内嵌XPM存储器RFID高频接口模块设计

导通,M8 截止. 当coil1 为低电平 时,coil2 就变为高电平,这是NMOS 晶体管M7 截止,M8 导通. 通过这种交替控制,时钟产生电路产生了13.56MHz 的方波时钟信号。

图3 时钟产生电路

2.3 偏置产生电路

偏置产生电路如图 4 所示, PMOS 晶体管M1 和M2 还有电容CAP 组成了偏置电路的启动 电路。PMOS 晶体管M3 和M4 还有NMOS 晶体管M5 和M6 和电阻R 组成了与电源电压无关的电 流偏置。

图4 偏置产生电路

由于M3 晶体管的宽长比是M4 的N 倍,而由于M5 和M6 的宽长比一样,根据电流镜的原理, 流过M5 管的电流I5 和流过M6 管的电流I6 相等.而

由于上式都是常数,所以,我们可以得到一个与电源电压VDD 有固定差值的偏置电压Vbias。

2.4 高压保护电路

高压保护电路如图 5 所示, 高压保护电路在RFID 标签芯片中很重要,因为当读卡器发出的磁 场强度很大时,而RFID 标签芯片又离读卡器天线距离很近时, RFID 标签天线两端coil1 和 coil2 感应的电压可以达到上百伏,如果不加高压保护电路的,对芯片内部的器件回造成损 坏。

当coil1 和coil2 感应的电压经过整流电路后,输出的电压如果大于M3、M4、M5、M6 和R2 的压降时，就对coil1 和coil2 电压进行限压。从而保护coil1 和coil2 的两端电压在正常范围内。

图 5 高压保护电路

2.5 稳压电路

稳压电路如图 6 所示。在RFID 标签芯片中，需要有一个较大的电容储存足够的电荷供标签在输入能量较弱的时候当作电源来使用。如果输入电压过高，电源电压升高到一定程度，稳压电路中泻流电路就要起作用，把电容上多余的电荷释放掉，以达到稳压的目的。图6 中的稳压电路采用5 个PNP 三极管，这种稳压电路做到了采用最少的器件达到稳压的效果。 由于PNP 的Vbe 电压在0.7v 左右，所以5 个三极管的稳压在3.5v 左右。当电压超过3.5v 后，电流会功过PNP 的发射极到集电极的通路把电荷释放掉。很好的起到限压的效果。

图 6 稳压电路

2.6 调制电路

调制电路如图 7 所示。MOD_DATA 是数字逻辑输出的调制数据信号.用来控制M5 管和M6 管的通断.从而改变天线两端的并联谐振电路阻尼的强弱,实现幅度调制的功能.来完成从 RFID tag 到读卡机的数据传输。

图7 调制电路

3. 电路仿真结果

从图 8 的仿真结果来看: 电路在10%和100% ASK 调制模式下,电路都能正确的解调出正 确的读卡机发出来的指令. 并且产生20us 的POR 信号. 在tag 返回数据的时候, 电路的 modulator 功能正确,可以在天线上产生大于10%的ASK 调制,从而使返回的数据可以被读卡 器接收.图9 是tag 返回数据的数据和天线的波形图。

图8 100%和10% ASK 调制仿真结果

图9 调制的数据和天线的波形图

4．结论

基于 SMIC 0.18um one poly four metal 标准CMOS 工艺设计的符合ISO15693 国际标 准协议的RFID 射频前端电路. 电路仿真的结果表明: 此射频前端电路可以有效地从 13.56MHz 的RF 信号中恢复出直流电压1.8v, 并提出数字部分需要的时钟,和解调出指令数 据.整个芯片的版图照片如图10 所示.芯片的面积为960um*600um.流片后测试发现在7.5A/m 场强下可以工作在12CM.满足设计规格要求。

图 10 整个芯片的照片

本文作者创新点：在标准0.18um CMOS process 上实现了满足ISO15693 国际标准的 RFID 射频前端电路的设计，并流片验证通过。而且成功的把XPM 存储器技术(标准CMOS 的One time program memory)集成到RFID 芯片中, 实现了世界上第一次采用XPM 存储器技 术成功的RFID 芯片。