关键词:
无源UHF RFID标签
模拟前端电路
数据读取电路
低功耗
摘要:
近年来,物流、零售等行业的快速发展对电子标签的识别距离和设计成本提出了更高要求,在各类电子标签中,无源UHFRFID标签凭借其成本低、识别距离远、多对象同时识别的优势成为这些大规模应用领域的最佳选择。无源UHF RFID作为被动式的非接触识别技术,其标签芯片的工作能量全部来自于读写器发射的射频载波,则标签芯片的功耗便成为制约其识别距离的主要因素。因此,对无源UHF RFID标签芯片展开低功耗研究具有十分重要的意义。
为了满足大规模应用场景对电子标签的要求,本文研究了用于无源UHF RFID标签芯片的低功耗模拟前端电路和基于反熔丝型OTP存储器的低功耗数据读取电路,在保证标签芯片稳定工作的同时降低了电路功耗,进而提升标签的识别距离和整体性能。
对于低功耗模拟前端电路,研究主要集中在以下几个方面。第一,利用亚阈值技术和有源电阻技术设计了一款低压低功耗基准源电路,该电路在1.2V的典型工作电压下,仅以232nW的静态功耗即可实现所需基准电压,且其低频处的PSR优于-69dB,在降低功耗的同时有效兼顾了精度和面积要求。第二,设计了一款低静态电流LDO电路,通过采用工作在亚阈值区的一级运放作为误差放大器,将静态功耗降低至420nW,并利用二极管连接型PMOS管代替大的反馈电阻,有效减小了电路面积,从而降低标签芯片成本。第三,提出了一种基于可控延迟单元和信号保持单元的高可靠性上电复位电路,其在缓慢上电、快速上电、小电源纹波和大幅度掉电等情况下,均能够正常输出有效复位脉冲,且静态电流仅为81nA,在保证低功耗的同时进一步提高了复位信号可靠性。第四,设计了一款低功耗弛豫振荡器,其利用NMOS管的阈值电压取代了传统弛豫振荡器中复杂的比较器单元,将电路功耗降低至664nW,并通过温度补偿电路和开关电容自校准电路克服了因温度或工艺变化造成的时钟信号偏差,使输出时钟频率精度可达到2.34%,兼顾了标签芯片低功耗与高稳定性的设计要求。从整体来看,模拟前端电路功耗仅为1.4μW,版图面积为60μm×150μm,具有功耗低、面积小和稳定性高的特点。
对于低功耗数据读取电路,本文采用基于预充电机制的电压型灵敏放大器作为其核心单元,利用严格的时序控制信号即可对反熔丝型存储单元进行有效读取,避免了额外参考电流的存在,显著降低了电路功耗。此外,在低功耗灵敏放大器研究的基础上,完善了数据读取通路中的其他模块设计,并利用不同电阻值来模拟存储单元编程前后的不同状态,对完整的低功耗数据读取电路进行了相应仿真验证。后仿真结果表明:在读取频率为160kHz的情况下,所设计的数据读取电路平均功耗仅为3.6μW,相较于以电流型灵敏放大器为核心的传统读出电路,功耗优化率可超过50%。
本文深入研究了应用于无源UHF RFID标签芯片的低功耗模拟前端电路以及低功耗数据读取电路,并基于UMC110nm工艺完成了相应的原理图设计、版图绘制以及仿真验证,为实现RFID标签的大规模应用奠定了坚实的基础。