射頻識(shí)別( RFID)技術(shù)在當(dāng)今無(wú)線通信領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛,。相對(duì)于LF( 120~ 135 kH z)波段和HF( 13. 56MH z) 波段,， UHF波段的RFID技術(shù)能夠在m 級(jí)距離上提供數(shù)百kb it/s的數(shù)據(jù)通信,， 因而備受關(guān)注,。目前成功商業(yè)應(yīng)用的UHF 射頻識(shí)別系統(tǒng)閱讀器往往采用分立元件構(gòu)造， 共同的缺點(diǎn)是體積大,、功耗大,。隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步， 如果能夠提供基于CMOS工藝的單片閱讀器將極大的降低成本,， 應(yīng)用前景也將更為廣闊; 而且單片集成的閱讀器方案也符合當(dāng)前多應(yīng)用便攜式終端的發(fā)展趨勢(shì),， 為未來(lái)多應(yīng)用整合提供可能。
本文設(shè)計(jì)的信道選擇濾波器用于UHF RFID閱讀器接收機(jī)模擬基帶部分,， 接收機(jī)采用I/Q 兩支路正交的零中頻結(jié)構(gòu)， 圖1是接收機(jī)模擬基帶結(jié)構(gòu)圖,。
根據(jù)EPC global C1G2協(xié)議要求,， UHF RF ID閱讀器接收的最高數(shù)據(jù)速率達(dá)到640 kb it/s， 最大信號(hào)帶寬不超過(guò)1. 28MH z; 對(duì)于40 kbit/s的最低速率,， 其信號(hào)帶寬小于250 kH z,， 于是,， 接收基帶信道選擇濾波器的帶寬為0. 3~ 1. 3MH z范圍內(nèi)可調(diào)。
圖1 信道選擇濾波器用于RFID模擬基帶
另外,， 根據(jù)transmissiON mask的要求,， 相鄰兩信道的功率差為40 dB。在本信道最小信號(hào)條件下,，仍要保證本信道與相鄰信道同時(shí)保持通信,， 這就要求信道選擇濾波器能夠克服臨道比本道高40 dB的干擾， 于是在設(shè)計(jì)的時(shí)候要求信道選擇濾波器在兩倍頻處有大于45 dB的抑制,。
根據(jù)UHF RFID接收機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),， 在多讀寫(xiě)器環(huán)境中， 接收機(jī)將面臨幅度較大的干擾信號(hào),， 這就要求濾波器有能力處理大幅度的輸入信號(hào),， 即對(duì)其線性度要求較高。為了得到更高的線性度與更好的噪聲特性,， 設(shè)計(jì)采用運(yùn)算放大器- RC 結(jié)構(gòu)濾波器模式,。通過(guò)仿真， 決定采用六階Chebyshev低通濾波器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)信道選擇濾波器的設(shè)計(jì),。
文章首先給出了六階Chebyshev低通濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程; 然后給出Chebyshev低通濾波器的版圖以及濾波器和運(yùn)放的仿真結(jié)果; 最后做出結(jié)論,。
1 六階Chebyshev低通濾波器設(shè)計(jì)
1. 1 二階Chebyshev低通濾波節(jié)
圖2給出了其二階低通濾波節(jié)(B iquad)結(jié)構(gòu)，其傳遞函數(shù)為:
盡管帶內(nèi)的平坦特性不如Butterworth近似,，但它具有更快的幅度衰減特點(diǎn),。
圖2 二階Chebyshev低通濾波節(jié)
從圖2可以看到， 濾波器中的運(yùn)算放大器接成了緩沖器形式,， 是典型的雙端輸入,、單端輸出的運(yùn)算放大器。由于緩沖器的兩個(gè)輸入端均懸空,， 當(dāng)輸入信號(hào)為差分形式時(shí),， 無(wú)法構(gòu)成全差分緩沖器[ 7 ]。通常的解決方法是用兩個(gè)單端輸出的運(yùn)算放大器去實(shí)現(xiàn)一個(gè)全差分結(jié)構(gòu)的緩沖器,， 即一個(gè)運(yùn)放作為正輸入端,， 另一個(gè)運(yùn)放作為負(fù)輸入端， 這就造成了器件數(shù)量的加倍,， 輸入端的匹配也很難達(dá)到,， 所形成的全差分緩沖器的性能并不理想。如何形成全差分的緩沖器,， 在運(yùn)放的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要著重考慮,。
1. 2 運(yùn)放的設(shè)計(jì)
運(yùn)算放大器是運(yùn)算放大器- RC 濾波器的核心部件。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,， 運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)增益在70 dB以上,， 增益帶寬積大于65 MH z,， 相位裕度取在65b~ 70b左右， SR值應(yīng)取大于12 V /L s,。上文中提出緩沖器輸入端懸空的問(wèn)題,， 采用全平衡差動(dòng)放大器FBDDA( Fu lly BalancedD ifferentia lDifferenceAmplifier)可以方便的解決。
圖3給出了FBDDA的示意圖及按照負(fù)反饋方式構(gòu)成的全差分緩沖器結(jié)構(gòu),。FBDDA的輸入輸出關(guān)系可以表示為:
Ao 為理想狀態(tài)下運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益,。當(dāng)采用負(fù)反饋時(shí)可以得到如下的關(guān)系:
以上關(guān)系僅當(dāng)Aoy ] 時(shí)才可以成立， 所以在設(shè)計(jì)運(yùn)放時(shí)開(kāi)環(huán)增益越大越好,。
圖3 FBDDA 與全差分緩沖器
圖4所示為FBDDA,。圖4( a)是一種兩級(jí)結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器， 是FBDDA的核心電路,， 圖4( b)與圖4( c)所示電路分別用來(lái)穩(wěn)定運(yùn)算放大器第一級(jí)輸出與第二級(jí)輸出的共模電平,。運(yùn)算放大器的第一級(jí)放大器由兩個(gè)差分對(duì)構(gòu)成， 使得電路具有四個(gè)輸入端,。為了獲得良好的噪聲系數(shù),， 電路的輸入管為PMOS管(M9、M10,、M11,、M12 )， 負(fù)載管為NMOS 管(M15,、M16 ),。運(yùn)算放大器的第二級(jí)為共源級(jí)結(jié)構(gòu)，輸入管采用NMOS管(M14,、M17 ),， 負(fù)載管采用PMOS管(M6、M18 ),。電路采用米勒補(bǔ)償電容(Cc )和調(diào)零電阻(Rc )以保證運(yùn)放的閉環(huán)穩(wěn)定性,。經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到全平衡差動(dòng)電路的小信號(hào)增益如下式所示:
圖4 全差分差動(dòng)放大器電路
其中g(shù)m 和ro 分別表示MOS管的跨導(dǎo)和輸出電阻。
為了提高運(yùn)放的增益,， 可以增大gm 和ro,。經(jīng)過(guò)計(jì)算放大器的等效輸入熱噪聲可表示為:
其中K為波耳茲曼常數(shù)( 1. 38 @10-23J/K)， T 為開(kāi)爾文溫度,。從上式可以看出,， 要減小整個(gè)運(yùn)放的噪聲，輸入管應(yīng)使用較大寬長(zhǎng)比的PMOS管,， 負(fù)載管應(yīng)使用較小寬長(zhǎng)比的NMOS管,。一般的共模反饋電路在設(shè)計(jì)時(shí)都是放在第二級(jí)的輸出端， 用來(lái)穩(wěn)定運(yùn)放的輸出電壓[ 8],。本文為了滿足在所有工藝角中運(yùn)算放大器的性能,， 在運(yùn)放的第一級(jí)也添加了共模反饋電路， 用來(lái)穩(wěn)定第一級(jí)的輸出電平,。本文設(shè)計(jì)的兩種不同結(jié)構(gòu)的共模反饋電路如圖4( b),、4( c)所示。
1. 3 六階Chebyshev低通濾波器設(shè)計(jì)
圖5給出了采用FBDDA構(gòu)造的二階Chebyshev低通濾波器結(jié)構(gòu),， 圖6給出了FBDDA構(gòu)造的六階級(jí)聯(lián)Chebyshev低通濾波器結(jié)構(gòu)(C2 和C3,、C6 和C7、C10和C11間接參考電平1. 6 V),。
圖5 全差分二階低通切比雪夫?yàn)V波器,。
圖6 全差分六階切比雪夫?yàn)V波器。
為了實(shí)現(xiàn)截止頻率的切換并防止由電阻電容誤差引起的頻偏,， 使用MOS開(kāi)關(guān)控制接入電路中電阻的大小,， 電容為固定的3pf。在電路中通過(guò)譯碼器利用數(shù)字信號(hào)控制開(kāi)關(guān)的通斷,， 實(shí)現(xiàn)了截止頻率在300 kH z~ 1. 3MH z中可調(diào),， 表1為經(jīng)過(guò)優(yōu)化后信道選擇濾波器的電阻取值方案。
表1 經(jīng)過(guò)優(yōu)化后電阻取值表
2 版圖設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果
本文的六階Chebyshev低通濾波器采用IBM 0.18 Lm工藝進(jìn)行設(shè)計(jì),， 仿真,。圖7是對(duì)濾波器的版圖， 面積1 600 Lm @400 Lm,。
圖7 六階Chebyshev低通濾波器版圖
圖8為截止頻率設(shè)為900 kH z時(shí)濾波器的交流,、噪聲及群時(shí)延特性。從圖8( a)中可以看到,， 濾波器的- 3 dB帶寬在900 kHz左右,， 帶內(nèi)增益穩(wěn)定在0 dB， 在1. 8MH z頻率處具有大于49 dB的幅度衰減,， 滿足信道選擇濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo); 從圖8 ( b)可以看出,， 濾波器在整個(gè)通帶內(nèi)的群時(shí)延在1 L s左右， 變化量不超過(guò)0. 5 L s; 在圖8( c)中,， 10 kH z頻率處的輸入噪聲電壓為44 nV /√ Hz,， 1MHz頻率處的輸入噪聲電壓為80 nV / √H z， 通帶內(nèi)等效噪聲系數(shù)為42 dB,， 滿足了UHF RFID閱讀器系統(tǒng)的要求,。
圖8 信道選擇濾波器的特性
圖9 是全平衡差動(dòng)放大器開(kāi)環(huán)情況的幅頻、相頻特性,。從仿真的結(jié)果可以看出運(yùn)放的增益為71 dB,， GBW為96MH z， 外接2 pF電容負(fù)載時(shí)的相位裕度為72. 7b， 可以滿足閉環(huán)穩(wěn)定工作的條件,， 不會(huì)出現(xiàn)振蕩的情況,。圖10 是全平衡差動(dòng)放大器的噪聲特性， 可以計(jì)算得到等效噪聲系數(shù)約為16 dB,。
圖9 FBDDA 開(kāi)環(huán)幅頻、相頻特性
圖10 FBDDA噪聲特性
表2總結(jié)了Chebyshev信道選擇低通濾波器在27 e ,、TT 條件下相關(guān)性能的仿真結(jié)果,。對(duì)其它工藝角及溫度的仿真結(jié)果也均達(dá)到系統(tǒng)的要求。
表2 信道選擇濾波器的相關(guān)性能仿真結(jié)果
3 結(jié)論
本文介紹了一種用在UHF RFID模擬基帶中的信道選擇濾波器,， 詳細(xì)描述了它的工作原理和電路結(jié)構(gòu),， 給出了具體的設(shè)計(jì)過(guò)程， 獲得了比較理想的噪聲特性和線性度,。