射頻識別(RFID)市場出現(xiàn)強(qiáng)勁增長，2004年其銷售額高達(dá)17億美元，2008年預(yù)計將達(dá)到59億美元。這種激增的需求受到來自下一代RFID系統(tǒng)的帶動，下一代系統(tǒng)將會提供非視距的可讀性、改進(jìn)的安全性，并可以重新配置產(chǎn)品信息。這些應(yīng)用包括了庫存跟蹤、處方用藥跟蹤和認(rèn)證、汽車安全鑰匙，以及安全設(shè)施的門禁控制等。在很多以前的出版物中可以找到有關(guān)RFID應(yīng)用與發(fā)展良機(jī)的細(xì)節(jié)。這些功能將可能通過EPC-Global Class 1 Gen 2(即歐洲和國際上的ISO-18006標(biāo)準(zhǔn))協(xié)議所定義的超高頻(UHF)系統(tǒng)來實現(xiàn)。這些功能還將利用最新的CMOS工藝節(jié)點通過標(biāo)簽/閱讀器的技術(shù)創(chuàng)新來實現(xiàn)，例如射頻/模擬以及混合信號集成電路(IC)設(shè)計。許多新的IC要求取決于EPCGlobal Class 1 Gen 2協(xié)議，以及無源-反向散射UHF RFID標(biāo)簽電路中的幾個關(guān)鍵射頻模塊的設(shè)計與仿真。可以采用仿真工具來研究在幾個最差系統(tǒng)級工作條件下的關(guān)鍵IC的性能度量。

工作在125或134kHz低頻(LF)或者13.56MHz高頻(HF)范圍內(nèi)的電感回路無源RFID系統(tǒng)，其工作距離僅限于大約1m的范圍。UHF RFID系統(tǒng)工作在860~960MHz以及2.4GHz的工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段。其具有更長的工作距離，對無源標(biāo)簽而言典型工作范圍為 3~10m。標(biāo)簽從閱讀器的射頻信號接收信息和工作能量。如果標(biāo)簽在閱讀器的范圍內(nèi)，就會在標(biāo)簽的天線上感應(yīng)出交變的射頻電壓。該電壓經(jīng)過整流后為標(biāo)簽提供直流(DC)電源電壓。通過調(diào)制天線端口的阻抗來實現(xiàn)標(biāo)簽對閱讀器的響應(yīng)。這樣一來，標(biāo)簽將信號反向散射給閱讀器。

閱讀器通過位速率范圍在26.7至128kbps之間的雙邊帶幅移鍵控(DSB-ASK)、單邊帶幅移鍵控(SSB-ASK)或者反相幅移鍵控(PR-ASK) 調(diào)制來實現(xiàn)對射頻載波的調(diào)制，將信息發(fā)送給一個或多個標(biāo)簽。采用脈沖間隔編碼(PIE)格式來實現(xiàn)調(diào)制。此時，數(shù)據(jù)通過對載波在不同的時間間隔進(jìn)行脈沖編碼來表示0或1b，并將其發(fā)送給標(biāo)簽。通過頻帶分配和數(shù)據(jù)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，EPC-Global最先通過統(tǒng)一世界范圍內(nèi)的不同系統(tǒng)來降低整體成本。這一行動將采用相對廉價的CMOS技術(shù)來抵消設(shè)計新的復(fù)雜IC所產(chǎn)生的高昂費用。

采用更新的工藝節(jié)點預(yù)計將減少芯片面積的20%。由于涉及到數(shù)量，降低系統(tǒng)成本的努力主要集中在無源標(biāo)簽的單位成本。其目標(biāo)是將成本降低一個數(shù)量級，減少到每個標(biāo)簽僅幾美分。

無源標(biāo)簽的調(diào)制不同于一般的射頻通信方案，這是因為閱讀器的信號還為標(biāo)簽供電。在無源反向散射系統(tǒng)中，距離是通過標(biāo)簽可以獲得的輻射功率由前向鏈路(閱讀器到標(biāo)簽)來決定的。新式的Gen-2標(biāo)簽的設(shè)計目標(biāo)是將閱讀距離最大化，并同時實現(xiàn)與該協(xié)議的兼容。距離方程(公式1)決定了理論距離，此時標(biāo)簽將接收到足夠的電源來對閱讀器做出響應(yīng)。

其中，EIRP=有效各向同性輻射功率、Ptag=標(biāo)簽天線輸出所要求的功率、Gtag=標(biāo)簽天線增益、λ=射頻載波的自由空間波長。

關(guān)閉閱讀器電源減少了標(biāo)簽所獲得的電源。由于該調(diào)制方案中信號在大部分時間處于其最大值，因此具有極大優(yōu)勢。然而這種調(diào)制效率極低。這導(dǎo)致相對寬的信道或低的數(shù)據(jù)速率。

每個EPC Class 1 Gen 2指標(biāo)，閱讀器傳輸?shù)墓β矢哌_(dá)4W EIRP。在950MHz的載波頻率下，信道損耗在3m距離處是36.9dB。那么，標(biāo)簽天線的功率是-0.88dBm。

在這一少量的可用功率和低直流功率轉(zhuǎn)換效率(整流器效率平均約為20%)下，CMOS標(biāo)簽電路一般工作在僅幾微安電流的一伏特電壓下。由于無源RFID標(biāo)簽必須具有低成本并節(jié)省功耗，將標(biāo)簽設(shè)計為采用相對簡單的幅度調(diào)制(AM)技術(shù)來實現(xiàn)從閱讀器接收信號。UHF RFID標(biāo)簽?zāi)M前端包括了幾個內(nèi)部模擬子模塊。該模擬前端實現(xiàn)了DC電源、接收信號檢測/解調(diào)制和發(fā)送調(diào)制等全部的模擬處理。圖1中的模塊圖表示了典型 UHF RFID標(biāo)簽的模擬前端以及數(shù)字狀態(tài)機(jī)。

整流器通過天線將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)換為DC電源，為所有的其他模塊供電。接下來是作為電壓調(diào)節(jié)器的穩(wěn)壓器，其限制并調(diào)整了由整流器產(chǎn)生的電壓。復(fù)位子模塊提供了復(fù)位信號，來表明經(jīng)過整流的電壓已經(jīng)達(dá)到了可靠的和規(guī)定的水平。就其本身而言，包絡(luò)檢測器檢測并解調(diào)制閱讀器的數(shù)據(jù)信號，還產(chǎn)生數(shù)字解調(diào)信號。環(huán)路振蕩器產(chǎn)生用于數(shù)字狀態(tài)機(jī)的時鐘。調(diào)制器通過改變天線端口的負(fù)載阻抗將調(diào)制信號調(diào)制到標(biāo)簽天線。所有模擬前端電路通過Ansoft的Nexxim電路仿真器采用Cadence Virtuoso設(shè)計環(huán)境以及TSMC 0.18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝庫進(jìn)行仿真。

為了將足夠低的輸入電壓轉(zhuǎn)換達(dá)到可能滿足CMOS電路工作的電壓，圖2中的整流器模塊采用具有倍增級聯(lián)單元的級聯(lián)Dickson電壓倍增電路。該設(shè)計基于采用二極管連接、最小柵長PMOS晶體管的四級電荷泵作為整流器。這些PMOS晶體管的襯底端被連接到柵和漏端(反向偏置)，以此來減少有效的閾值電壓。通過采用 Nexxim的諧波平衡仿真進(jìn)行優(yōu)化，來獲得該晶體管的尺寸和金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的值。整流器的輸出直接提供給電壓調(diào)節(jié)器。

通過在穩(wěn)壓器電路之后采用電壓限幅器來實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。該限幅器電路確保了電壓調(diào)節(jié)器的輸入電壓水平低于3.3V晶體管的擊穿電壓。該電壓調(diào)節(jié)器包括了啟動和自偏置電路、帶隙參考電路以及電壓調(diào)節(jié)器。該穩(wěn)壓器的輸出電壓水平被設(shè)為1.25V，這將是數(shù)字電路以及其他模擬電路的電源電壓。仿真表明穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流消耗小于200nA。當(dāng)電荷泵電路產(chǎn)生的電源電壓足夠高時，復(fù)位信號變?yōu)椤暗汀睜顟B(tài)來初始化數(shù)字電路的狀態(tài)機(jī)。為了避免錯誤觸發(fā)，復(fù)位電路提供了必要的遲滯特性。

解調(diào)器和環(huán)路振蕩器

解調(diào)器是由快速電荷泵、峰值檢測器和比較器組成。快速電荷泵檢測經(jīng)過ASK調(diào)制的射頻信號的包絡(luò)。此后，包絡(luò)由峰值檢測器作進(jìn)一步的處理后來獲得其緩慢變化的均值，該峰值檢測器是由二極管連接的 MOSFET和電容形成的。然后，包絡(luò)信號及其緩慢變化的部分相比較來產(chǎn)生數(shù)字格式的解調(diào)信號。該比較器如圖3中所示，其被設(shè)計為軌到軌共模輸入范圍滿足寬的標(biāo)簽工作范圍。其遲滯輸入—輸出特性還使得其可以工作在噪聲環(huán)境下。環(huán)路振蕩器是按照Sundaresan等人報導(dǎo)的方式進(jìn)行設(shè)計的。作為標(biāo)簽IC的時鐘產(chǎn)生器，該設(shè)計提供了4MHz的額定振蕩頻率。其對工藝和溫度的變化都不敏感。