超高频RFID标签芯片模拟射频前端的研究与实现

论文摘要

射频识别（RFID）是一种利用无线射频信号的电磁感应或电磁传播的空间耦合实现对被标识物体自动识别的技术。近年来随着物联网技术的快速发展,超高频（UHF）射频识别技术由于其非接触式、工作距离远、通信速率快、可多卡识别等特点受到越来越多的关注,成为国内外研究的热点,具有广泛的应用前景。因此本文的研究将具有十分重要的意义。本文主要是研究与实现无源超高频RFID标签芯片模拟射频前端,使其具有低功耗、小尺寸、高动态范围的特点。本文首先基于ISO/IEC 18000-6C标准分析了UHF RFID系统的工作原理与过程,为整个模拟射频前端的设计奠定了理论基础。然后提出了整个UHF RFID标签芯片的架构,并分析了各个模块设计的要点和整个芯片设计的难点。在上述工作的基础上,按照设计指标的要求,认真地完成了整个模拟射频前端电路的设计,包括匹配电路、倍压整流器、并联稳压电路、DCDC升压电路、串联稳压电路、基准电压／电流源、上电复位电路、解调器、调制器、时钟电路；并对各个模块电路进行了完整的仿真。最后按照芯片架构将模拟射频前端各模块联合在一起进行了仿真,并完成了电路的版图设计。在整个模拟射频前端电路的设计中采用了亚阈值和低电压的设计技术,这样大大降低了芯片的功耗。整个芯片是基于smic 0.18μm工艺下设计仿真的,在Cadence Spectre平台下的仿真结果表明：当整个射频模拟前端电路工作在中心频率915MHz时,工作电流约为5μA,输入信号幅度可为300mV-5V,电源单元稳定输出电压1.0V和1.8V,上电复位电路可靠的输出复位信号,正向通信速率为40Kbps～160Kbps,时钟电路振荡频率稳定在1.92MHz,各个模块电路都能满足设计指标的要求,模拟射频前端版图面积0.55mm×0.74mm。本文的主要特色新颖之处：1)在电源单元中设计一种RF-DC和DCDC相结合的架构给EEPROM供电,这样提高了能量的利用效率、节省了芯片面积。2)设计了一种低电压、低功耗同时具有较高精度的基准电压／电流源,其能在最低电源电压为1.1V时产生500mV/900mV两路基准电压和100nA的基准电流,这样做的好处是省去了串联稳压电路反馈网络中大电阻的使用。3)设计了一种高动态范围、低功耗的解调电路,该解调器能对输入幅度为250mV-5V的射频信号进行解调,其自身功耗小于0.7μW。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 RFID研究背景
• 1.1.1 物联网与RFID
• 1.1.2 RFID的应用现状
• 1.2 RFID标签芯片研究现状
• 1.3 本论文的主要内容
• 第二章 UHF RFID的系统原理与协议分析
• 2.1 UHF RFID系统原理简介
• 2.2 UHF RFID系统中的能量传递
• 2.3 UHF RFID系统中的数据传递
• 2.3.1 数据编码格式
• 2.3.2 信号调制方式
• 2.4 相关协议内容补充介绍
• 第三章 UHF RFID标签芯片架构与设计难点分析
• 3.1 UHF RFID标签芯片的架构及功能分析
• 3.1.1 天线
• 3.1.2 匹配网络
• 3.1.3 射频模拟前端
• 3.1.4 数字基带与存储器
• 3.2 关键技术难点分析
• 第四章 UHF RFID标签芯片电源管理单元设计
• 4.1 电源管理单元架构分析
• 4.2 倍压整流器
• 4.2.1 DICKSON整流原理分析
• 4.2.2 倍压整流器详细分析设计
• 4.2.2.1 倍压整流器的输出电压
• 4.2.2.2 倍压整流器的效率
• 4.2.2.3 整流器的输入阻抗和Q值
• 4.2.3 倍压整流器仿真结果
• 4.3 并联稳压电路分析、设计与仿真
• 4.4 DCDC升压电路分析、设计与仿真
• 4.5 串联稳压电路
• 4.5.1 低压差线性稳压器的工作原理
• 4.5.2 LDO电路设计
• 4.5.2.1 调整管的设计
• 4.5.2.2 输出端频率补偿分析设计
• 4.5.2.3 误差放大器的设计
• 4.5.3 低电压基准电路分析与设计
• 4.5.4 串联稳压器的仿真结果
• 4.6 高可靠性上电复位电路
• 4.6.1 上电复位电路分析与设计
• 4.6.2 上电复位电路仿真
• 第五章 解调/调制和时钟电路设计
• 5.1 高动态范围解调电路
• 5.1.1 传统的解调器电路
• 5.1.2 改进的高动态范围解调器电路
• 5.1.3 解调器关键模块电路设计
• 5.1.3.1 倍压包络检波电路设计
• 5.1.3.2 反馈分压调节电路结构设计
• 5.1.3.3 滤波电路设计
• 5.1.3.4 滞回比较器设计
• 5.1.4 解调电路仿真
• 5.2 调制电路
• 5.2.1 ASK调制器与PSK调制器比较
• 5.2.2 ASK调制电路设计
• 5.3 弛豫振荡时钟电路
• 5.3.1 弛豫振荡器的原理分析
• 5.3.2 弛豫振荡器的具体电路设计
• 5.3.2.1 校准电流镜的设计
• 5.3.2.2 定时、比较器和锁存电路设计
• 5.3.3 时钟电路仿真结果
• 第六章 UHF RFID标签芯片模拟射频前端总体仿真与版图设计
• 6.1 模拟射频前端总体仿真
• 6.1.1 总体仿真模型与电路
• 6.1.2 总体仿真结果
• 6.2 模拟射频前端版图设计
• 6.2.1 版图设计的基本理论与经验
• 6.2.2 UHF RFID标签芯片模拟射频前端整体版图
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文