超高頻無源電子標(biāo)簽芯片的模擬電路設(shè)計

(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，相對帶寬是24％，滿足了設(shè)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，只有時間常數(shù)RC大于等于載波周期的100倍時，包絡(luò)檢波器的輸出信號才能夠正確地跟隨輸入端調(diào)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(dǎo)體(MOS)管實現(xiàn)包絡(luò)檢波器中的二極管、電容和電阻。

在ADS中仿真設(shè)計的包絡(luò)檢波器，結(jié)果表明：當(dāng)輸入的ASK調(diào)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，檢波器均能較好的解調(diào)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(xiàn)了較大的變形，因此為了保證后續(xù)電路的正常工作，必須對變形的波形進行整形處理。

(3) 施密特觸發(fā)器的設(shè)計

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

(4) 本地時鐘電路的設(shè)計
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鐘。經(jīng)過計算得知：芯片中只要有一個1.28 MHz的時鐘，經(jīng)過一系列的分頻就可以得到所需的全部時鐘。由于時鐘速率很低(1.28 MHz)，使用常用的LC振蕩器實現(xiàn)時鐘電路，將要用到非常大的電感和電容，而在面積很小的芯片中實現(xiàn)大數(shù)值的電感和電容是不現(xiàn)實的，因而不能采用LC振蕩器。

本次設(shè)計中我們采用環(huán)形振蕩器來產(chǎn)生本地時鐘[3-4]。此環(huán)形振蕩器由奇數(shù)個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。此外為了增加每級反相器的延遲時間，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(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]。我們設(shè)計中采用5級反相器構(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管的長度和寬度，最后在ADS中仿真時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經(jīng)過射頻-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和本地時鐘信號經(jīng)過直流-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，其原理如圖5所示，芯片設(shè)計時用柵源短接的增強型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數(shù)為n1，則所需電容個數(shù)也為n1，由于每級電荷泵由2個電容和2個二極管構(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設(shè)計。由于電子標(biāo)簽解調(diào)電路已有本地時鐘電路(通常采用CMOS環(huán)形振蕩器產(chǎn)生幅度為VL /2的時鐘信號)，因此用時鐘信號代替射頻信號對電荷泵充電，并從RF-DC轉(zhuǎn)換電路已產(chǎn)生的直流電壓VL開始充電可以顯著減少DC-DC轉(zhuǎn)換電路的電路級數(shù)。設(shè)此電路所需二極管最小個數(shù)為n2，則此電路所需二極管最小個數(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，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。因此必須對RF-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓進行限幅。我們采用穩(wěn)壓二極管限幅原理對RF-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓進行上限幅，即把多個飽和MOS管串聯(lián)起來充當(dāng)二極管限幅器。調(diào)整MOS管的寬長比以及摻雜濃度來調(diào)整限幅值為所需數(shù)值。

3 結(jié)束語
本文基于ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，給出了UHF無源電子標(biāo)簽芯片模擬電路的設(shè)計，設(shè)計結(jié)果表明電路具有很高的整流效率，滿足了設(shè)計要求。下一步的研究將進行標(biāo)簽芯片的版圖設(shè)計和流片，用實際測試結(jié)果來進一步驗證設(shè)計的有效性。