基于ISO14443A协议的RFID模拟前端设计

　　引言

　　实现基于ISO14443A协议的13.56 MHz RFID芯片的设计，并在SMIC 0.18 μm工艺下流片，芯片测试结果良好。RFID芯片模拟前端部分在AC—DC电源产生部分采用了新的结构，不需要引入LDO就可以产生稳定的电源。在数据接收部分采用了新结构，可以抵御工艺偏差引起的器件参数的变化。在数据发送部分，从系统上作了优化，使模拟部分的电路变得简单可靠。整个模拟部分的电流小于100μA。

　　1 RFID系统结构

　　图1为RFID系统结构框图。整个RFID系统包括读卡器、RFID芯片和耦合线圈。卡与读卡器通信过程中的能量和数据通过线圈耦合，当二者无数据交互时，读卡器向空间中发送13.56 MHz的正弦载波信号。卡靠近读卡器时，片外线圈会耦合空间中的磁场为RFID芯片提供能量，使模拟前端和其他部分上电，准备交互。RFID芯片接收到的数据是100%的幅度调制，采用改进型的曼彻斯特编码。RFID发送到读卡器的数据也采用幅度调制。

　　2 模拟前端结构

　　图2为模拟前端的结构框图，L为片外电感，C为片内电容，LC谐振在13.56 MHz。RFID读卡器通过线圈发送能量和数据，LC谐振回路接收读卡器发出的信号，并通过模拟前端电路提取出电源和数据，提供给整个芯片，以使卡与读卡器进行交互。

　　当RFID靠近读卡器时，整流器产生的电源电压被LC谐振电路提高，当电压提高的一定值时，限幅器工作，使电源电压被箝位并稳定在设定的值上，给其他模拟模块和数字部分供电。上电复位电路(POR)工作，给出复位信号，使数字部分复位。读卡器发出的数据是载波为13.56MHz数据率为106 kb/s的100%幅度调制信号，通过解调器解调提供给数字部分处理。RFID通过调制器向读卡器发出载波为13.56 MHz数据率为847 kb/s的幅度调制信号。

　　3 模拟前端电路设计

　　3.1 电源产生

　　图3为电源产生电路，由整流器和限幅器组成。当卡与读卡器无数据交互时，读卡器向空间中发射13.56MHz的正弦交变电磁场。图3中L为片外电感，C为片内电容，LC匹配的谐振频率为13.56 MHz，C1为稳压储能电容。当卡由远及近靠近读卡器时，LC发生谐振，RF1和RF2上的电压被谐振电路抬高，整流器开始工作，将正弦交变电压转化为直流电压VDD。当空间中电磁场强度很弱时，VDD电压值较低，不能给芯片供电。随着卡靠近读卡器，LC耦合得到的能量变强，VDD升高到芯片工作所需要的额定电压，芯片开始工作。但是，若卡继续靠近读卡器，VDD会继续上升，上升到超过MOS的击穿电压时芯片内的器件会被烧坏而失效。所以，需要引入限幅器，使VDD稳定在芯片工作的额定电压，这里设定的是2V。

　　限幅器的设计需要满足两点要求：第一，可精确调节;第二，高增益。正常情况下读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。随着卡靠近读卡器，RF1和RF2的电压升高，VDD和Vdect跟随RF1、RF2上升，当：

　　VDD≈V_dect=3Vthp+VREF (1)

　　此时，M61、M62、M63组成的支路导通，M51的尺寸远大于M52的尺寸，二者构成的反相器翻转阈值为V_dect—Vthp，当M61所在支路导通时，M51和M52构成的反相器翻转，X输出高电压，使M7打开，RF1和RF2通过M31、M32泄流，从而电压VDD被箝位稳定在式(1)所示的值上。反相器高增益使限幅器的灵敏度提高，当VDD恰好达到式(1)时，限幅器就开始泄流稳压，使VDD不随读卡器能量的变化而变化，以及不随负载的变化而变化。高增益的限幅器可以看作理想的稳压二极管。由式(1)可知，只需调节VREF即可得到精确的想要的VDD，例如Vthp=0.4 V，需要VDD=2 V，只需设定VREF=0.8 V即可。此处设计的限幅器可以看作电压可精确调节的理想稳压二极管。

3.2 数据接收

　　图4为数据接收电路，即解调电路。读卡器向卡发送的数据是载波为13.56 MHz、数据率为106 kb/s的100%的幅度调制信号，波形可以看作106 kHz的方波与13.56 MHz的正弦波的乘积。数据解调的原理是：当RF1电压为正弦波时(即有效数据1部分)，电压信号由D0、I0、C1、C2构成的包络检波整形。在A点得到直流电压为VREF6并带有一定纹波的电压信号，纹波的大小由C1、C2、I0的大小决定。选取REF6=0.6 V，VREF3=0.3 V，比较器输出高电压。当RF1电压由正弦变为0(有效数据0部分)时，由于A点信号反应速度高于放大器带宽，包络检波的A点电压迅速降低，使VA

由于工艺与温度的偏差，导致I0、C1、C2的值发生变化，A点的纹波大小会发生变化。在RF1为正弦波，也就是数据为1的时候，若A点的纹波大于2(VREF6～VREF3)，数据解调将发生错误。比较器在有效数据为1时应输出高电压，但是由于A点电压纹波过大导致比较器输出在数据为1输出13.56 MHz的方波，解调失败