无源RFID标签芯片的低功耗电源管理系统

华中科技大学

硕士学位论文

无源RFID标签芯片的低功耗电源管理系统

姓名：刘尧

申请学位级别：硕士

专业：微电子学与固体电子学

指导教师：邹雪城

2011-01-17

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摘要

近几年来，物联网、生物医疗和物流管理等新的应用场合的出现对无源RFID标签的功耗和成本提出了更苛刻的要求，无源RFID标签芯片的低功耗和低成本设计是应对这种新的挑战的主要措施。现有的研究主要集中在能量消耗模块的低功耗设计上，但在电源管理系统的优化设计上还需要进一步结合RFID芯片的功耗和成本特点进行深入研究。本文以无源RFID标签芯片的低功耗电源管理系统设计为目标，对电源管理系统的功耗特点进行了分析，并得出了相应的低功耗措施。

首先，介绍了无源高频RFID标签芯片的系统结构，重点指出电源管理系统在整个标签芯片中的功能及其重要性。然后重点分析电源管理模块的内部架构，即能量的获取，电压的产生和电压的切换，指出其所面临的功耗和成本限制以及相应的设计准则。

其次，介绍了一种与标准CMOS高压兼容的高频整流电路，然后重点设计了一种多电压低功耗电压产生电路，该电压产生电路通过合理的分配和控制电源电压，能够减小40%的EEPROM功耗、59%的模拟前端功耗、27%的储能电容面积和7µA的不必要的功耗损失。然后介绍了一种能有效减小电压切换电路在切换瞬间瞬态大电流的优化方法。

最后，设计了一种分步式高压产生电路，重点讨论了时钟频率、幅度和步数的选择，以及其中核心模块：NCP-2电荷泵和时钟幅度控制电路的设计。NCP-2电荷泵的设计采用一种以功耗为中心的低功耗方法来确定其级数。驱动时钟分两步上升，幅度分别为1.8V和2.3V。经过优化设计的电荷泵的平均动态功耗为37.1µW，功耗-延迟积为5.6nJ。

关键词：射频识别

压切换无源标签芯片高压产生电荷泵低功耗电源管理多电压电

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Abstract

ThedevelopmentofInternetofThings(IOT),biomedicalengineeringandlogisticsmakesmoreandmorehigherrequirementsforthepassiveRFIDtag.ThelowpowerandlowcostdesignofpassiveRFIDtagchipisthemosteffectiveapproachtotacklethischal-lenge.Thestate-of-artaremainlyfocusedonthelowpowerdesignofthepowerdissipationbuildingblocksofpassiveRFIDtag.Thepoweroptimizationofpowermanagementsystemofthechipisalsoneededtofurtherdevelop.ThisthesisisaimedtodesignalowpowerpowermanagementsystemofpassiveRFIDtagchip.BasedonthecarefulanalysisofthecharacteristicsofthepowerconsumptionofpassiveRFIDtagchip,aseriesoflowpowerdesigntechniquesisproposed.

Firstly,theblockdiagramsofpassiveRFIDtagchipisintroduced,mainlyfocusedonshowingthefunctionandimportanceofpowermanagementsystemofthechip.Next,thesystemarchitecturesofpowermanagementsystemisintroduced.Itismainlyconsistedofthreebuildingblocks,i.e.recti er,powersupplygeneratorandlevelshifter.Thepowerandcostconstrainsoftheseblocksandtheirdesignguidelinesarealsoanalyzed.

Secondly,aNMOSgatecross-connectedHFrecti ercompatiblewithstandardCMOSprocessisintroduced.Theemphasisisfocusedonthedesignofalowpowermulti-voltagepowersupplygenerator.Byeffectivecontrolofvariouspowersupplies,theproposedpowermanagementsystemachieves40%powerreductionofEEPROM,59%powerreductionofanalogfrontend,27%areasaveofenergystoragecapacitorand7µAcurrentsave.Next,aeffectivemethodisproposedtoreducetheshorttimebigcurrentoftheconventionallevelshifter.

Finally,amulti-stepsclockdrivinghigh-voltagegeneratorisproposed,mainlyfocusedonthechoiceoffrequency,amplitudeandstepsofdrivingclock,andthedesignofcoreblocks,i.e.NCP-2chargepumpandamplitudecontroller.ThedesignofNCP-2chargepumpisbasedonapoweroptimizationmethodtodeterminethenumberofstagesofcharge

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pump.Thenumberofstagesofdrivingclockis2,andtheamplitudeare1.8Vand2.3Vrespectively.Theproposedhigh-voltagegeneratorcanachieve37.1µWaveragedynamicpowerconsumptionand5.6nJPower-DelayProduct.

Keywords:RFID

voltagespassivetagchiplevelshifterlowpowerpowermanagementchargepumpmulti-highvoltagegenerator

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

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日期： 年 月 日

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日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 指导教师签名：

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1

1.1课题研究背景绪论

射频识别（RadioFrequencyIdenti cation，RFID）技术是利用RFID电子标签来识别各物品的一种新的识别技术，具有读写距离远、读写速度快、非接触式多目标同时读取、无视觉读取等诸多优点，同时它排除了现有的条码和激光防伪标签的可复制性[1]。RFID技术被认为是21世纪最有前途的信息技术之一，被公认为在未来几十年内改变人类生活方式的技术，它正在引起越来越多研究机构和商家的重视。随着无线通信技术、集成电路工艺设计技术的发展，RFID标签的实现和应用逐渐趋于成熟，高频、超高频、微波频段的标签相继出现[2,3]。

按照供能方式的不一样，RFID标签可以分为无源和有源两大类。有源RFID标签需要电池供电，而无源标签通过耦合阅读器发送的无线射频信号来获取能量，并同时获取数据。有源标签由于有更充足的能量供应，因此它具有更远的通信距离，但电池却增加了整个标签的成本。反之，无源标签仅含有一个芯片和一个印制天线，因此成本远远低于有源标签，无源RFID标签已经是RFID标签技术的主流。

RFID通信的载波频率可以分为低频（LowFrequency，LF：125KHz/134KHz）、高频（HighFrequency，HF：13.56MHz）、超高频（UltraHighFrequency，UHF：433MHz/860-960MHz）和微波（Microwave，MW，2.45GHz/5.8GHz）。不同的通信频率对工作环境的要求各不一样。高频RFID系统穿透非金属物体力强，阅读器和标签之间近场感应耦合方式不容易受其他无线信号的干扰，因此高频RFID系统对环境的电磁干扰（EMI）有很强的抑制能力。与之相对的超高频RFID系统由于采用远场通信方式，因而更容易受到环境中电磁信号的干扰，而且金属和液体也会加快超高频信号的衰减，这些因素都极大地限制了超高频RFID系统的应用。另外，高频RFID通信在世界范围内有统一的标准，但超高频通信标准在全世界各地区有多个标准，各标准采用的频率也不完全相同。高频RFID系统是当前整个RFID市场的主力军，例如，2009年我国高频标签占据了92.4%的标签芯片市场。

近几年来，物联网、生物医疗和物流管理等新的应用场合的出现要求无

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源RFID标签具有更多的功能和更高的性能。例如，食品监控领域中的无源RFID标签不仅要求具有身份标识的功能，而且还需要能实时监控和记录食品的温度，因此需要在标签芯片中集成CMOS温度传感器[4]。再例如，由于恩智浦的MifareClassic芯片的安全加密算法在2008年被破解，全球超过10亿张IC卡面临着被轻松破解的危险，这给用户带来的损失是不可估量的，因此，无源RFID标签的安全性必须得到加强。但是新的功能需求受到了无源RFID标签本身功耗和成本等诸多因素的约束。

首先，无源RFID标签自身的能量供应是有限的。无源RFID标签的能量来自读写器发射的射频能量，但是读写器发射的信号强度在实际应用中是受到限制的，在一些欧洲国家的规定中，超高频RFID读写器有效发射功率（EffectiveRadiatedPower，ERP）不得超过500mW（27dBm），美国规定的ERP最大则为4W（36dBm）[2]。因此，标签天线感应的射频能量也是非常有限的，例如，若某超高频RFID读写器的有效发射功率为500mW，则距其2米处的标签的输入功率仅约150µW[5]。诸如集成温度传感器[4]、增加生物传感器通用接口[6]和加强安全性[7]等新的功能必然会加重无源RFID标签芯片系统的功耗需求，缩短通信距离，影响实际应用。

其次，无源RFID标签的成本也是限制其更广泛应用的主要因素。无源RFID由芯片和天线组成，芯片又不仅包含标准的模拟、数字电路模块，还包含存储器和射频接口，因此其制造工艺必须提供浮栅、高压等非标准CMOS工艺步骤，大大提升了其成本；其次，无源的能量供应方式也决定了标签芯片必须包含面积很大的片上储能电容；最后，RFID芯片与天线的标签式封装也是其主要成本来源之一。新的功能扩展必然要求标签芯片具有更强的信息处理能力、更大的存储空间和更稳定的能量供应，这些都需要以增加标签的成本为代价来获得。

因此，为了应对新的应用需求，必须对无源RFID标签的低功耗和低成本措施开展更深入的研究，促进其更广泛的应用。

1.2国内外研究现状

无源RFID标签的低功耗和低成本措施主要集中在芯片的电路设计，同时也包含在天线、封装技术和制造工艺等方面的优化方法。下面将首先重点介绍最新的电路设计技术，然后简单介绍在天线设计、封装技术和制造工艺等方面的研究现状。从能量

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的角度来看，无源RFID标签芯片电路可以分为电源（能量）管理和能量消耗两部分，电源管理又主要包含能量获取与电压产生两部分。这两大部分的低功耗和低成本措施主要包括以下内容。

（1）电源管理

能量获取电路主要通过优化能量转换效率[8–11]和兼容标准CMOS工艺[12,13]来增加芯片的能量供应和降低成本。由于无源高频和超高频RFID标签芯片的通信距离分别处于近场和远场，因此其能量获取电路的结构也有所区别。高频标签芯片通过磁场耦合的方式获取能量，距离较近，一般采用整流电路将获取的射频信号转换成直流信号。整流电路一般采用能量转换效率较高的全桥整流电路[14]，其中又以采用肖特基二极管作为导通器件的电路具有最高的能量转换效率[15,16]，但肖特基二极管无法与标准CMOS工艺兼容，因此大多数研究工作都集中在如何采用二极管连接形式的MOS管得到尽可能高的能量转换效率，他们所提出的电路结构包括NMOS/PMOS桥式整流结构，NMOS/PMOS栅交叉连接整流结构，NMOS+PMOS栅交叉连接整流结构[17]。超高频标签芯片通过电磁场感应的方式获取能量，距离较远，能量更加微弱，因此一般都需要通过倍压电路来增加并稳定电压的幅度。与高频整流电路类似，超高频倍压器的主要研究也集中在通过电路结构的改进来提升以二极管连接形式的MOS管为基础的倍压电路的能量转换效率[11,18]，它们的一个共同缺陷在于无法消除MOS管衬偏效应所带来的能量转换效率的恶化，Liu等人[19]提出了一种解决方法。

电压产生主要包含电源电压的产生（普通电源电压和高压）、电源电压的分配和电源电压的控制等功能。普通电源电压的产生一般采用传统的线性稳压电路得到[20]。高压产生电路的研究主要包括提高升压效率[21]、低电源电压升压[22]和降低稳态功耗[23]，但都没有结合无源RFID标签芯片的功耗特点给出相应的优化措施。RFID标签芯片内的所有电路模块一般都采用同样的电源电压，这种方式虽然简单，但不利于功耗的最优化，[4]采用了一种多电压的供电方式，但总共包含多达6个电源电压，过多的电源电压产生模块会降低多电压带来的功耗和成本优化效果且会增加电压控制的复杂性。对于电源电压的控制，大多数研究都是采取的方式都是被动的让不需要工作的模块处于功耗稍低的等待状态，而没有根据状态的切换主动地动态调整各模块的电

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源电压，因此无法达到最优的功耗优化效果。

（2）能量消耗

能量的消耗主要来至于无源RFID标签芯片内除了能量获取和电源管理电路外的其他模块，主要包括数字基带控制器和EEPROM，它们是整个标签芯片功耗和成本的主要来源，因此也吸引了最多的研究者的目光。采用异步电路实现基带控制器[24]是主要的研究热点之一。与标准CMOS工艺兼容的Single-PolyEEPROM由于不需要浮栅，因此成本比传统的EEPROM低，它被应用于越来越多的RFID标签芯片中[25,26]。此外，引入新的非挥发性存储器也是来降低标签芯片功耗的方式之一。例如，FRAM[27]的功耗比EEPROM低，更能满足无源RFID标签的低功耗需求。但是它的制作成本要比EEPROM高，这极大的限制了FRAM在RFID标签芯片中的广泛应用[28]。

天线设计、封装技术和制造工艺方面的低功耗和低成本措施的主要内容介绍如下：

（1）天线的设计主要集中在通过优化天线的结构[29]、材料[30]和匹配网络[31]来实现更高的能量获取效率和更小的天线面积，其中尤其引人注意的是片上天线技术[32–34]。片外天线具有更高的能量发射和接收效率，但面积较大，且天线与电路的接口需要经过仔细的设计，增加了设计复杂性和成本。片上天线与电路一样在硅基底上实现，面积小，可以与电路直接连接，能够实现真正的单芯片集成。但硅基底天然并不是为了片上天线而存在，其高电导率使得片上天线的能量发射和接收效率远远低于片外天线，因此，很多研究者正尝试通过改进天线结构[34]和增加额外的工艺步骤[35]等措施来提升其效率。

（2）RFID标签芯片体积小（例如，Hitachi最近推出的RFID芯片体积仅为0.15mm×0.15mm×7.5µm）、工作频率高（最高可达2.4GHz），通常采用基于低温导电胶固化的倒装键合工艺实现芯片与柔性基板互连。RFID倒装键合装备包括基板进料、上胶、芯片翻转、贴装、热压固化、测试、基板收料等工艺模块，是集光、机、电、气、液于一体的高精技术装备，目前只有3家国外公司可以提供该类装备，且单台售价在1000万人民币以上。研制高性能、低成本、柔性化的封装工艺与装备已成为RFID市场应用的迫切需求[36]。

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（3）为了降低硅制造工艺所带来的昂贵成本，许多研究者和企业采用印刷薄膜电路的方式来制造RFID标签芯片。例如位于美国加州Milptas的Kovio公司在芝加哥举行的电子产品解码大会（EPCC）上推出了它的硅墨水印刷方案，该工艺可以制作标签芯片中的全部模块，包括逻辑电路、存储器、整流电路等，可以将标签成本降低为不到1美分。

根据以上对国内外研究现状的分析可知，芯片的电路设计技术是解决无源RFID标签低功耗和低成本挑战的主要途径，现有的研究在能量消耗方面已经展示了很多有效的优化方法，但在电源管理系统，特别是其中的电压产生电路的优化设计上还需要进一步结合RFID芯片的功耗和成本特点进行深入研究，以实现更优的能量利用效率，应对新的应用对无源RFID标签提出的功耗和成本挑战。

1.3本文研究内容及组织结构

鉴于无源RFID标签在功耗和成本上出现的新的挑战和国内外的研究现状，本文将对低功耗的电源管理系统进行研究与设计，以支撑标签芯片的开发和应用。为了便于讨论，本文的工作将主要针对高频无源RFID标签芯片，但这些成果对超高频和带有温度传感器等其他功能模块的无源RFID标签芯片同样具有很强的借鉴意义。本文的研究是基于华中科技大学电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究所已有的无源高频RFID标签芯片研究成果[37]，设计所采用的工艺为SMIC0.35µmembeddedEEPROM工艺。本论文后续章节的组织结构如下：

第二章介绍了无源高频RFID标签芯片的功能模块划分和其中的电源管理模块的系统结构。分析了电源管理系统中能量获取、电压产生和电压切换三部分的设计要求，以及所面对的功耗和成本限制。并在此基础上，归纳出低功耗设计准则，作为后续低功耗设计的参考。

第三章设计了一种低功耗的多电压电源管理系统，重点介绍了在电压产生和电压切换方面的功耗优化措施。

第四章设计了电压产生模块中的高压产生电路，提出了一种分步式高压产生电路的设计方案，重点讨论了它在减小电荷泵动态功耗方面的优势。第五章对本文的工作进行了总结，明确了本文的主要贡献或创新点，提出了今后

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2电源管理系统的研究与分析

本章将首先介绍无源高频RFID标签芯片的系统结构，重点指出电源管理系统在整个标签芯片中的功能及其重要性。然后将重点分析电源管理模块的内部架构，即能量获取电路，电压产生电路和电压切换电路，指出其所面临的功耗和成本限制以及相应的设计准则。

2.1无源高频RFID标签芯片的系统结构

无源高频RFID标签的系统结构如图2-1所示，它主要由天线和芯片组成，芯片又包含模拟前端、EEPROM和基带控制器三部分部分组成。天线一般由一对谐振点调整到13.56MHz的电感和电容组成，用于耦合由阅读器发送的无线信号。模拟前端是整个标签芯片的无线接口，主要负责接收和发送无线信号，并将耦合到的无线信号能量转换成整个芯片的工作电压。基带控制器提取接收到的无线信号中的指令和数据，进行相应的处理，并控制模拟前端将阅读器所需信息发送回去。EEPROM是整个标签芯片的信息存储介质，记录着标签芯片的UeserIdenti cation(UID)等信息。

模拟前端内部包含电源管理系统、时钟提取电路、调制解调电路和限流保护电路。电源管理系统整流天线耦合到的磁场能量，产生能用于芯片其他模块工作的多个电压，并在多个电压之间进行切换。电源管理系统需要向其他模块提供四个电源电压，即时钟提取电路、调制/解调电路工作所需的VDDA，分别用于基带控制器和EEPROM的VDD和VDD，另外，EEPROM还需要一个能在0V，VDDEE的和高压VPP之间切换的电压VSEL。电源管理系统是否能够高效地转换耦合到的磁场能量，并保证电源在多种形式的、不停变化的功耗需求下始终保持稳定是整个标签芯片工作的基础，因此高效、低功耗和稳定的电源管理系统是整个标签最关键的问题之一。另外，时钟提取电路从无线信号中提取时钟供基带控制器工作。调制解调电路用于解调和调制无线信号。限流保护电路可以泻放天线获取的多余的能量，避免标签芯片被损坏。

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文

图2-1无源高频RFID标签芯片的结构框图

2.2电源管理系统的结构及关键技术分析

电源管理系统的结构框图如图2-2所示，它由整流电路、电压产生电路和电压切换电路三部分组成。天线上耦合到的信号为经过幅度调制后的正弦信号，其峰峰值在规定的磁场强度范围内（150mA/m-5A/m）最低为8V，最高可达到30V，因此需要整流电路将其转换成幅度变化较小的直流信号，在我们已有的标签芯片系统中，整流后的电压VREC幅度为4V-12V。尽管VREC为直流电压且幅度变化有了一定程度的缩小，但还是会随着工作环境的变化，例如通信距离、负载的变化而出现较大波动，所以VREC还需要经过电压产生电路后才可以得到适合于其他模块工作的稳定的电源电压。由于RFID标签芯片各模块对电源电压的大小、驱动能力和稳定程度要求各不一样，因此需要产生一系列不同的电源电压VDD，VDD，VDDEE和VPP。由高压产生电路得到的15.5V高压VPP是为了满足EEPROM中存储单元编程需要而产生的，但在读过程和编程过程中不同的阶段，施加在存储单元相应端口上的电压VSEL需要在VPP，VDD和0V之间进行切换，VPP和VDDEE之间的切换是靠高压产生电路自身来完成，VPP或者VDD与0V之间的切换则是靠电压切换模块完成。本文所设计的RFID标签芯片符合ISO15693标准，在100%ASK信号传输模式下，当传输的信号为0时，载波信号的幅度为0V，也就意味着在这一段工作时间内整个RFID标签芯片没有能量的供应，所以需要一个较大的储能电容CS来存储能量，供芯片在该段时间内工作。下面进一步对电源管理系统的三部分的实现原理和关键技术问题进行分析，为后续章节中提出的优化措施提供理论基础。

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文

图2-2电源管理系统结构框图

2.2.1能量获取的分析

2.2.1.1电感耦合

近场中的能量主要集中在天线表面附近的电磁场中，近场的感应场能量远高于辐射场的能量，所以近场以感应场为主，工作在近场下的高频RFID无源标签通过磁场耦合的方式获能量和数据。假设读写器天线为圆形线圈（圆形导体回路），匝数为Nreader，半径为Rreader，线圈中流过的电流为Ireader，则沿圆形线圈轴线距离为x处的磁场强度可以表示为[38]：

NreaderIreaderRreader2

H=2(Rreader+x2)3/2(2-1)

从式2-1可知磁场强度H与电流的变化频率相同。读写器线圈的电感值可以表示为[1]：

2L=Nreaderµ0Rreaderln(2Rreader)D(2-2)

其中µ0为真空磁导率，D为使用的导体的直径。读写器天线线圈的电感是确定的，例如ISO15693协议就规定了高频读写器天线的感值为0.5µH。由2-2可知，天线的匝数Nreader与半径Rreader成反比，即：

Nreader=√L

)µ0Rreaderln(reader(2-3)

进一步将式2-3代入式2-1可得磁场强度的表达式为：

√IreaderRreader2LH=2(R+x2)3/2µ0Rreaderln(2R)reader(2-4)

假设Ireader=100mA，导体的直径为2mm，真空磁导率为µ0=4π×10 7H/m，

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10

H (A/m)10H (A/m)

10

10

0.00.61.2

10

1010

R

x (m)(m)

(a)磁场强度随距离的变化规律(b)磁场强度随线圈半径的变化规律

图2-3读写器线圈的磁场变化规律

L=0.5µH，根据图2-3可知，磁场强度大约在距离x=Rreader的时候开始以对数的形式衰减，下降速度为-60dB/十倍距离。据此，我们可以得到读写器天线的尺寸，例如，假设通信距离为x0=1m，根据计算可知，在x0处的磁场强度随着天线半径的增加而先增加后减小，在Rreader=0.9m的时候达到了极值，因此在此处将天线尺寸取为0.9m是最优解。

假设标签芯片天线线圈的匝数为Ntag，面积为A，所处空间的磁场强度为H，磁感应强度为B，通信频率为f，阅读器天线与标签天线间的夹角为α，与标签天线相连的谐振网络品质因素为Q，则标签天线感应到的电压为[38]：

∫d(BdS)dΦVant,tag= Ntag= Ntag= 2πfNtagQABcosαdtdt

又因为B=µ0H，所以式2-5可进一步表示为：

Vant,tag= 2πfNtagQAµ0Hcosα(2-6)(2-5)

首先考虑在没有谐振网络的情况下，即Q=1时，高频RFID标签天线的面积在ISO15693协议中被规定为A=3.375×10 3m3，线圈匝数为Ntag=4，假设α=0，则：

Vant,tag= 2πfNtagAµ0H=1.45H(2-7)

磁场强度的范围为150mA/m 5A/m，所以相应的标签天线感应到的电压幅度

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图2-4LC并联谐振网络

为0.3V 10.25V。

由上面计算可知，标签天线感应到的电压是非常有限的，因此，需要为其并联一个谐振电容以提升电压幅度。如图2-4所示为LC并联谐振电路，其品质因数可以表示为：

RpQ=(2-8)

标签芯片内部存在限压电路，因此芯片的等效输出阻抗Rp会随着感应电压的升高而不断降低，进而导致Q值降低，进一步降低了天线两端的电压。在标签芯片的天线设计中，并不是品质因数越大越好，我们还需要考虑以下因素：首先，过高的品质因素会增加谐振曲线的陡峭程度，减小天线的带宽。在实际工作中，若通信的载波频率有所偏差就会导致感应到能量大大减少。其次，品质因数高必然要求更加精确的电感和谐振电容，增加了制作成本。在高频RFID标签芯片中，谐振电路的品质因数一般取为20以内。

2.2.1.2整流电路

根据上文的分析，虽然可以通过通过优化标签天线的尺寸和谐振网络来增加耦合到的能量，但它依然是非常有限的，例如，当标签处于协议规定的最低磁场强度（150mA/m）下时，未经过优化设计的模拟前端电路能够提供给后续模块的电流仅为50µA。有限的能量使得整流电路的能量转换效率（PowerConversionEf ciency,PCE）成为整流电路最关键的性能参数之一。整流电路的PCE可以表示为[37]：

PCE=IRECVRECPout=PinPtag(1 Kloss)(2-9)

其中，Pin是整流电路的输入功率，Pout是输出功率，Ptag为天线感应到的功率，

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Kloss是标签调向读写器发送数据时的能量损耗系数，IREC和VREC分别为为整流电路的输出电流和输出电压。

整流电路的另一个重要的性能参数是它能够整流的最小输入电压。根据[37]的分析，标签输入功率Ptag与通信距离的平方成反比，当距离增加到一定程度时，接收到的能量将不足以使整流电路工作。

最后，整流电路还需要考虑整流纹波系数S，即整流输出电压最大值与平均值之比。标签输入功率Ptag会随着通信距离、环境和芯片内部工作状态的变化而出现较大波动，这样使得整流电路的输出电压也会随之在一定范围内变化，进而影响到后续电源电压的稳定性。

在整流电路的设计实现上，我们还需要考虑其与标准CMOS工艺的兼容性。整流电路大多采用二极管和电容作为其基本器件，其中又以导通电压低、结电容低以及驱动电流大的肖特基触电二极管为最理想的二极管器件，但是标准的CMOS工艺无法提供肖特基二极管，因此在实际中往往采用其他的器件来代替，一般包含以下几种器件：

（1）双极型集体管（BJT）。标准的CMOS工艺中，只有纵向PNP管，而且由于以衬底为集电极，所以集电极时钟接地，不能满足整流电路的要求。

（2）二极管。标准CMOS工艺能提供N+ PSUB和P+ NWELL两种二极管，前者的衬底始终接地，只能工作在反偏状态，而P+ NWELL二极管存在导通的寄生BJT，所以二者都不能应用在整流电路中。

（3）MOS管。二极管连接形式的MOS管在CMOS电路中被广泛采用以取代二极管，但由于整流电路需要容忍高压，因此，普通的MOS管不能应用与整流电路，而往往采用高压MOS管。与普通MOS管相比，高压MOS管有额外的保护环，最小尺寸要求也比普通MOS管大，且MOS管之间的间距要求也更大，因此会占用更多的版图面积。

2.2.2电压产生电路的分析

整流电路的输出电压VREC需要经过电压产生电路稳定之后才能供给标签芯片中的其他模块。每个模块对电源电压有不同的要求，下面将根据各模块电路结构的特点

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讨论各电源电压的要求。

（1）VDD模拟前端中的调制/解调电路和时钟提取电路由VDDA提供电源电压，本文采用[39]中所介绍的电路结构。调制电路由数字信号直接控制天线两端的负载变化，因此可以不需要电源电压。ASK解调电路的工作原理是首先检测载波信号中的包络，然后通过低增益放大电路和高增益的推挽放大器将包络放大为低摆幅的数据信号，最后将其转换成满摆幅的数据信号。解调电路的最低工作电压是由其低增益放大器之前的直流偏置电路所决定，可以表示为：

VDD=Vgsp+Vdsp+Vgs+Vds(2-10)

其中，Vgs、Vdsp、Vgs和Vds分别为PMOS的栅源电压、漏源电压和NMOS的栅源电压、漏源电压，假设它们分别为0.9V、0.2V、0.8V和0.2V，则VDD=2.1V。时钟提取电路由一串反相器构成，其最低工作电压为Vgs+Vgs，小于解调电路的最低工作电压，因此VDDA的最低值由解调电路的最低工作电压决定，为2.1V。由于没有对电源电压敏感的电路模块，所以对其稳定程度的要求并不高。

（2）VDDVDD向EEPROM提供电源，本文采用[40]中所介绍的电路结构。以存储阵列为中心，周围主要包含地址锁存、行列解码、电压切换、位线控制、灵敏放大器和数据接口。除灵敏放大器外，其他电路模块都由开关管、基本门电路组成，门电路又主要为反相器，因此大多数电路的最低工作电压可以很低。但是，最低允许的工作电压是由以下两个因素决定的。首先，在3.3.1中将介绍到，在读操作下，控制栅上的电压是高压VPP在没有升压时的值，即VDD Vth，而其最优值为1.5V，因此VDD≥2.2V。其次，高压产生电路与EEPROM共用一个电源电压，因此还需要考虑高压产生电路对VDDEE的需求。在第四章中将介绍到驱动时钟幅度和频率越低，高压产生电路的功耗越低，但驱动时钟幅度过低将会导致升压时间过长甚至升压无法完成。根据本文所基于的已有的设计，驱动时钟的幅度应该至少大于2V才可以在合理的时间内完成升压。因此VDDEE的最低值为2.2V。

VDD稳定性的要求主要需要考虑带隙基准源模块，它是VDD供电下所有

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模块中对电源电压最敏感的模块。VDD的不稳定来至两个方面，首先，磁场能量的变化使得整流电压不稳定进而导致VDDEE不稳定，另外，EEPROM和高压产生电路在工作状态下由很多开关动作，开关动作所引起的瞬态大电流会使得电源电压VDD不稳定。因此，需要在高压产生电路的设计中考虑比较器对带隙基准电压的要求，然后在优化带隙基准电路结构的基础上得出对VDDEE稳定性的要求。

（3）VPP

VPP为EEPROM提供编程电压，本设计所采用的工艺要求其大小为15.5V，变化范围为15V-16V。

（4）VDDVDD为基带控制器的工作电压，其大小和稳定性是由标准单元库所决定，分别为3.3V和±10%。

电压产生电路系统结构和电路实现方案的确定需要在满足各电源电压要求的前提下，尽可能降低功耗和面积，具体说来，我们需要考虑以下三方面的限制。由于VPP由一个单独的高压产生模块得到，因此以下三点限制主要针对VPP以外的三个电压讨论，在此之后我们将单独讨论VPP的功耗与面积限制。

（1）电源电压产生电路的数量限制

最简单的电源电压产生电路的实现方案是所有的电路模块都共用一个电源电压，这种实现方式结构简单，但需要在电压值、驱动能力和稳定性方面均同时满足最高的要求，这对于具有有限能量供应的无源RFID标签芯片是非常难得到的，或者必须以损失通信距离为代价来实现。作为另一种极端情况，每个电源电压可以有一个单独的电源电压产生电路，这样可以根据每个电源电压的要求进行有针对性的设计，但每个电源电压产生模块都会消耗一定的功耗和面积，过多的模块会增加整个芯片的功耗和面积代价。因此，我们需要采用尽可能少的电源电压产生模块来满足各个电压的要求。

（2）储能电容的面积限制

本文所设计的RFID标签芯片符合ISO15693标准，在100%ASK信号传输模式下，当传输的信号为0时，载波信号的幅度为0V，这段时间的长度为9.44µs。在这段时间内，需要一个较大的储能电容CS来为各模块提供能量，它往往会占据整个模拟前端

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