超高频无源RFID标签相关电路的分析研究

阻R0 和NMOS 管M1组成的支路产生一个相对固定的电压Va，当电源电压vdd 超过NMOS 管的阈值电 压后，Va 电压基本保持不变。随着vdd 的继续升高，当电源电压达到Va+|Vtp|时，PMOS 管M0 导通使得Vb升高，而此前由于M0 截 止，Vb 一直处于低电平。这种电路的主要问题是存在着静态功耗。并且由于CMOS 工艺下MOS 管的阈值电压随工艺的变化比较大，容易受工艺偏差的影 响。因此，利用pn 结二极管作启动电压的产生会大大减小工艺的不确定性，如图13 所示。

当VDD 上升到两个pn 结二极管的开启电压之前，PMOS 管M0 栅极与电源电压相等，PMOS 管关断，此时电容C1 上的电压为低电 平。当VDD 上升到超过两个二极管阈值电压后，M0 开始导通，而M1 栅极电压保持不变，流过M1 的电流保持不变，电容C1 上电压逐渐升高，当其 升高到反相器发生翻转后，就产生了启动信号。因此，这种电路产生启动信号的时间取决于电源电压是否达到两个二极管的阈值电压，具有较高的稳定性，避免了一 般启动电路在电源电压上升过慢时，会导致开启信号出现过早的问题。

如果电源电压上升的时间过快，电阻R1 和M0 的栅 电容构成了低通延时电路，会使得M0 的栅极电压不能迅速跟上电源电压的变化，仍然维持在低电平上，这时M0 就会对电容C1 充电，导致电路不能正确工 作。为解决这一问题，引入电容C5。如果电源电压上升速度很快，电容C5 的耦合作用能够使得M0 的栅极电位保持与电源电压一致，避免了上述问题的发 生。

该电路仍然存在的静态功耗的问题，可以通过增大电阻值，合理选择MOS 管尺寸来降低静态功耗的影响。要想完全解决静态功耗的问题则需要设计额外的反馈控制电路，在启动信号产生后关断这部分电路。但是，需要特别注意引入反馈后产生的不稳定态的问题。

结论
本文所介绍的一些RFID 标签的主要电路，大部分已经经过了流片的验证。图14 是我们所设计的一款RFID 标签芯片。芯片面积 0.7mm×1.0mm，在36dBm EIRP 下，可在6 米处读出标签卡号。图15 是2.45GHz 带有片上天线设计的RFID 标签。在 42dBm EIRP 下，该芯片可在40cm处产生响应。

无源UHF RFID 芯片的设计难点是围绕着如何提高芯片的读写距离、降低标签的制造成本展开的。因此，提高电源恢复电路的效率，降低整体芯片的功耗，并且工作可靠仍然是RFID 标签芯片设计主要的挑战。