RFID(射頻識別)被廣泛地應用在人們的日常生活中,，如門禁、市民卡,、機場,、物流等領域。RFID芯片的需求量與日俱增,，給低功耗,、小面積的芯片設計帶來了挑戰(zhàn)。低功耗,、小面積,、低成本的RFID芯片在激烈的市場競爭中更有優(yōu)勢。本文給出的RFID芯片設計,，從整個系統(tǒng)上對數(shù)字部分電路的功耗作了優(yōu)化,，并且對模擬電路部分作了一些改進，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)結構
圖1為RFID系統(tǒng)結構框圖,。整個RFID系統(tǒng)包括讀卡器、RFID芯片和耦合線圈,?？ㄅc讀卡器通信過程中的能量和數(shù)據(jù)通過線圈耦合，當二者無數(shù)據(jù)交互時,，讀卡器向空間中發(fā)送13．56 MHz的正弦載波信號?？拷x卡器時,，片外線圈會耦合空間中的磁場為RFID芯片提供能量，使模擬前端和其他部分上電,，準備交互,。RFID芯片接收到的數(shù)據(jù)是100％的幅度調制,，采用改進型的曼徹斯特編碼。RFID發(fā)送到讀卡器的數(shù)據(jù)也采用幅度調制,。
2 模擬前端結構
圖2為模擬前端的結構框圖,，L為片外電感，C為片內(nèi)電容,，LC諧振在13．56 MHz,。RFID讀卡器通過線圈發(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,，并通過模擬前端電路提取出電源和數(shù)據(jù),，提供給整個芯片，以使卡與讀卡器進行交互,。
當RFID靠近讀卡器時,，整流器產(chǎn)生的電源電壓被LC諧振電路提高，當電壓提高的一定值時,，限幅器工作,，使電源電壓被箝位并穩(wěn)定在設定的值上，給其他模擬模塊和數(shù)字部分供電,。上電復位電路(POR)工作,，給出復位信號，使數(shù)字部分復位,。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％幅度調制信號,，通過解調器解調提供給數(shù)字部分處理。RFID通過調制器向讀卡器發(fā)出載波為13．56 MHz數(shù)據(jù)率為847 kb／s的幅度調制信號,。
3 模擬前端電路設計
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。當卡與讀卡器無數(shù)據(jù)交互時,，讀卡器向空間中發(fā)射13．56MHz的正弦交變電磁場,。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)壓儲能電容。當卡由遠及近靠近讀卡器時,，LC發(fā)生諧振,，RF1和RF2上的電壓被諧振電路抬高，整流器開始工作,，將正弦交變電壓轉化為直流電壓VDD,。當空間中電磁場強度很弱時，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，VDD升高到芯片工作所需要的額定電壓,，芯片開始工作,。但是，若卡繼續(xù)靠近讀卡器,，VDD會繼續(xù)上升,，上升到超過MOS的擊穿電壓時芯片內(nèi)的器件會被燒壞而失效。所以,，需要引入限幅器,，使VDD穩(wěn)定在芯片工作的額定電壓，這里設定的是2V,。
限幅器的設計需要滿足兩點要求：第一,，可精確調節(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：
VDD≈V_dect=3VthpVREF (1)
此時，M61,、M62,、M63組成的支路導通，M51的尺寸遠大于M52的尺寸,，二者構成的反相器翻轉閾值為V_dect—Vthp,，當M61所在支路導通時，M51和M52構成的反相器翻轉,，X輸出高電壓,，使M7打開，RF1和RF2通過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VDD恰好達到式(1)時,，限幅器就開始泄流穩(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,，只需設定VREF=0．8 V即可,。此處設計的限幅器可以看作電壓可精確調節(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％的幅度調制信號,，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)解調的原理是：當RF1電壓為正弦波時(即有效數(shù)據(jù)1部分)，電壓信號由D0,、I0,、C1、C2構成的包絡檢波整形,。在A點得到直流電壓為VREF6并帶有一定紋波的電壓信號,，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RF1電壓由正弦變?yōu)?(有效數(shù)據(jù)0部分)時，由于A點信號反應速度高于放大器帶寬,，包絡檢波的A點電壓迅速降低,，使VA
由于工藝與溫度的偏差,，導致I0、C1,、C2的值發(fā)生變化,，A點的紋波大小會發(fā)生變化。在RF1為正弦波,，也就是數(shù)據(jù)為1的時候,，若A點的紋波大于2(VREF6～VREF3)，數(shù)據(jù)解調將發(fā)生錯誤,。比較器在有效數(shù)據(jù)為1時應輸出高電壓,，但是由于A點電壓紋波過大導致比較器輸出在數(shù)據(jù)為1輸出13．56 MHz的方波，解調失敗,?？梢酝ㄟ^提高VREF6的值，從而提高A點紋波的容忍度,，來解決這個問題,。但是若A點電壓過高，使A點反應速度低于放大器帶寬,，數(shù)據(jù)由1變?yōu)?時,，A點不能迅速作出反應，產(chǎn)生低電壓,，所以不能解調出數(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的幅度調制信號。此電路的原理是采用負載調制的方法達到協(xié)議要求的幅度調制的目的,。當不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時,，數(shù)據(jù)線為0，RF1,、RF2為13．56MHz的載波,。需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)線為847 kHz米勒編碼的方波,。當數(shù)據(jù)為0時,，RF1、RF2上的正弦電壓幅值較大。當數(shù)據(jù)為1時,，M1打開,，將RF1、RF2上的電壓拉低,，即RF1,、RF2上正弦信號的幅值變低,，數(shù)據(jù)的變化會導致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,，系統(tǒng)上作出了優(yōu)化，使模擬電路的設計變得簡單可靠,。當發(fā)送數(shù)據(jù)1時,，由線圈耦合過來的能量大部分由M1釋放，從而導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,，當向外發(fā)送數(shù)據(jù)時,，軟件使芯片內(nèi)部嵌入的8051處理器進入休眠模式，降低整個芯片的功耗,，從而使芯片安全渡過電源不足的階段,。
4 仿真與測試
圖6為仿真結果，卡與讀卡器的交互分為3個階段：
?、俣邿o數(shù)據(jù)交互,，此時卡開始上電或者處理接收到的數(shù)據(jù)，此時電源電壓穩(wěn)定,；
?、诮邮諗?shù)據(jù)，線圈發(fā)出的上是100％的幅度調制信號,，DATA_IN為解調后的數(shù)據(jù),；
③發(fā)送數(shù)據(jù),，卡產(chǎn)生的DATA_OUT是847 kHz的方波,，對線圈上的電壓進行負載調制，調制后線圈上的電壓信號是幅度調制信號,，這些信號會被讀卡器耦合并解調,。
在整個交互過程中電源電壓保持穩(wěn)定。測試結果與仿真結果基本一致。
結語
本文討論了RFID芯片模擬前端的實現(xiàn)方法,，在電源產(chǎn)生,、數(shù)據(jù)收發(fā)方面采用了新技術，并且從整個系統(tǒng)上作了優(yōu)化,，簡化了模擬前端的設計,，使整個系統(tǒng)更可靠。該芯片已通過小額支付與門禁系統(tǒng)的實驗室測試,，其對惡劣外界干擾的抵御能力需要進一步測試與改進,。