齊增衛(wèi),莊奕琪,李小明,劉偉峰

(西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院 ,陜西 西安　710071)

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·數(shù)理科學(xué)·

一種應(yīng)用于超高頻射頻識(shí)別芯片的穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

齊增衛(wèi),莊奕琪,李小明,劉偉峰

(西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院 ,陜西 西安710071)

為了提高無(wú)源超高頻射頻識(shí)別(UHF RFID)標(biāo)簽的通信距離,在研究了其受限的主要因素后,提出一種適用于UHF RFID標(biāo)簽芯片的穩(wěn)壓器。采用了倍壓電路與低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)相結(jié)合的方式,極大地提高了標(biāo)簽的通信距離。在工作電源電壓為1.2V時(shí),該穩(wěn)壓器的靜態(tài)功耗為350nW。該設(shè)計(jì)在中芯國(guó)際2P4M CMOS 0.18μm EEPROM工藝下成功流片,穩(wěn)壓器的版圖面積僅為89μm×85.8μm。應(yīng)用傳統(tǒng)穩(wěn)壓器與文中提出穩(wěn)壓器的標(biāo)簽讀取距離分別為5.1m和6.8m。

超高頻射頻識(shí)別;低壓差線性穩(wěn)壓器;倍壓電路;最小工作電壓

近年來(lái),射頻識(shí)別技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于眾多領(lǐng)域,例如供應(yīng)鏈管理、門禁管理、資產(chǎn)管理以及物流鏈管理等等[1-3]。無(wú)源超高頻射頻識(shí)別技術(shù)因?yàn)槠錈o(wú)需電池供電、通信距離遠(yuǎn)、標(biāo)簽體積非常小以及標(biāo)簽成本非常低，而越來(lái)越受到重視,成為新的研究熱點(diǎn)。通信距離是無(wú)源超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽的一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù),包括了讀取距離和寫入距離。標(biāo)簽芯片的工作電源越低,整體功耗就越小,其通信距離就越遠(yuǎn)。因此,在標(biāo)簽芯片的設(shè)計(jì)中，我們會(huì)盡量地使最小工作電源電壓降低。

1　標(biāo)簽芯片的供電系統(tǒng)方案

芯片由3部分組成:射頻模擬前端、存儲(chǔ)器和數(shù)字基帶。射頻模擬前端主要有獲取射頻能量和解調(diào)輸入信號(hào)兩個(gè)作用。由于倍壓整流電路輸出的電壓非常不穩(wěn)定(它受到射頻信號(hào)的影響),并且由于射頻信號(hào)的包絡(luò)為脈沖間隔編碼(PIE)信號(hào),在輸入為低的時(shí)候,芯片沒(méi)有能量輸入,需要儲(chǔ)能電容提供電路的工作能量,此時(shí),電源電壓會(huì)隨著時(shí)間而降低,因此要采用穩(wěn)壓器為其他電路供電。存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)用戶希望存儲(chǔ)的信息。數(shù)字基帶根據(jù)《the electronic product code (EPC) Gen 2 communication protocol》協(xié)議對(duì)射頻模擬前端解調(diào)的信號(hào)進(jìn)行解析,并根據(jù)解析的內(nèi)容，控制射頻模擬前端做出相應(yīng)改變，來(lái)響應(yīng)閱讀器,從而完成與閱讀器的通信。

設(shè)計(jì)的標(biāo)簽芯片的整體供電方案如圖1所示，箭頭表示信號(hào)的流向。

圖1　標(biāo)簽芯片的整體供電方案Fig.1　The overall power supply scheme of tag chip

由于提出的穩(wěn)壓器是為存儲(chǔ)器和數(shù)字基帶電路供電,因此,有必要對(duì)存儲(chǔ)器的電源端口特性進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。表1列出了設(shè)計(jì)的標(biāo)簽芯片所采用的存儲(chǔ)器的電源要求。共需要3個(gè)電源,分別為VDD1，VDD2和VDD3。其中VDD1和VDD2為讀取操作時(shí)需要的電源,而VDD1和VDD3是寫入操作的時(shí)候需要的電源。

表1　存儲(chǔ)器電源電壓的要求

由于寫入操作時(shí)，標(biāo)簽離閱讀器很近(一般小于3m),芯片的輸入能量較高,倍壓整流輸出電壓完全滿足VDD3的要求。因此,輸出VDD3的穩(wěn)壓器采用傳統(tǒng)的LDO,這里不多加討論。本文主要討論如何改善標(biāo)簽的讀取距離。

2　標(biāo)簽讀取距離受限的主要因素

理論上,無(wú)源UHF RFID標(biāo)簽讀取距離的受限因素應(yīng)該是能量。當(dāng)標(biāo)簽接收到的能量滿足標(biāo)簽芯片工作需要的功耗時(shí),就應(yīng)該可以正常讀取。但是,在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中,會(huì)出現(xiàn)雖然標(biāo)簽接收到的能量完全能夠滿足標(biāo)簽工作需要的能量,但是標(biāo)簽還是無(wú)法工作的情況。下面就對(duì)標(biāo)簽讀取距離受限的因素進(jìn)行分析。

首先,對(duì)傳統(tǒng)LDO的最小工作電壓進(jìn)行分析。傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器的晶體管級(jí)電路如圖2所示。晶體管T1～T6組成了誤差放大器，晶體管T7為功率傳輸管。電容C1為補(bǔ)償電容,確保穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。同時(shí),它也作為儲(chǔ)能電容,因?yàn)樵谳斎胄盘?hào)為低時(shí)，標(biāo)簽沒(méi)有能量輸入,要靠該電容來(lái)維持后級(jí)電路的工作。晶體管T8～T11組成了反饋網(wǎng)絡(luò),其反饋系數(shù)為1/2。參考電壓VREF為0.7V。因此輸出電壓為

VDD2=2×VREF=1.4V。

(1)

由于負(fù)載電流非常小,因此晶體管T7的漏源電壓VDS非常小,設(shè)計(jì)值為50mV,因此穩(wěn)壓電路的最小工作電壓為1.45V。

圖2　傳統(tǒng)穩(wěn)壓器的晶體管級(jí)電路Fig.2　Transistor level circuit of traditional voltage regulator

下面對(duì)芯片可獲得的直流電源電壓進(jìn)行分析。標(biāo)簽天線上的電壓(峰值)可以表示為[4-5]

(2)

式中,PTag表示標(biāo)簽天線獲得的能量;RA表示標(biāo)簽天線的串聯(lián)電阻，近似為20Ω;Q表示標(biāo)簽天線的品質(zhì)因子，近似為10。

著名的Friis公式指出[6],標(biāo)簽天線獲得的能量可以表示為

(3)

式中,PReader表示閱讀器天線發(fā)射的射頻能量功率,一般商用閱讀器為1W;GReader表示閱讀器天線的增益,一般商用閱讀器為6dB;GTag表示標(biāo)簽天線的增益,一般為3dB;λ表示射頻信號(hào)的波長(zhǎng),計(jì)算時(shí)采用900MHz的射頻波[7];r表示標(biāo)簽和閱讀器之間的距離。

對(duì)于兩級(jí)的倍壓整流電路,其整流輸出電壓VDD-RECT可以表示為[8-9]

VDD-RECT=4×(VAnt-Vth)。

(4)

式中，Vth表示由于開關(guān)管閾值電壓而導(dǎo)致的電壓損失，該值為0.25V。

圖3　倍壓整流輸出電壓隨著標(biāo)簽和閱讀器之間距離的變化曲線Fig.3　The curve of doubler rectifier output voltage which changes with the distance between tag and reader

結(jié)合式(2)～(4),可以得到倍壓整流的輸出電壓隨著標(biāo)簽和閱讀器之間距離的關(guān)系,如圖3所示。由于泄流保護(hù)電路的作用,倍壓整流輸出電壓小于2.8V?？梢钥吹?在5.6m距離處,倍壓整流輸出電壓為1.444V,而在7m距離處,該電壓將為0.955 3V。而根據(jù)式(3)可以算出在5.6m和7m處,標(biāo)簽芯片接收到的功率分別為174μW和109μW,若倍壓整流的效率為40%,則芯片分別可以獲得69.6μW和41μW的功率。根據(jù)表1所述以及式(1),若采用傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)VDD2,在5.6m的距離上,雖然標(biāo)簽接收到的能量完全能滿足芯片工作的功耗要求(芯片功耗小于30μW)，但是標(biāo)簽已經(jīng)到了讀取距離的極限,在超過(guò)5.6m的距離后,會(huì)由于VDD2電壓過(guò)低而無(wú)法正常工作。而理論上,在7m處,標(biāo)簽接收到的能量功率是完全可以使芯片正常工作的。

綜上所述,由于VDD-RECT為倍壓整流電路輸出,為整個(gè)芯片提供直流能量,成為各穩(wěn)壓器的電源電壓,若穩(wěn)壓器對(duì)VDD-RECT的電壓要求降低,則會(huì)使芯片的通信距離得到提升。如表1所示,VDD1的最小電源要求僅為0.85V,并不成為限制標(biāo)簽讀取距離的因素。VREF為一個(gè)低壓基準(zhǔn)電路輸出的參考電壓,低壓基準(zhǔn)電路對(duì)電源的要求低于1V,也不成為限制標(biāo)簽讀取距離的因素。而VDD2穩(wěn)壓器的最小電源電壓成為了限制標(biāo)簽讀取距離的因素。因此,本文提出了一種新型的穩(wěn)壓器,該穩(wěn)壓器可以達(dá)到很小的最小工作電壓,使VDD2不再成為標(biāo)簽讀取距離的限制因素。

3　穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

對(duì)于VDD2,其仿真得到的負(fù)載情況如表2所示,可以看出,其負(fù)載很小。因此,本文提出了一種帶有倍壓功能的電壓穩(wěn)壓器,在很低的工作電源電壓條件下,依然可以提供足夠高的輸出電壓供后級(jí)電路工作。同時(shí),由于負(fù)載很小,倍壓電路功耗可以設(shè)計(jì)的很小,并且倍壓輸出的儲(chǔ)能電容也會(huì)比較小,版圖面積不會(huì)顯著增加。

表2　VDD2的負(fù)載情況

本文提出的穩(wěn)壓器電路如圖4所示。其中VDD-RECT為倍壓整流電路輸出,VDD1即為前文所述的VDD1,其工作最小電壓僅為0.85V,完全不影響本文提出的穩(wěn)壓器工作。T1為功率傳輸管，反相器B1～B6、晶體管T2～T7以及電容C1～C4組成了倍壓電路。反相器工作電壓為VDD1。T8為二極管連接的mos晶體管,起到小電阻的作用,可以進(jìn)一步減小輸出電壓上的高頻成份。晶體管T9～T14組成誤差放大器。晶體管T15～T18組成反饋網(wǎng)絡(luò),其反饋比為1/2,參考電壓VREF為0.7V。因此輸出電壓仍為式1所示。電容C5的作用與傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器中電容C1的作用相同。

圖4　本文穩(wěn)壓器的電路Fig.4　Voltage regulator circuit in this paper

由于電容兩端的電壓不能突變,因此,當(dāng)反相器B3和B6的輸出發(fā)生跳變之后,電容C1和C2另一端的電壓也跟著發(fā)生相應(yīng)幅度的電壓跳變。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積累,電容C1和C2上極板上的電壓會(huì)在半個(gè)周期內(nèi)達(dá)到兩倍的反相器工作電源電壓,在這半個(gè)周期內(nèi),相應(yīng)的開關(guān)管(電容C1對(duì)應(yīng)開關(guān)管T6,電容C2對(duì)應(yīng)開關(guān)管T7)就會(huì)打開,將電容上的電荷轉(zhuǎn)移到電容C4上,而在另外半個(gè)電壓比較低的周期內(nèi),相應(yīng)的開關(guān)管會(huì)關(guān)閉,阻止電容C4上的電荷反向流動(dòng)。而由于反饋的作用,電容C4上的電壓只能充到式(1)所示的電壓值。晶體管T4和T5起到補(bǔ)償開關(guān)管T6和T7的時(shí)鐘饋通與溝道電荷注入效應(yīng)的作用,進(jìn)一步提高輸出電壓的純凈度。

根據(jù)前文的敘述,理論上反相器的最低工作電壓,即穩(wěn)壓器的最小工作電壓為

VDD-RECT=(1.4+Vlost)/2。

(5)

式中,Vlost表示開關(guān)管T6和T8上的電壓損失。根據(jù)式(5)得到的結(jié)果約為0.8V。但是為了保證參考電壓VREF的穩(wěn)定,工作電源電壓VDD-RECT最小取為0.95V[4]。從圖2中可以看出,此時(shí)對(duì)應(yīng)的讀取距離為7m。

4　芯片測(cè)試

在中芯國(guó)際2P4M CMOS 0.18μm EEPROM工藝下對(duì)整體標(biāo)簽芯片進(jìn)行了流片驗(yàn)證。完整的標(biāo)簽芯片的版圖如圖5所示。圖中標(biāo)注出了幾個(gè)重要的模塊。

圖5　標(biāo)簽芯片的照片F(xiàn)ig.5　Picture of tag chip

該芯片同時(shí)包含了傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器和提出的穩(wěn)壓器,它們的輸出均引出到測(cè)試PAD上,同時(shí)存儲(chǔ)器的電源端口也均引出到測(cè)試PAD上,在測(cè)試過(guò)程中,分別將兩種穩(wěn)壓器的輸出與存儲(chǔ)器的VDD2端口連接。該芯片也同時(shí)包含了bumping PAD和bonding PAD,可以進(jìn)行兩種方式的測(cè)試。

對(duì)標(biāo)簽的測(cè)試分為兩步進(jìn)行,首先將標(biāo)簽芯片綁定在一塊八角形的PCB板上,分別將兩種穩(wěn)壓器的輸出與存儲(chǔ)器的VDD2端口連接。通過(guò)一個(gè)SMA轉(zhuǎn)接頭將芯片與天線連接,如圖6左下角所示。將天線置于閱讀器的電磁場(chǎng)中,通過(guò)示波器可以查看各個(gè)端口的波形。由于VDD2穩(wěn)壓器的輸出驅(qū)動(dòng)能力非常小,因此無(wú)法通過(guò)示波器觀察VDD2的波形,但是可以通過(guò)解調(diào)和調(diào)制信號(hào)的波形得出必要的結(jié)論。

圖6　標(biāo)簽的兩種測(cè)試環(huán)境Fig.6　Two kinds of test environment of tag

圖7(a)給出了采用傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器時(shí)的端口波形。可以看出,隨著標(biāo)簽與閱讀器之間距離的增加,當(dāng)倍壓整流輸出降為1.25V時(shí),通過(guò)解調(diào)信號(hào)可以看出,閱讀器在發(fā)送完query命令之后，再次發(fā)送queryRep命令,而調(diào)制信號(hào)并沒(méi)有返回,說(shuō)明標(biāo)簽并沒(méi)有對(duì)閱讀器做出響應(yīng),即讀取操作失敗。

圖7(b)給出了采用提出的穩(wěn)壓器時(shí)的端口波形。可以看出,隨著標(biāo)簽與閱讀器之間距離的增加,當(dāng)倍壓整流輸出降為1.25V時(shí),通過(guò)解調(diào)信號(hào)可以看出,閱讀器在發(fā)送完query命令之后發(fā)送了InitAuth命令,同時(shí)調(diào)制信號(hào)做出相應(yīng)的返回,并持續(xù)交互直到結(jié)束。說(shuō)明標(biāo)簽對(duì)閱讀器的命令進(jìn)行了相應(yīng)的響應(yīng),即讀取操作成功。

圖7　標(biāo)簽測(cè)試波形Fig.7　The test waveform of tag

第2種測(cè)試方式是將兩種穩(wěn)壓器輸出分別連接至存儲(chǔ)器的VDD2端口后,將標(biāo)簽芯片倒裝至一塊PET天線上,如圖6中第一排中間所示。這種工作方式與標(biāo)簽的應(yīng)用環(huán)境完全相同,具有較高的可信度。將標(biāo)簽放入閱讀器的電磁場(chǎng)中,通過(guò)閱讀器軟件的響應(yīng)情況確定標(biāo)簽的識(shí)讀距離。通過(guò)測(cè)試,采用傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器的標(biāo)簽讀取距離為5.1m,而采用提出的穩(wěn)壓器的標(biāo)簽讀取距離為6.8m?？梢钥闯?本文提出的穩(wěn)壓器對(duì)標(biāo)簽讀取距離的提高具有明顯的作用。表3對(duì)傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器和提出的穩(wěn)壓器的測(cè)試性能進(jìn)行了比較。而由于本設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性,與同類其他穩(wěn)壓器的比較并無(wú)意義。

表3　測(cè)試性能比較

5　結(jié)　語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種適用于超高頻射頻識(shí)別(UHF RFID)標(biāo)簽芯片的低壓差穩(wěn)壓器電路。提出的穩(wěn)壓器在功耗和版圖面積與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓器相當(dāng)?shù)那闆r下,工作電壓可以降低到0.95V。在工作電源電壓為1.2V時(shí),該穩(wěn)壓器的靜態(tài)功耗為350nW。本設(shè)計(jì)在中芯國(guó)際2P4M CMOS 0.18μm EEPROM 工藝下成功流片,穩(wěn)壓器的版圖面積為89μm×85.8μm。應(yīng)用傳統(tǒng)穩(wěn)壓器與提出穩(wěn)壓器的標(biāo)簽的讀取距離分別為5.1m和6.8m?？梢钥闯?提出的穩(wěn)壓器對(duì)標(biāo)簽識(shí)別距離的提高具有非常好的作用。

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(編輯李靜)

A design of voltage regulator for UHF RFID tag chip

QI Zeng-wei, ZHUANG Yi-qi, LI Xiao-ming, LIU Wei-feng

(School of Microelectronic, Xidian University, Xi′an 710071， China)

To extend the communication range of the UHF RFID tag chip, a regulator was proposed after the researching of the restriction of the range. The proposed regulator combined the multiply and LDO, which greatly extended the communication range. The minimum power voltage of the proposed regulator was only 0.95 V when the power consumption and layout area were comparative with the traditional resolution. The static power consumption of the proposed regulator was 350nW when the supply voltage was 1.2V. The proposed regulator was implemented in SMIC 2P4M CMOS 0.18μm EEPROM process.The layout area was 89μm×85.8μm. The reading range of the tag with the traditional and the proposed resolution was 5.1m and 6.8m respectively.

UHF RFID; LDO; multiplier; minimum supply voltage

2015-06-02

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(JB141107)

齊增衛(wèi)，男，陜西富平人，西安電子科技大學(xué)博士，從事混合集成電路設(shè)計(jì)、超低功耗集成電路設(shè)計(jì)研究。

TN43

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-03-008