RFID(射頻識(shí)別)被廣泛地應(yīng)用在人們的日常生活中,，如門(mén)禁、市民卡,、機(jī)場(chǎng),、物流等領(lǐng)域。RFID芯片的需求量與日俱增,，給低功耗,、小面積的芯片設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。低功耗,、小面積,、低成本的RFID芯片在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中更有優(yōu)勢(shì)。本文給出的RFID芯片設(shè)計(jì),，從整個(gè)系統(tǒng)上對(duì)數(shù)字部分電路的功耗作了優(yōu)化,，并且對(duì)模擬電路部分作了一些改進(jìn)，減小了芯片功耗和面積,，從而降低了成本,。該RFID芯片于2010年6月在SMIC 0．18 μm工藝下流片，工作情況良好,。

　　1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖1為RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,。整個(gè)RFID系統(tǒng)包括讀卡器、RFID芯片和耦合線(xiàn)圈,?？ㄅc讀卡器通信過(guò)程中的能量和數(shù)據(jù)通過(guò)線(xiàn)圈耦合,，當(dāng)二者無(wú)數(shù)據(jù)交互時(shí)，讀卡器向空間中發(fā)送13．56 MHz的正弦載波信號(hào),?？拷x卡器時(shí)，片外線(xiàn)圈會(huì)耦合空間中的磁場(chǎng)為RFID芯片提供能量,，使模擬前端和其他部分上電,，準(zhǔn)備交互。RFID芯片接收到的數(shù)據(jù)是100％的幅度調(diào)制,，采用改進(jìn)型的曼徹斯特編碼,。RFID發(fā)送到讀卡器的數(shù)據(jù)也采用幅度調(diào)制。

　　2 模擬前端結(jié)構(gòu)

　　圖2為模擬前端的結(jié)構(gòu)框圖,，L為片外電感,，C為片內(nèi)電容，LC諧振在13．56 MHz,。RFID讀卡器通過(guò)線(xiàn)圈發(fā)送能量和數(shù)據(jù),，LC諧振回路接收讀卡器發(fā)出的信號(hào)，并通過(guò)模擬前端電路提取出電源和數(shù)據(jù),，提供給整個(gè)芯片,，以使卡與讀卡器進(jìn)行交互。

　　當(dāng)RFID靠近讀卡器時(shí),，整流器產(chǎn)生的電源電壓被LC諧振電路提高,，當(dāng)電壓提高的一定值時(shí)，限幅器工作,，使電源電壓被箝位并穩(wěn)定在設(shè)定的值上,，給其他模擬模塊和數(shù)字部分供電,。上電復(fù)位電路(POR)工作,，給出復(fù)位信號(hào)，使數(shù)字部分復(fù)位,。讀卡器發(fā)出的數(shù)據(jù)是載波為13．56

　　MHz數(shù)據(jù)率為106 kb／s的100％幅度調(diào)制信號(hào),，通過(guò)解調(diào)器解調(diào)提供給數(shù)字部分處理。RFID通過(guò)調(diào)制器向讀卡器發(fā)出載波為13．56 MHz數(shù)據(jù)率為847 kb／s的幅度調(diào)制信號(hào),。

　　3 模擬前端電路設(shè)計(jì)

　　3．1 電源產(chǎn)生

　　圖3為電源產(chǎn)生電路,，由整流器和限幅器組成。當(dāng)卡與讀卡器無(wú)數(shù)據(jù)交互時(shí),，讀卡器向空間中發(fā)射13．56MHz的正弦交變電磁場(chǎng),。圖3中L為片外電感，C為片內(nèi)電容,，LC匹配的諧振頻率為13．56 MHz,，C1為穩(wěn)壓儲(chǔ)能電容。當(dāng)卡由遠(yuǎn)及近靠近讀卡器時(shí)，LC發(fā)生諧振,，RF1和RF2上的電壓被諧振電路抬高,，整流器開(kāi)始工作，將正弦交變電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓VDD,。當(dāng)空間中電磁場(chǎng)強(qiáng)度很弱時(shí),，VDD電壓值較低，不能給芯片供電,。隨著卡靠近讀卡器,，LC耦合得到的能量變強(qiáng)，VDD升高到芯片工作所需要的額定電壓,，芯片開(kāi)始工作,。但是，若卡繼續(xù)靠近讀卡器,，VDD會(huì)繼續(xù)上升,，上升到超過(guò)MOS的擊穿電壓時(shí)芯片內(nèi)的器件會(huì)被燒壞而失效。所以,，需要引入限幅器,，使VDD穩(wěn)定在芯片工作的額定電壓，這里設(shè)定的是2V,。

　　限幅器的設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足兩點(diǎn)要求：第一,，可精確調(diào)節(jié)；第二,，高增益,。正常情況下讀卡器提供的能量大于其正常工作需要的能量，多余的能量需要限幅器泄放掉,。隨著卡靠近讀卡器,，RF1和RF2的電壓升高，VDD和Vdect跟隨RF1,、RF2上升,，當(dāng)：

　　VDD≈V_dect=3VthpVREF (1)

　　此時(shí)，M61,、M62,、M63組成的支路導(dǎo)通，M51的尺寸遠(yuǎn)大于M52的尺寸,，二者構(gòu)成的反相器翻轉(zhuǎn)閾值為V_dect—Vthp,，當(dāng)M61所在支路導(dǎo)通時(shí)，M51和M52構(gòu)成的反相器翻轉(zhuǎn),，X輸出高電壓,，使M7打開(kāi),，RF1和RF2通過(guò)M31、M32泄流,，從而電壓VDD被箝位穩(wěn)定在式(1)所示的值上,。反相器高增益使限幅器的靈敏度提高，當(dāng)VDD恰好達(dá)到式(1)時(shí),，限幅器就開(kāi)始泄流穩(wěn)壓,，使VDD不隨讀卡器能量的變化而變化，以及不隨負(fù)載的變化而變化,。高增益的限幅器可以看作理想的穩(wěn)壓二極管,。由式(1)可知，只需調(diào)節(jié)VREF即可得到精確的想要的VDD,，例如Vthp=0．4 V,，需要VDD=2 V，只需設(shè)定VREF=0．8 V即可,。此處設(shè)計(jì)的限幅器可以看作電壓可精確調(diào)節(jié)的理想穩(wěn)壓二極管,。

　　3．2 數(shù)據(jù)接收

　　圖4為數(shù)據(jù)接收電路，即解調(diào)電路,。讀卡器向卡發(fā)送的數(shù)據(jù)是載波為13．56 MHz,、數(shù)據(jù)率為106 kb／s的100％的幅度調(diào)制信號(hào)，波形可以看作106 kHz的方波與13．56 MHz的正弦波的乘積,。數(shù)據(jù)解調(diào)的原理是：當(dāng)RF1電壓為正弦波時(shí)(即有效數(shù)據(jù)1部分),，電壓信號(hào)由D0、I0,、C1,、C2構(gòu)成的包絡(luò)檢波整形。在A點(diǎn)得到直流電壓為VREF6并帶有一定紋波的電壓信號(hào),，紋波的大小由C1,、C2、I0的大小決定,。選取REF6=0．6 V,，VREF3=0．3 V,，比較器輸出高電壓,。當(dāng)RF1電壓由正弦變?yōu)?(有效數(shù)據(jù)0部分)時(shí)，由于A點(diǎn)信號(hào)反應(yīng)速度高于放大器帶寬,，包絡(luò)檢波的A點(diǎn)電壓迅速降低,，使VA

　　由于工藝與溫度的偏差,，導(dǎo)致I0、C1,、C2的值發(fā)生變化,，A點(diǎn)的紋波大小會(huì)發(fā)生變化。在RF1為正弦波,，也就是數(shù)據(jù)為1的時(shí)候,，若A點(diǎn)的紋波大于2(VREF6～VREF3)，數(shù)據(jù)解調(diào)將發(fā)生錯(cuò)誤,。比較器在有效數(shù)據(jù)為1時(shí)應(yīng)輸出高電壓,，但是由于A點(diǎn)電壓紋波過(guò)大導(dǎo)致比較器輸出在數(shù)據(jù)為1輸出13．56 MHz的方波，解調(diào)失敗,?？梢酝ㄟ^(guò)提高VREF6的值，從而提高A點(diǎn)紋波的容忍度,，來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,。但是若A點(diǎn)電壓過(guò)高，使A點(diǎn)反應(yīng)速度低于放大器帶寬,，數(shù)據(jù)由1變?yōu)?時(shí),，A點(diǎn)不能迅速作出反應(yīng)，產(chǎn)生低電壓,，所以不能解調(diào)出數(shù)據(jù)0,。所以VREF6的值的選取需要適中，最好可以由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)配置,。

　　3．3 數(shù)據(jù)發(fā)送

　　圖5為數(shù)據(jù)發(fā)送電路,，即調(diào)制電路?？òl(fā)送到讀卡器的是載波為13．56MHz,，數(shù)據(jù)率為847kb／s的幅度調(diào)制信號(hào)。此電路的原理是采用負(fù)載調(diào)制的方法達(dá)到協(xié)議要求的幅度調(diào)制的目的,。當(dāng)不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，數(shù)據(jù)線(xiàn)為0,，RF1、RF2為13．56MHz的載波,。需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，數(shù)據(jù)線(xiàn)為847 kHz米勒編碼的方波。當(dāng)數(shù)據(jù)為0時(shí),，RF1,、RF2上的正弦電壓幅值較大。當(dāng)數(shù)據(jù)為1時(shí),，M1打開(kāi),，將RF1、RF2上的電壓拉低,，即RF1,、RF2上正弦信號(hào)的幅值變低，數(shù)據(jù)的變化會(huì)導(dǎo)致RF1,、RF2上載波幅值變化,，從而完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

　　卡向讀卡器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，系統(tǒng)上作出了優(yōu)化,，使模擬電路的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單可靠。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)1時(shí),，由線(xiàn)圈耦合過(guò)來(lái)的能量大部分由M1釋放,，從而導(dǎo)致用于芯片正常工作的能量變少，使芯片不能正常工作,，交互失敗,。所以，當(dāng)向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，軟件使芯片內(nèi)部嵌入的8051處理器進(jìn)入休眠模式,，降低整個(gè)芯片的功耗，從而使芯片安全渡過(guò)電源不足的階段,。

　　4 仿真與測(cè)試

　　圖6為仿真結(jié)果,，卡與讀卡器的交互分為3個(gè)階段：

　　①二者無(wú)數(shù)據(jù)交互,，此時(shí)卡開(kāi)始上電或者處理接收到的數(shù)據(jù),，此時(shí)電源電壓穩(wěn)定；

　?、诮邮諗?shù)據(jù),，線(xiàn)圈發(fā)出的上是100％的幅度調(diào)制信號(hào)，DATA_IN為解調(diào)后的數(shù)據(jù),；

　?、郯l(fā)送數(shù)據(jù)，卡產(chǎn)生的DATA_OUT是847 kHz的方波,，對(duì)線(xiàn)圈上的電壓進(jìn)行負(fù)載調(diào)制,，調(diào)制后線(xiàn)圈上的電壓信號(hào)是幅度調(diào)制信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)被讀卡器耦合并解調(diào),。

　　在整個(gè)交互過(guò)程中電源電壓保持穩(wěn)定,。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文討論了RFID芯片模擬前端的實(shí)現(xiàn)方法,，在電源產(chǎn)生,、數(shù)據(jù)收發(fā)方面采用了新技術(shù)，并且從整個(gè)系統(tǒng)上作了優(yōu)化,，簡(jiǎn)化了模擬前端的設(shè)計(jì),，使整個(gè)系統(tǒng)更可靠。該芯片已通過(guò)小額支付與門(mén)禁系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,，其對(duì)惡劣外界干擾的抵御能力需要進(jìn)一步測(cè)試與改進(jìn),。