关键词:
无源UHF RFID标签芯片
射频前端
解调电路
高灵敏度
浅调制
摘要:
随着移动互联网及信息传感技术的不断发展,RFID电子标签在仓储物流管理、交通运输、生物医学等多个领域广泛使用,无源UHF RFID电子标签因其较远的识别距离和低成本的优势成为了目前RFID应用和研究的重要实施方向。对于无源UHF RFID标签芯片来说,射频前端作为整个芯片能量传输和数据传输的关键模块,其电路结构及性能将直接影响整个芯片的识别性能。
本文通过对无源UHF RFID标签芯片结构原理以及相关协议要求的分析,对射频前端数据传输链路的解调和调制电路进行了设计。重点针对射频浅调制信号,对射频前端数据传输前向链路中的解调电路灵敏度、动态范围、调制指数等性能参数进行了优化设计。此外还设计了一种适用于能量收集系统的低压低功耗亚阈值全MOS基准电路,以产生芯片其他模块所需的电压和电流。
针对浅调制信号的解调,为了实现较高的解调灵敏度,采用了有源偏罝对检波管进行阈值补偿,提高了解调电路的检波灵敏度,使芯片在远距离通信时仍能对信号进行解调,同时采用了限压泄流电路使得电路可以在近场时正常工作,提高了信号的动态范围。为了进一步提高解调电路对于浅调制信号的解调性能,采用均值检测电路对参考电平进行提取,同时采用了包络放大器对峰值小于160mV的信号进行放大,使均值检测电路能够更加准确的提取包络信号的均值,该方法在提高灵敏度的同时避免了因信号幅度过小而导致均值电平误差过大,进而导致解调误差过大甚至无法解调的问题。针对系统低压低功耗的需求,设计了一种亚阈值全MOS基准电路,输出基准电压采用不同阈值电压的MOS管来产生,具有较小的工艺偏差。在数据传输的反向链路中,设计了一种利用开关来实现的简单 ASK调制反射电路,在实现信号调号调制的同时不产生额外功耗。
基于UMC110nm工艺实现电路设计,射频/模拟前端电源电压为1V,通过Cadence Specture平台进行了电路原理图设计及前仿真、版图绘制及后仿真验证。最终浅调制解调电路在输入射频载波频率为920MHz,数据调制速率为40~160kHz时,实现了最小幅值为35mV,动态范围为0.035~1V,最小调制指数为30%的信号解调。当输入射频信号幅值为400mV、工作温度27℃时,解调电路在不同工艺角下最大功耗为2.9μW。该解调电路不仅能够适用于远距离通信,对于不同协议下不同调制深度的信号也具有较好的适用性。亚阈值基准电路输出基准电压及电流对电源电压波动均有较好的抑制能力,整个基准电路功耗仅为343nW。调制电路在射频信号的整个动态范围内都可以实现数据的准确调制,且对不同的协议具有通用性。