超高频无源RFID标签相关电路的分析研究

看到，标准CMOS 工艺制造的肖特基二极管具有典型的二极管特性，并且开启电压只有0.2V 左右，非常适合应用于RFID 标 签。

电源稳压电路
在输入信号幅度较高时，电源稳压电路必须能保证输出的直流电源电压不超过芯片所能承受的最高电压;同时，在输入信号较小时，稳压电路所消耗的功率要尽量的小，以减小芯片的总功耗。

从稳压原理上看，稳压电路结构可以分为并联式稳压电路和串联式稳压电路两种。并联式稳压电路的基本原理如图6 所示。

在RFID 标签芯片中，需要有一个较大电容值的储能电容存储足够的电荷以供标签在接收调制信号时，仍可在输入能量较小的时刻(例如OOK调制 中无载波发出的时刻)，维持芯片的电源电压。如果输入能量过高，电源电压升高到一定程度，稳压电路中电压感应器将控制泄流源将储能电容上的多余电荷释放 掉，以此达到稳压的目的。图7 是其中一种并联型稳压电路。三个串联的二极管D1、D2、D3 与电阻R1 组成电压感应器，控制泄流管M1 的栅极电 压。当电源电压超过三个二极管开启电压之和后，M1 栅极电压升高，M1 导通，开始对储能电容C1 放电。

另外一类稳压电路的原理则是采用串联式的稳压方案。它的原理图如图8 所示。参考电压源是被设计成一个与电源电压无关的参考源。输出电源电压经 电阻分压后与参考电压相比较，通过运算放大器放大其差值来控制M1 管的栅极电位，使得输出电压与参考源基本保持相同的稳定状态。

这种串联型稳压电路可以输出较为准确的电源电压，但是由于M1 管串联在未稳压电源与稳压电源之间，在负载电流较大时，M1 管上的压降会造成较高的功耗损失。因此，这种电路结构一般应用于功耗较小的标签电路中。

调制与解调电路
a.解调电路
出于减小芯片面积和功耗的考虑，目前大部分无源RFID 标签均采用了ASK 调制。对于标签芯片的ASK 解调电路，常用的解调方式是包络检波的方式，如图9 所示。

包络检波部分与电源恢复部分的倍压电路基本相同，但是不必提供大的负载电流。在包络检波电路的末级并联一个泄电流源。当输入信号被调制 时，输入能量减小，泄流源将包络输出电压降低，从而使得后面的比较器电路判断出调制信号。由于输入射频信号的能量变化范围较大，泄流源的电流大小必须能够 动态的进行调整，以适应近场、远场不同场强的变化。例如，如果泄流电源的电流较小，在场强较弱时，可以满足比较器的需要，但是当标签处于场强很强的近场 时，泄放的电流将不足以使得检波后的信号产生较大的幅度变化，后级比较器无法正常工作。为解决这个问题，可以采用如图10 所示的泄流源结构。

在输入载波未受调制时，泄流管M1 的栅极电位与漏极电位相同，形成一个二极管接法的NMOS管，将包络输出钳位在M1 的阈值电压附 近，此时输入功率与在M1 上消耗的功率相平衡;当输入载波受调制后，芯片输入能量减小，而此时由于延时电路R1、C1 的作用，M1 的栅极电位仍然保 持在原有电平上，M1 上泄放的电流仍保持不变，这就使得包络输出信号幅度迅速减小;同样，在载波恢复后，R1 和C1 的延时使得包络输出可以迅速回复 到原有高电平。采用这种电路结构，并通过合理选择R1、C1 的大小以及M1的尺寸，即可满足在不同场强下解调的需要。包络输出后面所接的比较器电路也有 多种可以选择的方案，常用的有迟滞比较器、运算放大器等。也可以简化为用反相器来实现。

b.调制电路

无源 UHF RFID 标签一般采用反向散射的调制方法，即通过改变芯片输入阻抗来改变芯片与天线间的反射系数，从而达到调制的目的。一般设计天线阻抗与芯片 输入阻抗使其在未调制时接近功率匹配，而在调制时，使其反射系数增加。常用的反向散射方法是在天线的两个输入端间并联一个接有开关的电容，如图11 所 示，调制信号通过控制开关的开启，决定了电容是否接入芯片输入端，从而改变了芯片的输入阻抗。

启动信号产生电路
电源启动复位信号产生电路在RFID 标签中的作用是在电 源恢复完成后，为数字电路的启动工作提供复位信号。它的设计必须要考虑以下几点问题：如果电源电压上升时间过长，会使得复位信号的高电平幅度较低，达不到 数字电路复位的需要;启动信号产生电路对电源的波动比较敏感，有可能因此产生误动作;静态功耗必须尽可能的低。

通常，无源RFID 标签进入场区后，电源电压上升的时间并不确定，有可能很长。这就要求设计的启动信号产生电路产生启动信号的时刻与电源电压相关。图12 所示是一种常见的启动信号产生电路。

它的基本原理是利用电