低電平信號,這時NMOS 管M7 導通,M8 截止. 當 coil1 為低電平 時,coil2 就變?yōu)楦唠娖?這是NMOS 晶體管M7 截止,M8 導通. 通過這種交替控制,時鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生了 13.56MHz 的方波時鐘信號。
2.3 偏置產(chǎn)生電路
偏置產(chǎn)生電路如圖所示, PMOS 晶體管M1 和M2 還有電容CAP 組成了偏置電路的啟動電路。PMOS 晶體管M3 和M4 還有NMOS 晶體管M5 和M6 和電阻R 組成了與電源電壓無關(guān)的電流偏置。
由于M3 晶體管的寬長比是M4 的N 倍,而由于M5 和M6 的寬長比一樣,根據(jù)電流鏡的原理, 流過M5 管的電流I5 和流過M6 管的電流I6 相等.而
由于上式都是常數(shù),所以,我們可以得到一個與電源電壓VDD 有固定差值的偏置電壓Vbias。
2.4 高壓保護電路
高壓保護電路如圖所示, 高壓保護電路在RFID 標簽芯片中很重要,因為當讀卡器發(fā)出的磁 場強度很大時,而RFID 標簽芯片又離讀卡器天線距離很近時, RFID 標簽天線兩端coil1 和 coil2 感應(yīng)的電壓可以達到上百伏,如果不加高壓保護電路的,對芯片內(nèi)部的器件回造成損 壞。
當coil1 和coil2 感應(yīng)的電壓經(jīng)過整流電路后,輸出的電壓如果大于M3、M4、M5、M6 和R2 的壓降時，就對coil1 和coil2 電壓進行限壓。從而保護coil1 和coil2 的兩端電壓在正常范圍內(nèi)。
2.5 穩(wěn)壓電路
穩(wěn)壓電路如圖所示。在RFID 標簽芯片中，需要有一個較大的電容儲存足夠的電荷供標簽在輸入能量較弱的時候當作電源來使用。如果輸入電壓過高，電源電壓升高到一定程度，穩(wěn)壓電路中瀉流電路就要起作用，把電容上多余的電荷釋放掉，以達到穩(wěn)壓的目的。圖6 中的穩(wěn)壓電路采用5 個PNP 三極管，這種穩(wěn)壓電路做到了采用最少的器件達到穩(wěn)壓的效果。 由于PNP 的Vbe 電壓在0.7v 左右，所以5 個三極管的穩(wěn)壓在3.5v 左右。當電壓超過 3.5v 后，電流會功過PNP 的發(fā)射極到集電極的通路把電荷釋放掉。很好的起到限壓的效果。
2.6 調(diào)制電路
調(diào)制電路如圖所示。MOD_DATA 是數(shù)字邏輯輸出的調(diào)制數(shù)據(jù)信號.用來控制M5 管和M6 管的通斷.從而改變天線兩端的并聯(lián)諧振電路阻尼的強弱,實現(xiàn)幅度調(diào)制的功能.來完成從 RFID tag 到讀卡機的數(shù)據(jù)傳輸。
3. 電路仿真結(jié)果
從圖的仿真結(jié)果來看: 電路在10%和100% ASK 調(diào)制模式下,電路都能正確的解調(diào)出正 確的讀卡機發(fā)出來的指令. 并且產(chǎn)生20us 的 POR 信號. 在tag 返回數(shù)據(jù)的時候, 電路的 modulator 功能正確,可以在天線上產(chǎn)生大于10%的ASK 調(diào)制,從而使返回的數(shù)據(jù)可以被讀卡 器接收.圖是tag 返回數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)和天線的波形圖。
100%和10% ASK 調(diào)制仿真結(jié)果
調(diào)制的數(shù)據(jù)和天線的波形圖
4．結(jié)論
基于 SMIC 0.18um one poly four metal 標準CMOS 工藝設(shè)計的符合ISO15693 國際標準協(xié)議的RFID 射頻前端電路. 電路仿真的結(jié)果表明: 此射頻前端電路可以有效地從 13.56MHz 的RF 信號中恢復出直流電壓1.8v, 并提出數(shù)字部分需要的時鐘,和解調(diào)出指令數(shù)據(jù)。整個芯片的版圖照片如圖所示.芯片的面積為960um*600um.流片后測試發(fā)現(xiàn)在7.5A/m 場強下可以工作在12CM.滿足設(shè)計規(guī)格要求。
整個芯片的照片
本文作者創(chuàng)新點：在標準0.18um CMOS process 上實現(xiàn)了滿足ISO15693 國際標準的 RFID 射頻前端電路的設(shè)計，并流片驗證通過。而且成功的把XPM 存儲器技術(shù)(標準CMOS 的One time program memory)集成到RFID 芯片中, 實現(xiàn)了世界上第一次采用XPM 存儲器技 術(shù)成功的RFID 芯片。